Tài liệu CCD/CMOS sensor ppt

CCD/CMOS sensor
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 tử. CCD bao
gồm hàng triệu tế bào quang điện, mỗi tế bào có tác dụng thu nhận thông tin về
từng điểm ảnh (Pixel
Để có thể thu được mầu sắc, máy ảnh kỹ thuật số sử dụng bộ lọc mầu (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).
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
CCD/CMOS sensor
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 sáng 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 con chip khoảng 6-11 mm 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 hoá bởi một thiết bị khác gọi là bộ biến đổi tương tự-số
(Analogue 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 giữ. Một số máy ảnh số sử
dụng bộ cảm biến hình ảnh bằng chip CMOS (Complementary Metal Oxide
Semiconductor). Cái tên này liên quan tới quá trình bộ cảm biến đó được làm như
thế nào. Quá trình này cũng giống quá trình sản xuất hàng loại 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.
Những lợi thế khác của bộ cảm biến CMOS là chúng tiêu thụ ít điện hơn và
có thể kết hợp những mạch khác trên cùng con chip đó. Những tính năng bổ sung

của loại chip này có thể bao gồm bộ chuyển đổi tương tự–số, tính năng điều khiển
camera, nén hình ảnh hay chống rung.
Tuy nhiên, những mạch bổ sung này sử dụng không gian mà bình thường
được sử dụng cho thiết bị đo sáng. Điều này làm cho bộ cảm biến kém nhậy sáng
hơn, tạo ra những bức ảnh chất lượng thấp hơn khi chụp ở trong nhà hoặc trong
những điều kiện thiếu sáng khác.
Nói tóm lại, những máy ảnh dùng chip CMOS nhỏ hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và
tiêu thụ ít điện hơn, nhưng sẽ phải hy sinh một chút chất lượng hình ảnh.
So sánh chíp CCD và
CMOS
Trước đây, các máy ảnh, máy quay video kỹ thuật số dùng chip cảm biến
ánh sáng CMOS là loại rẻ tiền, chất lượng kém nên dần dần chip CMOS được thay
bằng CCD.
Thế nhưng nay, những máy mới nhất, đắt tiền nhất lại được trịnh trọng
quảng cáo là dùng chip CMOS.
Khi chọn mua máy ảnh hoặc máy quay video kỹ thuật số, đa số người dùng
đều chú ý vào số chấm (số điểm ảnh tối đa mà máy hỗ trợ được, thường gọi là
mega-pixel) mà quên đi những thông số khác.
Thật ra, số điểm ảnh tối đa đó phụ thuộc hẳn vào chip cảm biến hình ảnh
trang bị trong máy. Có thể nói, chip cảm biến hình ảnh sẽ quyết định đến phần lớn
chức năng của máy, như: độ nét của hình ảnh, độ nhạy sáng, năng lượng điện tiêu
thụ Vì vậy nó còn được ví là “trái tim của máy ảnh số”.
Hiện nay, trên thị trường, ngoài các máy ảnh, máy quay kỹ thuật số sử dụng
chip cảm biến hình ảnh CCD, đã bắt đầu xuất hiện dần loại dùng chip cảm biến
CMOS. Ở thời điểm hiện tại, loại máy dùng chip cảm biến CMOS đang thắng thế
trên thị trường cao cấp so với loại máy dùng chip cảm biến CCD.
Sự trở lại ngoạn mục của CMOS
Trước đây, chip cảm biến CMOS được trang bị trong các thiết bị rẻ tiền
(điện thoại, camera kỹ thuật số, PDA ) do độ nhạy sáng thấp, hình ảnh thu được
không sắc nét Vì vậy, trong một thời gian dài nó không được các nhà sản xuất

