Cảm biến CMOS [4] - Cảm biến CCD và CMOS

CHƯƠNG 1 : CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH

1.2. Cảm biến CCD và CMOS

1.2.2 Cảm biến CMOS [4]

1.2.2.1 Tổng quan CMOS

Hình 1. 13. Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS

Thông thường, hai loại bóng bán dẫn được sử dụng: Loại P và loại N. Hai loại này được kết hợp thành một chất bán dẫn, được gọi là CMOS (Complementary

Metal-Oxide Semiconductor). Gán cả MOS-FET kênh P và MOS-FET kênh N trên cùng tấm bán dẫn sẽ làm giảm điện năng tiêu thụ và tăng tốc độ hoạt động (Hình 1.13).

Đối với cảm biến CMOS, cạnh mỗi điểm bắt sáng trên chip đều có một mạch bổ trợ. Do đó, người ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh như bộ chuyển đổi Analog/Digital, cân bằng trắng… vào mạch bổ trợ này, giúp cho quá trình xử lý bức ảnh được thực hiện rất nhanh nhờ được thực hiện ngay tại từng điểm ảnh đơn lẻ. Các điểm ảnh đa chức năng này (vì thế ở CMOS thế hệ mới còn được gọi là các điểm ảnh chủ động APS – Active Pixel Sensor) đều có khả năng tự làm việc. Điều này được minh họa qua Hình 1.14. Cũng do khả năng này mà người ta có thể chỉ tương tác với một vùng pixel nhất định của chip cảm biến (ví dụ như zoom số, phóng to chỉ một phần của ảnh), điều không thể làm được đối với CCD vì CCD đã

Hình 1. 14. Ánh sáng vào các pixel đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel

đọc là đọc hết toàn bộ bức ảnh. Do khả năng tích hợp cao, bảng mạch chính sẽ không bị mất thêm không gian (vì tất cả đã ở trên chip), không đòi hỏi thêm các chip bổ trợ. CMOS lại tiêu thụ rất ít điện năng, việc sản xuất dễ dàng vì quy trình giống như quy trình sản xuất chip máy tính hay các chip trong các thiết bị điều

khiển khác, không cần phải đầu tư thêm phòng lab mới. giá thành sản xuất theo đó sẽ được giảm đáng kể.

Nhưng lợi thế lại trở thành nhược điểm. Do mỗi một điểm bắt ảnh trên CMOS lại có một mạch riêng nên khó có thể đảm bảo tính đồng nhất của mỗi mạch khi khuếch đại. Điều này làm cho các bức ảnh xuất ra luôn có một đỗ nhiễu nhất định (không mịn). Nếu như ở CCD, mỗi một điểm ảnh là một mặt bắt sáng khiến cho độ sáng của CCD cao hơn, dải màu thể hiện được nhiều hơn, độ phân giải cao hơn, thì mỗi một điểm ảnh của CMOS (bao gồm hạt bắt sáng và mạch khuếch đại) khi bắt sáng sẽ có những phần ánh sáng rơi vào vị trí của mạch vì thế sẽ không được tái hiện. Điều này làm cho ảnh bị mất thông tin tại những vùng này dẫn đến độ phân giải của CMOS không cao.

Sự xuất hiện của công nghệ CMOS cảm biến hình ảnh được cho là phát triển quan trọng trong hình ảnh trạng thái rắn từ các sáng chế của CCD. Ngày nay hầu hết các cảm biến CMOS đều là CMOS Active Pixel Sensor (APS), khai thác cùng một công nghệ chip silicon sử dụng trong các hệ thống vi xử lý.

Điểm nổi trội chủ yếu do tính chất của công nghệ CMOS trong đó nhiều triệu lions của các transistor có thể được tích hợp trên một mạch silicon duy nhất.Với mỗi photodiode riêng và transistor readout, cùng với tất cả các thiết bị điện tử phụ trợ cần thiết để xử lý các mảng lưu trữ photon, các bộ đệm tín hiệu video tương tự và thậm chí số hóa nó đã sẵn sàng để xử lý, lưu trữ hoặc hiển thị.

Cảm biến CMOS, như một mạch CMOS tích hợp hoạt động ở điện áp thấp hơn đáng kể điện áp của CCD, thường là từ 1,8V và 5V tùy thuộc vào từng tiến trình hay cấu trúc riêng của các loại CMOS. Việc tích hợp chức năng lớn, quy mô và hoạt động điện áp thấp rõ ràng tối ưu trong thị trường người tiêu dùng về nhu cầu sử dụng pin lâu dài và chi phí sản xuất thấp. Như một hệ quả, nhiều máy ảnh kỹ thuật số và điện thoại di động, điện thoại bàn khai thác CMOS thay vì cảm biến CCD.

