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
15
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
16
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
17
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.
18