Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cho CCD camera tốc độ

TRẦN HOÀNG SƠN

BỘ GIÁO DỤC VÀĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KIỂN
CHO CCD CAMERA TỐC ĐỘ

2014 - 2016

TRẦN HOÀNG SƠN

HÀ NỘI - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI


LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KIỂN
CHO CCD CAMERA TỐC ĐỘ

TRẦN HOÀNG SƠN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60.52.02.03
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN HOÀNG DŨNG

HÀ NỘI - 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của tôi phối
hợp cùng với nhóm nghiên cứu, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của
TS. Nguyễn Hoàng Dũng.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Trần Hoàng Sơn

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện dưới sự định hướng và hướng dẫn của TS. Nguyễn
Hoàng Dũng, phối hợp cùng với nhóm gồm các bạn Mai Xuân Hòa và Tào Tuấn Mạnhsinh viên K56, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện.
Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô thuộc trường đại học Bách Khoa Hà
Nội và Viện Đại học Mở Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn.
Học viên

Trần Hoàng Sơn

ii




MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG ..........................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...............................................................viii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
NỘI DUNG ............................................................................................................. 2
Chương 1: NGHIÊN CỨU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH ..... 2
1.1. Nghiên cứu về cảm biến hình ảnh CCD ........................................................ 3
1.1.1. Cấu trúc cảm biến hình ảnh CCD .......................................................... 3
1.1.2. Sai số (nhiễu ) trong Readout (tín hiệu không mong muốn) .................... 8
1.1.3. Phạm vi quang phổ ............................................................................. 10
1.1.4. CCD trong không gian ......................................................................... 10
1.2. Nghiên cứu về cảm biến hình ảnh CMOS ................................................... 11
1.2.1. Cấu trúc cảm biến hình ảnh CMOS ...................................................... 11
1.2.2.Hiệu suất lượng tử ................................................................................ 16
1.2.3. Nhiễu readout và phạm vi hoạt động .................................................... 16
1.2.4. CMOS trong không gian và ứng dụng .................................................. 17
1.3. So sánh đánh giá về công nghệ cảm biến hình ảnh CCD và CMOS............. 18
1.4. Kết luận chương.......................................................................................... 21
Chương 2: NGHIÊN CỨU VỀ CCD CAMERA .................................................... 22
TỐC ĐỘ CAO TẠI BKFET LAB ......................................................................... 22

iii


2.1. Nghiên cứu về cảm biến hình ảnh CCD tốc độ cao ISIS.............................. 22
2.1.1.Mô tả cấu trúc bề mặt ........................................................................... 22
2.1.2. Thông số kĩ thuật và của cảm biến hình ảnh CCD tốc độ cao ISIS ....... 24
2.1.3.Cấu trúc pixel của cảm biến hình ảnh ISIS ............................................ 25
2.1.4.Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên trong cảm biến hình ảnh ISIS ........... 28
2.1.5. Đánh giá kết quả thí nghiệm chụp ảnh của cảm biến hình ảnh ISIS..... 31
2.1.5.1. Đánh giá kết quả thí nghiệm chụp ảnh và điều kiện thí nghiệm ..... 31
2.1.5.2. Tỷ lệ khung hình và khả năng điều khiển điện tích ........................ 32
2.1.5.3. Đánh giá nhiễu của ISIS ................................................................ 36
2.2. Nghiên cứu về cảm biến hình ảnh CCD tốc độ siêu cao ISAS [3] ............... 36
2.2.1.Mô tả tóm tắt cảm biến hình ảnh CCD tốc độ siêu cao ISAS ................. 36
2.2.2.Cấu trúc pixel của cảm biến hình ảnh ISAS ........................................... 37
2.2.3.Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên trong cảm biến hình ảnh ISAS .......... 38
2.2.3.1. phương pháp điều kiển xung chuyển giao2 giai đoạn .................... 38
2.2.3.2. phương pháp điều kiển xung chuyển giao 4 giai đoạn.................... 40
Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO CCD
CAMERA TỐC ĐỘ CAO ..................................................................................... 45
3.1. Hệ thống điều khiển .................................................................................... 45
3.1.1. Đường đi của bus điểu khiển trên main board. ..................................... 45
3.1.2. Sơ đồ khối hệ thống .............................................................................. 46
3.1.3. Khối Decoder ....................................................................................... 47
3.1.4. Khối Controller .................................................................................... 50
3.1.5. Nhóm khối điều khiển VCCD và HCCD. .............................................. 53
3.2. Thực hiện mô phỏng và kết quả mô phỏng .................................................. 54
3.3. Kết luận chương.......................................................................................... 59
iv