Trong dạng đơn giản nhất các điểm ảnh CMOS APS gồm một photodiode và ba transistor: một photodiode, một cảm nhận điện áp tín hiệu trên photodiode và

một để chọn hàng (Hình 1.15a). Một mảng điểm ảnh thường sẽ được giải quyết bằng xy ghi dịch (Hình 1.15b) mặc dù một số triển khai sử dụng bộ giải mã địa chỉ để cho phép điểm ảnh truy cập ngẫu nhiên. Các mảng điểm ảnh APS được truy cập một hàng tại một thời gian bằng cách tạo điều kiện cho tất cả các transistor hàng đã

chọn trong một hàng duy nhất của điểm ảnh. Ở dưới cùng của mảng, điểm ảnh trong hàng được lựa chọn và đọc ra theo từng cột một. Các tín hiệu video có thể được truyền qua một kênh ra một bộ khuếch đại đầu ra tương tự, qua bộ nối tiếp analog-to-digital converter (ADC) hoặc một mảng của ADCs cột song song.

Hình 1. 15. Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b)

Một nhược điểm của mô hình ba transistor điểm ảnh cơ bản là có nhiễu điểm ảnh trên readout. CDS đã được tìm thấy để làm việc với mức độ khác nhau bằng cách lưu trữ một "thiết lập lại" khung ở chế độ tắt trước đó với một tiếp xúc và sau đó loại bỏ đi nó từ các "tín hiệu" khung readout. Để kích hoạt trên chip CDS, các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất đã phát triển bốn transistor pixels trong đó các transistor mới được sử dụng như là một cổng giữa các photodiode và transistor. Hình 1.16 giới thiệu layout của cấu trúc CMOS bốn transistor. Khái niệm có nghĩa là ở đầu ra có thể được lấy mẫu sau khi thiết lập lại và trước khi tín hiệu từ các photodiode được bật lên tại đầu ra. Điều này dường như tương tự với việc khuếch

đại đầu ra CCD nhưng đòi hỏi các photodiode cần được "gắn" vào những thời điểm thích hợp. Điều này đảm bảo rằng tất cả các tín hiệu đến được đầu ra và hạn chế nhiễu. Những bất lợi của pin photodiode làm giảm đáng kể khả năng lưu trữ các điểm ảnh và do đó đường truyền cũng hạn chế.

Hình 1. 16. Layout của CMOS điển hình 1.2.2.2 Hiệu suất lượng tử hình 1.2.2.2 Hiệu suất lượng tử

Hiệu quả của bộ cảm biến CMOS được biểu hiện khi được chiếu sáng ngoài thu được những pixel còn phải giảm "nhân tố bù vào chỗ trống" (fill factor), phần diện tích của điểm ảnh đó thực sự là nhạy cảm với ánh sáng. Cách bố trí của một điểm ảnh CMOS điển hình được thể hiện trong hình 6. Trong ví dụ này, các photodiode chiếm chỉ có 19% diện tích pixel (như được xác định bởi các đường đứt nét) nhưng thông thường sẽ mang lại fill factor ≈ 30%.

1.2.2.3 Nhiễu readout và phạm vi hoạt động

Một lĩnh vực thứ hai của nghiên cứu là để giảm thiểu nhiễu và tối đa hóa khả năng nạp vào readout , khả năng lưu trữ và tuyến tính. Một hạn chế là điện áp xoay chiều tuyến tính mà có thể thu được ngoài vùng ngưỡng transistor trong các CMOS sử dụng điện áp thấp. Phạm vi hoạt động tuyến tính của bộ cảm biến CMOS tốt nhất hiện nay là ≈ 5000, ít hơn đáng kể so với một CCD. Một số phương pháp để khắc phục vấn đề bao gồm các khái niệm điểm ảnh và cảm biến cho phép các điểm ảnh riêng để có tiếp xúc trong những giai đoạn khác nhau . Những kiến trúc phức tạp hơn năm, sáu transitor cũng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất. Chúng ta có thể chờ đợi những tiến bộ hơn nữa trong tương lai khi các nhà nghiên cứu thích ứng với khai thác lợi thế của công nghệ CMOS hơn là cố gắng phát triển CCD.

