CHƯƠNG II : THIẾT KẾ CAMERA CCD
2.2. Cấu trúc camera CCD [10]
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.
Để dễ tưởng tượng quy trình xử lý ảnh của CCD ta hình dung mỗi một điểm ảnh là một người cầm một xô nước. Khi ánh sáng tràn vào cũng giống như cơn mưa xuống vào mỗi người tùy theo độ dày đặc của cơn mưa (ánh sáng mạnh yếu thể hiện nên bức ảnh) sẽ hứng được một lượng nước khác nhau ở xô của mình. Sau khi số lượng nước của mỗi người đã được ghi nhớ, hàng ngoài cùng (hàng 1) sẽ đổ nước vào một cái rãnh (bộ đọc giá trị). Rãnh này sẽ ghi nhớ số lượng từng xô nước của hàng 1. Số lượng nước của hàng 2 được truyền đến cho hàng 1 rồi lại đổ vào rãnh, rãnh lại ghi nhớ số lượng nước của hàng 2. Rồi hàng 3 đổ vào hàng 2, hàng 4 đổ vào hàng 3, cứ thế truyền tay cho đến hết hàng cuối cùng là coi như thông tin về toàn bộ bức ảnh (màu sắc, đậm nhạt, sáng tối…) đã được truyền xong, tất cả mọi người lại sẵn sàng cho một cơn mưa khác tới (một kiểu ảnh mới).
Nhưng chính việc phải đọc thông tin theo từng hàng lần lượt một này khiến cho chip CCD có bất lợi đó là tốc độ xử lý hoàn thiện một bức ảnh khá chậm, ảnh ở một số vùng hoặc dễ bị thừa sáng (do nước từ xô người này bị bắn sang xô người khác), thiếu sáng (do xô người này truyền sang xô người kia không hết)… Để xử lý vấn đề này một bộ đọc ảnh có kích cỡ bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung xen kẽ (cạnh hàng người nào cũng có rãnh để đổ nước) để làm tăng tốc độ xử lý ảnh mà không bị suy giảm chất lượng, do đó quá trình đọc ảnh chỉ qua một lần đổ dữ liệu. Nhưng sự cải thiện này đòi hỏi phải có thêm không gian trên chip. Mà để sản xuất chip CCD cần có những thiết bị phòng lab chuyên dụng khiến cho giá thành CCD đã đắt lại càng thêm đắt.
Ánh sáng được thu thập toàn bộ trên khung hình cùng một lúc sau đó ánh sáng sẽ được tắt để các photon đã thu được có thể được chuyển xuống các cột. Cuối cùng mỗi dòng dữ liệu được chuyển đến một thanh ghi ngang riêng biệt, các gói dữ liệu cho mỗi hàng được đọc ra tuần tự và cảm nhận bởi một chuyển đổi photon thành điện áp và đi tới phần khuếch đại. Khi chụp ảnh cửa trập mở ra ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại lại bề mặt chip thông qua các điểm ảnh. Thông tin về số lượng ánh sáng lưu lại của mỗi điểm (thể hiện bằng độ khác nhau về điện áp) sẽ được chuyển lần lượt theo từng hàng ra ngoài bộ phận đọc giá trị (để đọc các giá trị khác
nhau của mỗi điểm ảnh). Sau đó các giá trị này sẽ đi qua bộ khuyếch đại tín hiệu, rồi đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D converter), rồi tới bộ xử lý để tái hiện lại hình ảnh đã chụp được.