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 61
PHỤ LỤC 1........................................................................................................... 62
PHỤ LỤC 2........................................................................................................... 63

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
CCD
CMOS

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Charge Couple Device
Comlementary
Semiconductor

Linh kiện tích điện kép

Metal

Oxide Công nghệ dùng để chế tạo
mạch tích hợp

ADC

Analog to Digital Converter

Mạch chuyển đổi tương tự
sang số

APS

Active Pixel Sensor

Điểm ảnh chủ động

ISIS

Insitu Storage Image Sensor

Cảm biến hình ảnh lưu tại chỗ

ISAS

Image
Sensor

CCM

Charge carrier multiplication

Ghép đa kênh mang điện tích

VCCD

VerticalCharge Couple Device

CCD hàng dọc (bộ nhớ tuyến
tính theo cột)

HCCD

HorizontalCharge Couple Device

CCD hàng ngang (bộ nhớ
tuyến tính theo hàng)

BSI

Backside illuminated

Chiếu phía sau

APS

Active Pixel Sensor

Điểm ảnh chủ động

CDS

Correlated double sampling

Tương quan lấy mẫu đôi

Signal

Accumulation Cảm biến tích lũy tín hiệu
hình ảnh

vi


DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG
Bảng 1. 1. So sánh giữa CCD và CMOS ................................................................ 19
Bảng 2. 1. Thông số kĩ thuật của ISIS-V12 so với ISIS-V16[2] ............................. 25
Bảng 3. 1. Chức năng các tín hiệu trong khối decoder ........................................... 49
Bảng 3. 2. Trạng thái điều khiển trong khối Controller .......................................... 50

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Điểm ảnh, pixel ....................................................................................... 3
Hình 1. 2. Cấu trúc cảm biến CCD .......................................................................... 4
Hình 1. 3. Hoạt động của cảm biến CCD ................................................................. 5
Hình 1. 4. Electron trong các điện cực ..................................................................... 6
Hình 1. 5. Hai dạng cơ bản của CCD ....................................................................... 7
Hình 1. 6.(a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCA và (b) Tương quan lấy mẫu ......... 9
Hình 1. 7. Cấu trúc cảm biến CMOS ..................................................................... 12
Hình 1. 8. Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b) ...................................... 14
Hình 1. 9. Layout của CMOS điển hình ................................................................. 15
Hình 1. 10. So sánh cảm biến CCD và CMOS ....................................................... 18
Hình 1. 11. Xu hướng phát triển của CMOS và CCD ............................................ 20
Hình 2. 1. Cấu trúc bề mặt cảm biến hình ảnh lưu trữ tại chỗ (ISIS) .................... 23
Hình 2. 2. Sơ đồ mặt trước của ISIS ...................................................................... 26
Hình 2. 3. Điện cực trong linear CCD .................................................................... 27
Hình 2. 4. Nguyên lý điều khiển hoạt động của ISIS.............................................. 29
Hình 2. 5. Kỹ thuật truyền four-phase cho linear CCD .......................................... 30
Hình 2. 6. đánh giá kết quả thí nghiệm chụp ảnh ................................................... 31
Hình 2. 7. bộ ngắt quãng chùm laser 200 lá cánh ................................................... 32
Hình 2. 8. Một hình ảnh lá cánh bắt bởi camera V16 ............................................. 33
Hình 2. 9. Tốc độ khung hình so với di động của lá cánh ....................................... 34
Hình 2. 10. Bốn ảnh liên tiếp của một xung ánh sáng LED .................................... 35
Hình 2. 11. Qmax so với tốc độ khung hình ........................................................... 35
Hình 2. 12.Kiến trúc ISAS trên mặt trước .............................................................. 37
Hình 2. 13.Giản đồ thay đổi hướng chuyển giao hai giai đoạn ............................... 39
Hình 2. 14. Kênh điện thế chụp nghiêng tại một gấp khúc của ISAS truyền hai giai đoạn .. 40
Hình 2. 15. Giản đồ thay đổi hướng chuyển giao bốn giai đoạn ............................. 40
Hình 2. 16. Layouts của chuyển giao bốn giai đoạn CCD-ISAS ............................ 41
Hình 2. 17. Chương trình hoạt động của CCD-ISAS.............................................. 41