1.2.2.4 CMOS trong không gian và ứng dụng

Cảm biến CMOS đã được sử dụng trong không gian, có ứng dụng trong các đường bus vệ tinh, các thiết bị đo đạc như theo dõi ngôi sao và máy ảnh kiểm tra. CMOS là chưa có một tác động đáng kể trong khoa học trong khi CCD vẫn chiếm ưu thế. Các lợi thế chính của CMOS so với CCD trong không gian thiết là cấu trúc chắc chắn, điện năng thấp và độ cứng bức xạ. Những ảnh hưởng của bức xạ trong CMOS và cảm biến CCD giống nhau ở chỗ cả hai bị bức xạ ion hóa. Cảm biến CMOS chắc chắn sẽ đóng một vai trò ngày càng tăng trong không gian thiết bị đo đạc, nhưng ngày nay chúng có nhiều khả năng xuất hiện trong những ứng dụng có kích thước lớn, khối lượng hoặc năng lượng hạn chế, ứng dụng yêu cầu với phương thức hoạt động phức tạp như ngẫu nhiên truy cập pixel, hoặc trong những nhiệm vụ mà thiệt hại bức xạ sẽ ít hơn CCD.

Những CMOS nói một cách khác được sản xuất xử lý một cách truyền thống, cũng phương pháp xử lý sản xuất các bộ vi xử lý. Bởi vì quá trình sản xuất khác nhau nên những cảm biến CCD và CMOS cũng có một số vấn đề khác nhau:

Những cảm biến CCD, như đã đề cập ở trên được sản xuất với chất lượng cao để đạt được độ nhiễu thấp nhất. Những cảm biến CMOS được sản xuất bằng phương pháp truyền thống cho chất lượng hình ảnh thấp do bị ảnh hưởng nhiễu cao bởi vì mỗi pixel trong cảm biến CMOS có vài transistor do đó độ nhậy sáng của chip CMOS thấp hơn cảm biến hình ảnh CMOS tiêu thụ năng lượng thấp. Những cảm biến CCD tiêu thụ nhiều năng lượng trong quá trình xử lý, cảm biến CCD tiêu thụ điện gấp 100 lần so với cảm biến CMOS tương đương. Dựa trên những sự khác nhau đó mà có thể xem như bộ cảm biến CCD trong máy ảnh kỹ thuật số cho chất lượng hình ảnh cao với nhiều pixel với độ nhạy sáng cao. Những cảm biến dùng công nghệ CMOS tiêu thụ năng lượng thấp hơn, độ phân giải thấp hơn và độ nhạy sáng kém nhưng bên cạnh đó nó dùng được pin lâu hơn vì tiêu thụ năng lượng thấp. Ngày nay những máy ảnh kỹ thuật số dùng công nghệ CMOS đã được cải tiến và chất lượng gần đạt được so với CCD.

1.3. So sánh CCD và CMOS

Một cảm biến CMOS kết hợp bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi ADC và mạch cho quá trình xử lý bổ sung, trong khi đó ở một máy ảnh với cảm biến CCD, nhiều chức năng xử lý tín hiệu được thực hiện ngoài cảm biến. Cảm biến CMOS có mức tiêu thụ điện năng thấp hơn so với cảm biến hình ảnh CCD, có nghĩa là nhiệt độ bên trong máy ảnh hay các thiết bị có thể được giữ thấp hơn. Các vấn đề về nhiệt với cảm biến CCD có thể được giải quyết bằng các nghiên cứu trong thời gian tới, song mặt khác, cảm biến CMOS có thể phải chịu nhiều nhiễu từ cấu trúc.

Một cảm biến CMOS cho phép 'windowing' và đa xem trực tuyến,điều mà không thể được thực hiện với một CCD cảm biến. Một cảm biến CCD thường có một điện áp chuyển đổi mỗi cảm biến, trong khi một bộ cảm biến CMOS có một trên mỗi pixel. Đầu đọc nhanh hơn từ một cảm biến CMOS làm cho nó dễ dàng hơn để sử dụng cho đa-megapixel trong máy ảnh. Tiến bộ công nghệ gần đây đã loại trừ sự khác biệt về độ nhạy sáng giữa một CCD và cảm biến CMOS với một mức giá nhất định.

Cảm biến CCD vẫn thường lựa chọn những ứng dụng trong đó chất lượng hình ảnh là những yêu cầu chính. CCD được cải thiện với hiệu suất lượng tử đạt 85% và 16 bit dải động.

Cảm biến CMOS có giá rẻ hơn nhiều, sản xuất số lượng lớn (hơn 90 %) trong điện thoại di động, đồ chơi, máy ảnh giá rẻ. Bảng 1.1 đã chỉ rõ sự tương quan về đặc điểm cũng như chất lượng của hai công nghệ CMOS và CCD.