Hình 2.3. Cấu hình mảng CCD
Các mảng CCD được cấu hình vào nhiều thanh ghi dịch chuyển thẳng đứng và thường là một thanh ghi dịch ngang, cả hai yêu cầu mẫu tạo xung nhịp khác nhau. Các dòng như sau: điểm ảnh chuyển đổi ánh sáng (photon đến) thành điện tử được lưu trữ như điện. Sau đó tính được truyền xuống thanh ghi thẳng đứng theo cách băng chuyền đến thanh ghi dịch chuyển ngang. Thanh ghi này thu thập mỗi lần một dòng và vận chuyển những điểm ảnh trong một cách nối tiếp với giai đoạn đầu ra trên chip. Trên chip đầu ra chuyển đổi tính vào điện áp, điện áp này sau đó được sẵn có ở đầu ra trong lập công thức xung nhịp CCD điển hình. Với CCD tiêu chuẩn, hầu hết các điểm ảnh có thể phát hiện ánh sáng. CCD cũng có chia cắt nhỏ lúc đầu và vào cuối mỗi đoạn đường đứng được che phủ nên do đó "về phương diện quang học mồ hóng". Điểm ảnh đó sẽ luôn có mức điện áp đại diện cho màu đen. Một số mạch điện ảnh sử dụng khi các điểm ảnh tham chiếu để điều chỉnh dịch chuyển tín hiệu.
Một số con số:
Tốc độ kết quả đọc được đường nằm ngang cho hệ thống lên tới 12 bit độ phân giải lên đến 10MHz. Đối với độ phân giải cao (16 bit) tốc độ là khoảng 1MHz. Kích thước điểm ảnh điển hình là: ~27µm2 cho mảng 512x512 hoặc ~12µm2 cho mảng 1024x1024.
Hình 2.4. Sơ đồ khái niệm của giai đoạn đầu ra bên trong phần tử CCD
Trên đây là sơ đồ khái niệm của giai đoạn đầu ra bên trong phần tử CCD. Giai đoạn này chịu trách nhiệm cho cái gọi là "phát hiện phí”. Như đã thảo luận trước đó, phí điện tử tạo ra được chuyển vào thanh ghi dịch ngang. Phí của mỗi điểm ảnh riêng biệt được điều khiển bởi bộ tạo nhịp ngang và được lưu trữ vào tụ (Cs). Một giá trị tiêu biểu cho một tụ điện như vậy là 0.1pF đến 0.5pF với V=Q/C, phí sẽ phát triển một điện áp trên tụ Cs, đại diện cho cường độ ánh sáng cho các điểm ảnh riêng biệt. Một bóng bán dẫn MOSFET cấu hình như một bộ theo nguồn đệm tụ từ nút đầu ra kết nối với điện trở tải RLOAD. Tại thời điểm này tín hiệu hình ảnh trở nên có sẵn tại VOUT cho tín hiệu tiếp tục điều chế.
Như đã chỉ ra trong hình trên, điện áp đầu ra là một loạt các điện áp bước DC. Một kỳ điểm ảnh bao gồm ba cấp độ khác nhau: (1) "thiết lập lại feedthrough", (2) "mức tham chiếu", (3) "mức độ điểm ảnh".
Một chuỗi readout bắt đầu với các thiết lập lại. Trường hợp FET-switch được đóng lại, thiết lập hướng tụ điện để điện áp tham chiếu ban đầu. Điện áp tham chiếu
có thể là tương đối cao lên đến +12V. Việc đóng cửa chuyển đổi gây ra feedthrough thiết lập lại, một kết quả của các khớp nối điện dung qua MOSFET. Sau khi phân rã này feedthrough tụ điện sẽ phản ánh mức độ điện áp tham chiếu (2). Một khi các tụ điện đã được thiết lập lại, việc chuyển đổi sẽ mở ra và pixel được chuyển giao cho các tụ điện, biến đổi điện áp của nó.
Một đặc điểm kỹ thuật quan trọng cho các yếu tố CCD là độ nhạy. Đây là một biện pháp của điện áp đầu ra có thể đạt được cho mỗi electron, SV = VOUT/e-. Với một tụ điện 0.1pF, điện áp đầu ra sẽ được -1.6µV mỗi electron. Thật không may, theo nguồn có mức tăng dưới 1 (~0,8).