viii


Hình 2. 18. Hình ảnh của một gấp khúc của một chuyển ISAS bốn giai đoạn ........ 44
Hình 3. 1. Block diagram of CCD main board ....................................................... 45
Hình 3. 2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ............................................................. 46
Hình 3. 3. Tín hiệu trong Decoder ......................................................................... 48
Hình 3. 4. Tín hiệu trong khối Controller ............................................................... 52
Hình 3. 5. Sơ đồ khối kết nối khối điều khiển VCCD ............................................ 53
Hình 3. 6. Sơ đồ kết nối khối điều khiển HCCD .................................................... 54
Hình 3. 7. Kết quả mô phỏng tổng quan................................................................. 55
Hình 3. 8. Mô phỏng chế độ chụp của camera ....................................................... 56
Hình 3. 9. Mô phỏng hoạt động readout của ISIS .................................................. 58

ix


MỞ ĐẦU
Hiện nay, có hai công nghệ chính 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 là một trong những công
nghệ lâu đời nhất trên máy ảnh số, với chất lượng ảnh chụp (dải màu thể hiện
được nhiều hơn, độ phân giải cao hơn) vượt trội so với CMOS
Đối với cảm biến hình ảnh CCD, ánh sáng đi qua ống kính sẽ được lưu
lại tại các phần tử cảm biến (điểm ảnh) trên bề mặt cảm biến. Thông tin về số
lượng ánh sáng lưu lại tại mỗi phần tử cảm biến (thể hiện bằng độ khác nhau
về điện tích) sẽ được dịch chuyển lần lượt theo từng hàng ra ngoài đến bộ
phận đọc giá trị điện tích. Sau đó sẽ đi qua bộ khuếch đại tín hiệu, rồi đến bộ
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Nhưng chính việc phải đọc
thông tin theo từng hàng lần lượt một này khiến cho cảm biến CCD có bất lợi
đó là tốc độ xử lý hoàn thiện một bức ảnh khá chậm
Với công nghệ hiện nay đã ra đời các cảm biến hình ảnh CCD Camera
tốc độ cao nhằm tăng tốc độ đọc thông tin của các điểm ảnh. Do vậy việcthiết
kế mạch điều khiển cho CCD Camera tốc độ cao là cần thiết để nâng cao tốc
độ xử lý hoàn thiện một bức ảnh.

1


NỘI DUNG
Chương 1: NGHIÊN CỨU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ
CẢM BIẾN HÌNH ẢNH
Cảm biến ảnh (image sensor) là thiết bị phần cứng có chức năng chuyển đổi
tín hiệu hình ảnh thành tín hiệu điện.
Ánh sáng mang thông tin hình ảnh qua ống kính sẽ được thu nhận tại bề mặt
cảm biến ảnh, lúc này các hạt photon của ánh sáng rơi vào các phần tử cảm biến, và
sự tương tác của chúng với chất liệu bán dẫn của phần tử cảm biến sẽ tạo ra một số
các electron, số lượng các electron được tạo ra tỷ lệ với cường độ ánh sáng. Cường
độ ánh sáng càng mạnh, các electron được tạo ra nhiều hơn. Các electron đượctạo ra
như trên tiếp tục được cảm biến hình ảnh chuyển đổi thành tín hiệu điện áp.
Ngày nay, trong kỷ nguyên số hóa, các tín hiệu điện áp sẽ tiếp tục được
chuyển đổi thành tín hiệu số (thông qua chip ADC thường đặt cùng đế với cảm biến
ảnh, tạo racảm biến ảnh kỹ thuật số). Tín hiệu số của hình ảnh sẽ được xử lý và hiển
thị theo các mục đích khác nhau của người sử dụng. Cảm biến ảnh kỹ thuật số có
tác dụng chuyển ánh sáng thu nhận từ môi trường bên ngoài sang tín hiệu điện bao
gồm hàng triệu phần tử cảm biến (tế bào quang điện), mỗi tế bào có tác dụng thu
nhận thông tin về từng điểm ảnh (pixel ).
Để thu được hình ảnh mầu, các điểm ảnh 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 như (Hình 1.1).
Xét theo công nghệ chế tạo cảm biến hình ảnh hiện nay, ở vùng ánh sáng
nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, có hai loại cảm biến hình ảnh được sử dụng phổ
biến là cảm biến hình ảnh CCD (semiconductor charge-coupled devices) và cảm
biến hình ảnh CMOS (complementary metal–oxide–semiconductor).