Mô tả Thành phần Tốc độ Độ nhạy Nhiễu Độ phức tạp hệ thống Độ phức tạp cảm biến Đầu ra Tín hiệu điểm ảnh Xung clock Bảng 1.1. So sánh giữa CCD và CMOS

Hình 1. 17. Xu hướng phát triển của CMOS và CCD

Những lợi thế khác của bộ cảm biến CMOS là chúng tiêu thụ ít điện hơn và có thể kết hợp những mạch khác trên cùng chip. Những tính năng bổ sung của loại chip này có thể bao gồm bộ chuyển đổi tương tự - số, tính năng điều khiển camera, nén hình ảnh hay chống rung.

Tuy nhiên, những mạch bổ sung này sử dụng không gian bình thường được sử dụng cho thiết bị đo sáng. Điều này làm cho bộ cảm biến kém nhậy sáng hơn, tạo ra những bức ảnh chất lượng thấp hơn khi chụp ở trong nhà hoặc trong những điều kiện thiếu sáng khác.

Một CCD điển hình tiêu thụ 2 đến 5W, một chip CMOS thường tiêu thụ 20mW đến 50mW.

CMOS được phát triển nhanh chóng cũng cho các ứng dụng cao cấp:

- Bộ cảm biến CMOS đã đạt độ phân giải 12Mpixel

- Thiết kế cải tiến rút ngắn khoảng cách chất lượng

- Cải thiện “fill-factor”

1.4. Kết luận chương

Trong chương I đã trình bày một cách chi tiết về các loại cảm biến thông dụng hiện nay trên thế giới đó là cảm biến CCD và CMOS. Mỗi loại cảm biến này đều có những ưu nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu về camera CCD và cảm biến camera tốc độ cao ISIS ở chương sau.

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ CAMERA CCD2.1. Giới thiệu 2.1. Giới thiệu

CCD là một trong những công nghệ lâu đời nhất với chất lượng ảnh chụp vượt trội so với CMOS nhờ có dải tần nhạy sáng và kiểm soát nhiễu tốt hơn. Để biết được chi tiết hơn về thành phần cấu trúc hoạt động của một camera CCD, chương II sẽ phân tích thiết kế một camera CCD điển hình.

2.2. Cấu trúc camera CCD [10]

Hình 2.1. Sơ đồ khối camera CCD điển hình

Sơ đồ khối của camera CCD gồm các khối cơ bản : Chip CCD, bộ tiền khuếch đại, bộ tương quan lấy mẫu kép, bộ khuếch đại và điều khiển. Các tiến bộ trong công nghệ CCD (Charge Coupled Device) như tăng độ phân giải với chi phí sản xuất thấp hơn kích thích sự tăng trưởng của ngành công nghiệp điện tử hình ảnh. Tuy nhiên một số hạn chế điển hình của CCD vẫn không thay đổi, chẳng hạn như mức độ tín hiệu đầu ra rất thấp và các nhiễu vốn có. Hơn nữa độ phân giải tăng thường bằng cao hơn tốc độ đọc ra, mà lần lượt sẽ áp đặt các yêu cầu đối với các thiết bị điện tử sau này.

2.2.1 Lý thuyết cơ bản CCD

CCD là yếu tố trung tâm trong một hệ thống hình ảnh, khi thiết kế phải hiểu rõ các yêu cầu đặc biệt cho các tín hiệu của CCD để đạt được hiệu suất tối đa. Các tín hiệu đầu ra của CCD là một dòng liên tục của các điểm ảnh riêng biệt "phí tổn hao" và kết quả này dẫn đến dạng điển hình của mức điện áp DC có bậc. Tín hiệu ra này chứa điện áp định thiên DC khoảng vài volt. Tín hiệu sau đó được truyền qua một tụ điện để chặn điện áp DC trước khi đi vào bộ tiền khuếch đại. Để duy trì mối quan hệ cần thiết giữa các thông tin pixel và đường cơ sở, một cái kẹp hoặc DC-restore mạch thường nằm trong giai đoạn xử lý đầu tiên. Giai đoạn tiếp theo được dùng một mạch giảm nhiễu đặc trưng cho hệ thống CCD dựa trên bộ đôi tương quan (CDS). Sau đó là một tầng khuếch đại khác, có thể là một bộ khuếch đại điều chỉnh độ tăng ích tự động (AGC), hoặc tầng khuếch đại cố định với dịch chuyển điều chỉnh. Trước khi đi vào chuyển đổi A/D nó thường đi qua một bộ đệm hoặc mạch điều khiển được tối ưu hóa cho các loại hình chuyển đổi lựa chọn. Để có thể đạt được độ ổn định hơn nữa bằng cách có một bộ D/A chuyển đổi trong một vòng lặp điều khiển kỹ thuật số.

Hình 2.2. Mô hình ánh sáng rơi xuống bề mặt CCD

Để dễ tưởng tượng quy trình xử lý ảnh của CCD ta hình dung mỗi một điểm