CHƯƠNG 1 : CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH 1. Cảm biến hình ảnh 1. Lịch sử phát triển Cảm biến hình ảnh CCD (Charge Coupled Device) và CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) là hai công nghệ khác nhau để chụp hình ảnh kỹ thuật số. Cả hai đều có những điểm mạnh, điểm yếu trong các ứng dụng khác nhau.
CCD và CMOS được phát minh vào cuối những năm 1960 và 1970, người sáng lập tiến sĩ Savvas Chamberlain là người tiên phong trong việc phát triển cả hai công nghệ. CCD đã trở thành chủ đạo chủ yếu là bởi vì cho hình ảnh cao hơn nhiều so với các công nghệ chế tạo sẵn. Cảm biến hình ảnh CMOS cần nhiều tính đồng nhất và tính năng nhỏ hơn so với các xưởng đúc silicon có thể cung cấp vào thời điểm đó. Mãi cho đến năm 1990 các nhà thiết kế có thể bắt đầu thực hiện một trường hợp cho CMOS, quan tâm mới trong CMOS được dựa trên kỳ vọng tiêu thụ năng lượng thấp hơn, tích hợp máy ảnh trên một chip và giảm chi phí chế tạo từ việc tái sử dụng của logic chính và chế tạo thiết bị bộ nhớ.
Để đạt được những lợi ích trong thực tế, đồng thời cung cấp chất lượng hình ảnh cao đã tốn rất nhiều thời gian tiền bạc và quá trình thích ứng hơn dự báo ban đầu, nhưng công nghệ CMOS hiện nay đã ngang bằng thậm chí là vượt qua công nghệ CCD truyền thống. Định nghĩa Cảm biến hình ảnh (Image sensor) là bộ phận đầu tiên của camera tiếp nhận hình ảnh. Sau khi bắt ánh sáng, các chip cảm ứng có nhiệm vụ chuyển chúng thành các điện tử. Các điện tử này sau đó sẽ được chuyển thành điện áp (để có thể đo lường được) rồi chuyển sang dạng tín hiệu số mà chúng ta thấy được.
Các tín hiệu số được xử lý bằng các mạch điện tử bên trong máy ảnh và các thiết bị điện tử tạo ra hình ảnh ban đầu đã chụp. Cảm biến hình ảnh được ví như đôi mắt của con người, một đôi mắt tốt sẽ nhìn thấy những hình ảnh đẹp trong sáng và rõ ràng. Một đôi mắt xấu sẽ nhìn thấy những hình ảnh lờ mờ, nhòe nhoẹt…Trên thị trường hiện có nhiều 2 download by : skknchat@gmail.com loại sensor do nhiều hãng cung cấp khác nhau: Sony, Sharp, LG, Samsung … và một số sensor thương mại không nổi tiếng khác. Cảm biến hình ảnh sẽ quyết định đến chất lượng đẹp xấu của bức ảnh và kích cỡ tối đa mà bạn có thể in bức ảnh này.
Chất lượng ảnh không chỉ phụ thuộc vào kích cỡ vật lý của cảm biến, mà còn phụ thuộc vào số lượng pixel (các điểm nhạy sáng) có mặt trên cảm biến và kích cỡ của các pixel này. Cảm biến hình ảnh là một thiết bị phần cứng nhỏ có khả năng thu nhận ánh sáng và chuyển đổi các photon thu nhận được thành các tín hiệu số và phục hồi lại hình ảnh ban đầu trên các thiết bị điện tử. Hiện nay có hai công nghệ chính mà có thể được sử dụng cho các bộ cảm biến hình ảnh trong một máy ảnh là CCD (Charge-coupled Device) và CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor). CCD đã tỏ ra có ưu thế hơn hẳn bởi khả năng nhạy sáng cao có thể tái hiện những bức ảnh có độ phân giải lớn, thể hiện được các dải màu liên tục trong khi CMOS độ nhạy sáng kém, ảnh thu được dễ bị rạn.
Hiện nay CCD vẫn được sử dụng nhiều trong các mẫu máy ảnh du lịch giá rẻ, song quá trình lắp ráp khó khăn và điện năng tiêu thụ quá nhiều của CCD đã dẫn tới sự thống trị của CMOS. Trước đây cảm biến CMOS luôn được cho là có chất lượng ảnh chụp thấp hơn so với CCD, nhưng các đột phá về công nghệ mới đã khiến cho chất lượng của CMOS hiện đại trở nên ngang bằng hoặc thậm chí là vượt qua cả tiêu chuẩn của CCD. Với nhiều tính năng được tích hợp sẵn hơn là CCD, cảm biến CMOS hoạt động hiệu quả hơn, cần ít điện năng hơn và chụp ảnh tốc độ cao tốt hơn CCD. Chip CCD và CMOS 3 download by : skknchat@gmail.3 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh Đây là bộ cảm biến ánh sáng nằm trong máy ảnh kỹ thuật số có tác dụng chuyển ánh sáng thu nhận từ môi trường bên ngoài sang tín hiệu điện.