2


Light: Ánh sáng

Pixel: Điểm ảnh

Hình 1. 1. Điểm ảnh, pixel
1.1. Nghiên cứu về cảm biến hình ảnh CCD
1.1.1. Cấu trúc cảm biến hình ảnh CCD
Cấu trúc CCD bao gồm một loạt điện cực gần nhau, tách ra từ một chất bán
dẫn cơ bản phủ bởi một lớp oxit cách điện mỏng (hình 1.2a) [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 tạo nên một giếng thế mà có thể lưu trữ
điện tích. Sự va đập các điện tích hình thành kênh truyền dướicác điện cực theo
trình tự, vì thế các điện tích truyền được trong kênh bán dẫn (hình 1.2b) [1].

3


Electrode: Điện cực

Oxide insulation: Ô xít cách điện

Silicon substrate: Chất nền silicon

Channel-stop: Kênh cách ly
(không dẫn điện)

Depletion region: Vùng nghèo

Stored charge: Lưu trữ điện tích

(potential well) (hố thế năng)
Hình 1. 2. Cấu trúc cảm biến CCD
CCD ban đầu được dùng như một thiết bị lưu trữ thông tin kỹ thuật số và nó
nhậy cảm với ánh sáng nên sau này trở thành cảm biến hình ảnh trong dải ánh sáng
nhìn thấy và trong các ứng dụng khoa học cụ thể.
Thời gian trước khi ra đời của CCD, các Camera sử dụng các cảm biến điện
tử ( đèn điện tử hoặc ống điện tử) . CCD là một thiết bị trạng thái rắn có kích thước
nhỏ gọn, độ chắc chắn và hoạt động điện áp thấp. Quan trọng là silicon (cấu tạo của
chất bán dẫn trong CCD) là rất nhạy với ánh sáng nhìn thấy được.CCD có khả năng
tiếp thu và cảm nhận rất gần như tất cả các photon tới. Với chế tạo và tối ưu hóa
phù hợp, silicon cũng có thể đáp ứng tốt với ánh sáng cực tím và X-quang.

4


Photodiodes Đii ôt quang (điểm
(
ảnh)

Vertical shift Thanh ghi ddịch

(Pixels):

registers: theo ccột

A/D Bộ chuyểển đổi tín hiệu

Horizontal shift Thanh ghi ddịch

Converter: tương tự sang tín hiệu số

registers: theo hàng

Output Khuyếtt đại
đ tín hiệu đầu ra
Amplifier:
Hình 1. 3. Hoạt động của cảm biến CCD
Cảm biến hình ảnh CCD được hình thành từ một mảng điện cực chạy trực
giao để tạo thành một
ột loạ
loạt các kênh truyền điện tích bị cô lập (Hình
ình 1.
1.3). Các điện
cực thường được kết nối
ối với
v nhau trong nhóm hai, ba hoặc bốn. Các
ác đđiện cực tạo ra
5


một mảng các giếng thế bị cô lập, thu thập các electron do photon ánh sáng tạo
ra. Sau khi có tiếp xúc với ánh sáng, các điện tích hình thành sẽ được các xung điện
áp của các điện cực dịch chuyển xuống kênh truyền(cột) lưu trữ. Sau đó lần lượt
được chuyển vào một thanh ghi readout nối tiếp mà chạy trực giao với các kênh
truyền (dòng). Điều này cho phép mỗi điểm ảnh được đọc tuần tự ra ngoài qua một
bộ khuếch đại. Chuỗi này được lặp đi lặp lại cho đến khi tất cả các dòng điện tích
ghi thông tin về hình ảnh đã được đọc (Hình 1.4).

