Mạch này cho thấy các chương trình cấp độ chuyển dịch cho các cấu hình op amp không nghịch đảo. Tương tự như các mạch đầu tiên, nó cho biết thêm một hiện đến ngã ba tổng hợp. Điều này làm việc tốt cho một phạm vi điều chỉnh nhỏ, khi R3 có thể có một giá trị cao hơn nhiều so với R1. Bởi vì việc điều chỉnh bù đắp là song song với R1 nó ảnh hưởng đến sự tăng tín hiệu. Ví dụ nếu R3 cộng với sức đề kháng chiết là cao hơn so với R1 100 lần, độ lợi tín hiệu đạt được sẽ được thay đổi bằng khoảng 1%. Một thực tế phổ biến là đặt chiết áp giữa hai đường ray cung cấp. Những bất lợi của điều này có thể dễ dàng nhìn thấy, sự thay đổi về các nguồn cung cấp điện sẽ có hiệu quả ngay cho các tín hiệu.
Cảm biến CCD phù hợp cho một loạt các ứng dụng công nghiệp và thương mại. Ví dụ CCD được chủ yếu sử dụng trong các sản phẩm thương mại như máy quay phim, máy fax hoặc máy quét tài liệu. Ở đây, các yêu cầu được tập trung chủ yếu vào giá của việc sử dụng một chuyển đổi A/D với độ phân giải 8 đến 12bit. Bộ chuyển đổi tương tự sang số thích hợp cho phân khúc thị trường này là các gia đình ADS8xx, cung cấp tốc độ và độ phân giải khác nhau. Các ADS8xxs IC nguyên khối bằng cách sử dụng cấu trúc liên kết đường ống cho phép tốc độ đồng hồ nhanh. Được xây dựng trên một quá trình CMOS 0.6 m họ đến trong một gói SOIC 28-pin
47
nhỏ. Trong phần sau "High Speed A/D Converter" chúng ta sẽ có một cái nhìn gần hơn vào công nghệ đường ống dẫn và mạch điều khiển của nó. Ứng dụng khoa học, y tế thường cần độ phân giải cao hơn. Sử dụng các mảng CCD lớn hơn để thu thập thêm ánh sáng mà chúng thường hoạt động với thời gian hoạt động lâu hơn. Điều này có nghĩa là tỷ lệ thông lượng của bộ chuyển đổi A/D không cần phải là cao. Trong phân khúc này, bộ chuyển đổi với hơn 12 bit độ phân giải có vị trí của mình. Converters như ADC614 (14-bit) hoặc ADC701 (16-bit) có thể được sử dụng ở đây.
2.3. Kết luận
Trên đây là thiết kế một camera CCD cơ bản, qua đó ta có thể thấy rằng nhiều chức năng xử lý tín hiệu được thực hiện bên ngoài cảm biến CCD. Do vậy mức độ tiêu thụ năng lượng của camera CCD rất lớn. Tuy vậy thì camera CCD vẫn được đánh giá cao bởi chất lượng hình ảnh tốt.
48
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN CAMERA TỐC ĐỘ CAO ISIS
3.1. Giới thiệu
Năm 2001, một cảm biến CCD đã được phát triển với 260x312 pixels có khả năng chụp 103 ảnh liên tiếp tại 1.000.000 frame/s (1Mfps)[5]. Cảm biến CCD đó được đặt tên là “ISIS-V2”, tức là In-situ Storage Image Sensor - Version 2. Bên trong mỗi pixel của cảm biến này có 103 phần tử nhớ được cài đặt, tín hiệu hình ảnh được tạo ra thì được lưu trữ ngay lập tức ở trong in-situ mà không đọc ra ngoài của cảm biến. Bản ghi tốc độc cao cuối cùng có thể được thực hiện bằng cách thực hiện ghi song song tại tất cả các pixel tại cùng thời gian như nhau. Sau khi hoàn thành hoạt động chụp ảnh, những tín hiệu hình ảnh được lưu quanh mỗi pixel đọc ra ngoài từ từ, được chuyển tới bộ nhớ đệm bên ngoài cảm biến ảnh, và tái tạo lại như khung ảnh liên tiếp để hiển thị. Trong năm 2006, ISIS-V4 đã được phát triển để thu nhận hình ảnh màu, nó có khoảng 300 kpixels (720x410) và khả năng chụp 144 ảnh liên tiếp.[1]
Trong năm 2009, thế hệ ISIS-V12 ra đời, một mặt sau được chiếu sáng (backside illuminated – BSI), cảm biến ảnh được gắn cấu trúc ISIS và CCM (Charge carrier multiplication) trên mặt trước. CCM được kết hợp với cấu trúc BSI cho độ nhạy cực cao. Số điểm ảnh đếm khoảng 200.000 (400x489)[1]. ISIS-V12 là một cảm biến nhằm chứng minh tính khả thi kỹ thuật của cấu trúc. Tốc độ frame lớn nhất là 250 kfps cho toàn phạm vi hoạt động và 1 Mfps khi phạm vi hoạt động giảm. Tốc độ khung hình có thể được tăng bằng cách đặt dây kim loại ở trên bề mặt chuyển điện áp lái của bộ nhớ in-situ CCD mà không quan tâm một yếu tố làm giảm hay không thống nhất của cấu hình điểm ảnh.