Để có thể thu được màu sắc máy ảnh kỹ thuật số sử dụng bộ lọc màu (color filter) trên mỗi tế bào quang điện. Các tín hiệu điện tử thu được trên mỗi tế bào quang điện sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số nhờ bộ chuyển đổi ADC (Analog to digital converter). Vào thời điểm hiện tại có hai loại bộ cảm biến ánh sáng: CCD (Charged Couple Device) và CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor). Cả hai bộ phận cảm biến hình ảnh dùng công nghệ CCD và CMOS cùng có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện.
Một điều đơn giản có thể hiểu dùng trong máy ảnh kỹ thuật số là có một mảng 2D gồm hàng nghìn, hàng triệu những tế bào năng lượng mặt trời, mỗi một tế bào có nhiệm vụ chuyển đổi ánh sáng từ một phần trên bức ảnh thành tín hiệu điện. Sơ đồ tổng quan chip CCD Bước tiếp theo là đọc giá trị tín hiệu điện tại mỗi tế bào quang điện trong hình ảnh. Trong thiết bị CCD, điện áp nạp trên thực tế được qua một chip và được đọc ở 4 download by : skknchat@gmail.com góc của một mảng. Bộ chuyển đổi ADC sẽ biến giá trị mỗi pixel thành giá trị số tương ứng.
Trong hầu hết những thiết bị CMOS có vài transistor cho mỗi một pixel được khuếch đại và chuyển tín hiệu tới mạch nạp truyền thống. CMOS đạt được nhiều sự linh hoạt bởi vì mỗi pixel được đọc giá trị riêng biệt. Sơ đồ khối cảm biến CCD Hình 1. Sơ đồ khối cảm biến CMOS 5 download by : skknchat@gmail.com Giá thành sản xuất CCD thường đắt hơn so với CMOS, nguyên nhân chủ yếu là do CCD đòi hỏi phải có dây chuyền sản xuất riêng trong khi có thể sử dụng dây chuyền sản xuất chip, bảng mạch thông thường để sản xuất CMOS.
Những CCD được chế tạo đặc biệt để có thể chuyển tín hiệu nạp tới chip mà không bị méo tín hiệu. Sự xử lý này để sản xuất những cảm biến với chất lượng cao với độ tin cậy cao và độ nhạy sáng cao. Như một máy ảnh bình thường, một máy ảnh số có một thấu kính và một cửa trập cho phép ánh sáng đi qua. Nhưng có một điểm khác là ánh áng tác dụng lên một mảng của những tế bào quang điện hoặc những ô cảm quang thay cho phim.
Mảng tế bào quang điện là một chip khoảng 6-11nm chiều ngang. Mỗi bộ cảm biến hình ảnh là một thiết bị tích điện (Charged Couple Device – CCD ) nó chuyển đổi ánh sáng thành điện tích. Sự tích điện được lưu dưới dạng thông tin tương tự rồi được số hóa bởi một thiết bị khác gọi là bộ biến đổi tương tự - số (Analog to Digital Converter – ADC ). Mỗi phần tử quang điện trong mảng của hàng ngàn phần tử tạo ra một pixel và mỗi pixel chứa một vài thông tin được lưu trữ.
Một số máy ảnh số sử dụng bộ cảm biến hình ảnh bằng chip CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ). Công nghệ CMOS liên quan tới quá trình thiết kế bộ cảm biến. Quá trình này cũng giống quá trình sản xuất hàng loạt DRAM và những bộ vi xử lý nên bộ cảm biến CMOS rẻ hơn và dễ làm hơn nhiều so với bộ cảm biến CCD. Cảm biến CCD và CMOS 1.
Cảm biến CCD 1.1 Giới thiệu về CCD 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. 6 download by : skknchat@gmail.com CCD bao gồm một mạng lưới như bàn cờ các điểm bắt sáng như Hình 1.
Các điểm này lại được phủ các lớp lọc màu (thường là 1 trong 3 màu cơ bản: đỏ, xanh lam, xanh dương) để mỗi điểm chỉ bắt được một màu nhất định. Do các điểm ảnh được phủ các lớp lọc màu khác nhau và được đặt xem kẽ nhau nên màu nguyên thủy tại một điểm của hình ảnh thật sẽ được tái hiện bằng màu từ một điểm ảnh chính kết hợp với các màu bù được bổ sung từ các điểm xung quanh bằng phương pháp nội suy. Cấu tạo chip CCD Hình 1. Ánh sáng trên bề mặt chip CCD Hình 1.6 cho thấy cách camera thu nhận tín hiệu ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại tại bề mặt chip thông qua các điểm ảnh.
7 download by : skknchat@gmail. Cấu trúc hai chiều ngang - dọc của chip CCD Trong khi đó Hình 1.7 minh họa 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 khuếch 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. 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 dễ bị thừa sáng, thiếu sáng.
Để xử lý vấn đề này, một bộ đọc ảnh có kích thước bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung xen kẽ 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 đỏi 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 trở nên đắt.2 Cấu trúc CCD Cấu trúc CCD bao gồm một loạt điện cực gần nhau tách ra từ một chất bán dẫn cơ bản bởi một lớp oxit cách điện mỏng (hình 1. Khi một giá trị điện áp được đặt lên một điện cực, một vùng nghèo được hình thành trong các chất bán dẫn ngay bên dưới nó.
Các vùng nghèo có hiệu lực như một giếng thế mà có thể lưu trữ một điện tích.