Imaging area Đấu nối đến các điện
electrode phase cực pha điều khiển
connections: vùng hình ảnh
Charge detection Mạch khuyếch đại
amplifier: phát hiện điện tích

Charge transfer Kênh cô
channel isolation: lập truyền
điện tích
Imaging area: Vùng ảnh

Reaout register Đấu nối đến các điện
electrode phase cực pha điều khiển
connection: thanh ghi đọc

Serial reout Thanh ghi
register: đọc nối tiếp

Hình 1. 4. Electron trong các điện cực
6


Các tín hiệu hình ảnh khi được thu nhận từ cảm biến sẽ đi theo hướng mũi
tên như Hình 1.4 [1]. Các kiến trúc CCD mô tả ở trên thường được gọi là một mảng
CCD full-frame, phổ biến nhất cho các ứng dụng hình ảnh khoa học trong không
gian và nghành thiên văn học trên mặt đất . Tuy nhiên, một hạn chế rõ ràng là hình
ảnh sẽ bị mờ nếu CCD vẫn tiếp xúc với ánh áng trong khi được đọc ra, đặc biệt là
nếu khung thời gian readout là một phần đáng kể thời gian phơi sáng. Một giải pháp
khắc phục là để kết hợp một màn trập cơ khí ở phía trước của CCD để đảm bảo hình
ảnh có thể được đọc ra trong bóng tối. Một giải pháp khác được thay thế là thêm
một mảng lưu trữ che chắn và các điện tích được chuyển giao nhanh chóng ngay
sau khi kết thúc thời gian tiếp xúc. Các mảng lưu trữ sau đó có thể được đọc ra
trong khi một hình ảnh mới tích tụ trong các mảng hình ảnh. Có hai dạng cơ bản:
CCD chuyển frame (Hình 1.5a) và CCD chuyển đa dòng (hình 1.5b)

Image section: Phần hình ảnh

Store section (shielded): Phần lưu trữ
(bị che)

Output: Đầu ra

Output register: Thanh ghi
đọc ra

Hình 1. 5. Hai dạng cơ bản của CCD

7


Trong CCD chuyển frame chuyển các mảng lưu trữ được thêm vào bên dưới
các mảng hình ảnh. Trong CCD chuyển đa dòng các mảng lưu trữ là incor-porated
như cột đèn được che chắn liền kề với các cột hình ảnh. Hạn chế trong phương pháp
này là độ nhạy giảm một nửa. Khoa học còn phát triển CCD TDI dùng khi không đủ
ảnh sáng để thu nhận được tín hiệu, cấu trúc của nó là cơ bản giống như một mảng
CCD full-frame ngoại trừ các định dạng hình ảnh XY (chiều rộng x thường lớn hơn
nhiều y).Ngày nay CCD đã đạt đến việc thu hàng triệu điểm ảnh, hiệu suất lượng tử
cao hơn trong một phạm vi rộng quang phổ, nhiễu readout thấp và dải động rộng.
Sự ra đời của CCD trong đó thêm một lớp n-type silicon được hình thành ở
phía trên cùng của loại chất nền loại p và ngay bên dưới lớp cách điện silicon
dioxide. Các n-type silicon buộc giếng điện thế hình thành trong chất nền và tránh
xa lớp dioxide silicon.
1.1.2. Sai số (nhiễu ) trong Readout (tín hiệu không mong muốn)
Các mạch đầu ra của một CCD là một bộ khuếch đại bao gồm một Nút
khuyếch tán ra trong đó có một liên kết ký sinh điện dung nút, một Transistor reset
để nạp điện dung nút và một transistor đầu ra hoạt động theo cảm biến điện áp trên
các nút (hình 1.6a). Pixel readout đòi hỏi rằng nút đầu ra điện dung tính trước đến
một "thiết lập lại" (Vrd) bởi transistor thiết lập lại "bật" và "tắt" với một xung thiết
lập lại (∅r) như minh họa trong hình 1.6b. Tín hiệu nạp từ cổng cuối cùng của thanh

ghi readout serial (Vg) được chuyển vào nút tạo ra kết quả đầu ra. Các Transistor
đầu ra sẽ xuất một tín hiệu đầu ra video (Vos).Để loại bỏ nhiễu tại readout, có một
kỹ thuật được gọi là hủy tương quan lấy mẫu đôi (CDS). CDS lấy hai mẫu đầu ra
CCD, một trước (S1), và một sau (S2) tín hiệu đã được chuyển vào nút đầu ra (hình
1.6b) .