Các mẫu thử nghiệm, ISIS-V16 sau đó được phát triển. Tốc độ khung hình đạt tới 16 Mfps. ISIS-V16 được thiết kế bằng cách cải thiện chủ yếu các dây kim loại để phân phối điện áp lái của ISIS-V12. ISIS-V16 với tốc độ khung hình rất cao, sẽ
49
mở ra chân trời mới cho khoa học và công nghệ, đặc biệt trong các lĩnh vực như xử lý laser, các hạt va chạm trong vật lý, nghiên cứu nhiệt hạch.
3.2. Đặc điểm và cấu hình cảm biến
3.2.1 Cấu trúc tổng thể
Các đặc điểm kỹ thuật thực hiện của ISIS V16 được tóm tắt trong bảng 3.1. Số điểm ảnh là 165 kpixels (362x456=165072). Số lượng của các khung hình liên tiếp là 117. Kích thước điểm ảnh là 43.2x43.2 mm2 [6]. Số điểm ảnh hạn chế và số lượng khung hình là do kích thước điểm ảnh lớn để lưu trữ nhiều tín hiệu hình ảnh xung quanh các điểm ảnh. Khả năng chụp ảnh xen kẽ cho phép tăng gấp đôi số lượng khung hình đến 234 trong khi giảm độ phân giải giảm còn 1/2. Bảng 3.1 cũng cho thấy các chỉ số hiệu suất được giải thích trong phần sau:
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của ISIS-V12 so với ISIS-V16[6]
Frame rate Pixel count Pixel size Size of CCD element Fill factor Average QE Number of frame Transger scheme Operation temperature Sensitive wavelength Overwriting operation CCM Interlaced image 50 download by : skknchat@gmail.com
Hình 3. 1. Cấu trúc mặt của ISIS-V16 [6]
Hình 3.1 cho thấy cấu trúc phẳng tổng thể của ISIS-V16. Diện tích hình ảnh được chia thành bốn vùng phụ hình chữ nhật. Một tập hợp các điều khiển điện áp được sử dụng trong các hoạt động chụp ảnh, đòi hỏi phải có tần số rất cao, được chuyển từ bên trái và bên phải, phía đường trung tâm dọc qua metal bên đường bus nội. Những đường bus nội rất rộng và có khoảng cách đều nhau, làm giảm đáng kể sức cản. ở hai bên của đường bus nội trung tâm, các đường bus metal bên ngoài với một hình dạng đặc biệt, có tên là “Thunderbolt bus line”, được đặt thêm vào, cũng nhằm làm giảm đáng kể sức cản trong việc chuyển điện áp điều khiển.
Sau khi hoàn thành một pha chụp ảnh, tín hiệu hình ảnh được lưu trữ trong mỗi pixel được chuyển giao cho những HCCD được đặt phía trên và phía dưới, kết nối với các CCM ở hai bên, và cuối cùng đến các bộ khuếch đại đọc ra. Các điện áp điều khiển được sử dụng trong hoạt động đọc ra chậm là chủ yếu được gửi từ trên hoặc dưới.
51
3.2.2. Cấu trúc pixel