8


Reset transistor: Ttransistor
transistor thiết
lập lạ
ại

Output load: Tải đầu ra

Output transistor: Ttransistor
transistor đọc ra

Output diffusion node: Nút khuyếch
tán ra

Hình 1. 6.(a) Bộ khuếch
ếch đại tín hiệu đầu ra CCA và (b) Tương
ng quan llấy mẫu
Sau khi reset-hủy
ủy bỏ
b nhiễu,tín hiệuu qua transistor trong các transistor đầu ra
mang nguồn tiếng ồn
n chi ph
phối.Kết quả sẽ phụ thuộc vào băng
ng thông tín hi
hiệu và tỷ lệ
khuếch đại readout CCD. Điện tích readout cao hơn yêu cầu băng
ăng thông trong các
thiết bị điện tử readoutt và dẫn
d đến nhiễu readout cao hơn.Hiệuu suấ
suất tốt nhất ngày
nay CCD giảm nhiễu
u readout ≈ 6 electron khi đọc tại ≈ 1 MHz, hoặ
hoặc ít nhất là ≈ 2
electron khi đọc tại ≈ 100 kHz. Tỷ lệ khung hình
ình cao readout rõ ràng là để tối đa
hóa hiệu quả quan sát. Một
M giải pháp cho những khó khăn này
ày là thêm khu
khuếch đại
readout bổ sung cho các mảng
m
CCD như vậy mà một số phần phụụ có th
thể được đọc
song song. Tỷ lệ khuếch
ếch đại
đạ readout thấp sẽ cho độ nhiễu thấpp nhất
nhất, có thể không
ảnh hưởng đến hiệu
u quả quan sát. Một lợi ích nữa là các readout thêm bbộ khuếch
đại cung cấp một mức
ức độ dự phòng trong trường hợp của một
ột lầ
lần đọc lỗi của
readout không có tín hiệu
ệu ra.
9


1.1.3. Phạm vi quang phổ
Một sự phát triển của CCD để phát huy tối đa độ nhạy của nó trên dải quang
phổ rộng nhất có thể. Các CCD đầu tiên là "front-illuminated "đòi hỏi các photon
tới xâm nhập qua chất bán dẫn trong suốt, điện cực polysilicon để đến được chất
nền cơ bản. Thật không may, sự hấp thụ e sâu của silicon một phần lớn của ánh
sáng được hấp thụ trong điện cực là màu xanh ( bước sóng ngắn “xanh”). Có nhiều
photon có bước sóng dài hơn "đỏ" và cận hồng ngoại sẽ xâm nhập sâu vào chất nền
silicon dưới vùng nghèo. Electron từ các photon được tự do trôi dạt sang hai bên
trong một khu vực trường tự do với kết quả là độ phân giải hình ảnh bị mờ. Một
giải pháp là để sản xuất các CCD trên epitaxy silicon trong đó bao gồm một lớp
mỏng silicon trên danh nghĩa pha tạp( dày từ 10um-20um). Electron tạo ra trong
chất nền với số lượng lớn có khả năng tái hợp trước khi chúng trôi dạt đến vùng
deple-tion.Để giải quyết sự thiếu nhạy cảm bước sóng “xanh” và các nhà nghiên
cứu các nhà sản xuất bắt đầu phát triển "back-illuminated" CCD. Điều này dựa trên
phần lớn các chất nền silicon được loại bỏ bằng cách thêm hóa chất, và các CCD
đang được chiếu sáng thông qua các bề mặt lại chứ không qua polysil.
1.1.4. CCD trong không gian
Các CCD đầu tiên được bay trong không gian là trên hai tàu thăm dò Vega
của Nga ra mắt vào năm 1984 để ghi lại sự hình thành hạt nhân của sao chổi Halley
vào năm 1986. ESA với máy ảnh CCD trên boong tàu vũ trụ Giotto, cũng đến sao
chổi Halley. Các phát triển của CCD cho các ứng dụng không gian có thể được truy
trở lại năm 1974 dưới sự tài trợ của NASA, JPL đã tiến hành một chương trình để
phát triển mảng CCD largeformat cho các nhiệm vụ Galileo ra mắt vào năm 1989,
và HST ra mắt vào năm 1990. Ngày nay, CCD là một cảm biến hình ảnh ưu việt
cho cả khoa học không gian trong và ngoài Trái đất.
Những nhược điểm của cảm biến CCD là thành phần tương tự đòi hỏi nhiều
linh kiện điện tử bên ngoài bộ cảm biến, chúng đắt tiền hơn để sản xuất, và có thể tiêu
thụ điện gấp 100 lần so với cảm biến CMOS. Việc tiêu thụ điện tăng có thể dẫn đến các
vấn đề nóng trong máy ảnh, mà không chỉ các tác động tiêu cực chất lượng đến hình
ảnh, mà còn làm tăng chi phí và tác động môi trường của sản phẩm điện tử.
10


1.2. Nghiên cứu về cảm
m bi
biến hình ảnh CMOS

1.2.1. Cấu trúc cảm biến
ến hình
h
ảnh CMOS

Vertical access Mạạch truy
circuitry: cậpp cột
c

Noise reduction Mạạch giảm
circuitry: nhiễu
nhi ồn
Horizontial access Mạạch truy
circuitry: cậpp hàng

4T Active pixel Mạch
ch cảm biếnđiểm
sensor in standard ảnh
nh ch
chủ động 4
CMOS: transistor ccủa chuẩn
CMOS
Per column analog Chuy
Chuyển đổi AD
to digital converter: trướcc các cột
c dọc
Traditional
correlated double
sampling method for
noise reduction:
a. Cấu trúc chi tiết

11

Phươ
ương pháp lấy
mẫu đúp
đ tương
quan truyền
truy thống
để giảảm tiếng ồn


Camera (printed Camera (bảng
circuit bord): mạch
ch in)

CMOS image Cảm
m bi
biến hình ảnh
sensor: CMOS

Row access: Mạch
ch truy cập
c
hàng

Column Amps: Khuy
Khuyết đạt cột

Row drivers: Điềều khiển cột

Cloumn Mux: Ghép ccột

Bias generation: Mạch
ch tạo
t điện
thế dịch chuyển
Bias decupling: Mạch
ch tách điện
thế dịch chuyển

Photon-to-electron Chuy
Chuyển đổi ánh
convertion: sáng thành điện tử
Electron -to-voltage Chuy
Chuyển điện tử
convertion: thành điện áp

b. Cấu trúc khối chức năng
Hình 1. 7. Cấu trúc cảm biến CMOS

12


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 1.7. 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
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 bề mặt 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 cảm biến hình ảnh trạng thái rắn (từ lúc sáng chế ra 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
các transistor có thể được tích hợp trên một mạch silicon duy nhất.Với mỗi

13


photodiode riêng và transistor readout, cùng với
v tất cả các thiết bịị đđiện tử phụ trợ
cần thiết để xử lý các mảng
mả lưu trữ photon, các bộ đệm tín hiệuu video ttương tự và
thậm chí số hóa nó đã sẵn
ẵn sàng
s
để xử lý, lưu trữ hoặc hiển thị.
Cảm biếnn CMOS, như
nh một mạch CMOS tích hợp hoạt động ở điệ
điện áp thấp hơn
đáng kể điện áp củaa CCD, th
thường là từ 1,8V và 5V tùy thuộc vào
ào ttừng tiến trình
hay cấu trúc riêng củaa các loại
lo CMOS. Việc tích hợp chức năng lớn,
ớn, quy mô vvà hoạt
động điện áp thấp rõ
õ ràng ttối ưu trong thị trường người tiêu
êu dùng vvề nhu cầu sử
dụng pin lâu dài và chi phí sản
s xuất thấp. Như một hệ quả, nhiềuu máy ảnh kỹ thuật
số và điện thoại di động, đđiện thoại bàn khai thác CMOS thay vì cảm
ảm bi
biến CCD.

Reset transistor Transistor thiết
thi
lậpp lại
l
Photodiode: Đii ôt ánh sáng
Sense transistor: Transistor đặt
ngư
ngưỡng
Row select Transistor chọn
ch
transistor: hàng
Column video Bus đầu
đ ra
output bus: video theo cột
c

Column- address
shift register or
decoder:
Row- address shift
register or decoder:
Column output
mutiplexer:
Output amplifer or
APS:

Bộ gi
giả mã địa chỉ
cột

Bộ gi
giả mã địa chỉ
hàng
Mạch
ch ghép đầu ra
củaa các ccột
khuếếch đại đầu ra
hoặcc
ccảm biến điểm
ảnh
nh ch
chủ động
(APS)
Electron -to-voltage Chuy
Chuyển điện tử
convertion: thành điện áp

Hình 1. 8.. Mô hình CMOS APS (a) và cấu
c trúc mảng
ảng (b)

14


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×