máy ảnh số quan tâm.
Trong khi đó, mặc dù đắt tiền hơn so với chip cảm biến CMOS nhưng nhờ
khả năng vượt trội về mọi mặt (độ nhạy sáng cao, tái hiện ảnh với độ phân giải
lớn, sắc nét ), chip cảm biến CCD được các nhà sản xuất máy ảnh và máy quay
video kỹ thuật số phát triển qua hàng loạt dòng sản phẩm và giữ vai trò độc tôn về
công nghệ.
Tưởng chừng chíp cảm biến CMOS sẽ rơi vào sự quên lãng, và không có
khả năng chạy đua cùng CCD.
Nhưng kỳ diệu thay, đến năm 2000, nó đột ngột trổi dậy và gây tiếng vang
bằng chiếc máy ảnh số chuyên nghiệp EOS D30 của hãng Canon với khả năng
cảm biến đến 3,2 triệu điểm ảnh.
Hai năm sau, năm 2002, CMOS đã thật sự thể hiện được thế mạnh của
mình qua phiên bản nâng cấp của EOS D30, đó là EOS D60 với khả năng cảm
biến lên 6 triệu điểm ảnh. Đây là một cuộc lội ngược dòng ngoạn mục của CMOS
khiến hầu hết các nhà sản xuất đang đeo đuổi CCD phải suy nghĩ.
Chỉ cần vài tháng sau đó, Kodak đã tung ra ngay dòng máy Kodak DSC
14n với 14 triệu điểm ảnh nhờ vào chip cảm biến CMOS thế hệ mới. Còn Canon
tiếp tục phát triển chip CMOS và tung ra dòng máy Canon EOS 1Ds với 11 triệu
điểm ảnh. Đến lúc này, CMOS đã vượt qua CCD về độ nhạy sáng, độ phân giải,
chất lượng hình ảnh nhưng đặc biệt là chi phí không cao đến mức như nhiều
người nghĩ.
Cách làm việc của CMOS và CCD
Nhiệm vụ của chip cảm biến là bắt ánh sáng khi cửa trập được mở và
chuyển chúng thành các điện tử; sau đó, các điện tử này được chuyển thành điện
áp; cuối cùng điện áp chuyển sang dạng tín hiệu số.
CCD gồm một mạng lưới các điểm bắt sáng được phủ bằng lớp bọc màu
(đỏ - red, hoặc xanh lục - green, hoặc xanh dương - blue), mỗi điểm ảnh chỉ bắt
một màu. Do đó, khi chụp ảnh (cửa trập mở), ánh sáng qua ống kính và được lưu
lại trên bề mặt chíp cảm biến dưới dạng các điểm ảnh.
Mỗi điểm ảnh có một mức điện áp khác nhau sẽ được chuyển đến bộ phận

đọc giá trị theo từng hàng. Giá trị mỗi điểm ảnh sẽ được khuếch đại và đưa vào bộ
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, cuối cùng đổ vào bộ xử lý để tái hiện
hình ảnh đã chụp. Chính quá trình đọc thông tin thực hiện theo từng hàng đã làm
cho tốc độ xử lý ảnh chậm, rồi thiếu hoặc thừa sáng.
Các nhà nghiên cứu đã tính đến việc trang bị thêm bộ đọc ảnh bổ sung xen
kẽ vào các điểm bắt sáng để đọc tất cả các thông tin điểm ảnh trong một lần nhưng
điều này bắt buộc phải tăng không gian của chip cảm biến, do vậy mà không khả
thi về mọi mặt.
Chính cái điều mà các nhà nghiên cứu muốn bổ sung cho CCD thì CMOS
lại có sẵn, bởi cạnh mỗi điểm bắt sáng đã có sẵn mạch điện bổ trợ dễ dàng tích
hợp ngay quá trình xử lý điểm ảnh. Với cấu trúc này, mỗi điểm ảnh sẽ được xử lý
ngay tại chỗ và đồng loạt truyền tín hiệu số về bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã
chụp nên tốc độ xử lý sẽ nhanh hơn rất nhiều.
Một ưu điểm nữa mà cấu trúc này mang lại là có thể cung cấp chức năng
tương tác một vùng điểm ảnh (như phóng to một phần ảnh) cho người sử dụng,
điều mà chíp cảm biến CCD khó làm được. Với khả năng bổ trợ nhiều như vậy
nhưng chip cảm biến CMOS lại tiêu thụ ít năng lượng hơn chip cảm biến CCD,
cộng với nhiều yếu tố khác mà giá thành sản xuất chip CMOS thấp.
Ở thế hệ đầu của chíp cảm biến CMOS, độ nhiễu tạo ra do việc khuếch đại
điểm ảnh là đáng kể, làm cho ảnh chụp được không mịn. Điểm yếu này đã được
cải thiện ở thế hệ sau đó bằng việc đọc hai lần điểm ảnh (lần 1 đọc giá trị bắt sáng,
lần 2 đọc giá trị của mạch bỗ trợ; sau đó thực hiện phép trừ) và bằng vi thấu kính
làm ánh sáng “rơi” vào đúng vị trí bắt sáng.
5 ưu điểm của chip cảm biến CMOS
Khi so sánh giữa chip cảm biến CCD và chip cảm biến CMOS, người ta
thường nêu ra ngay 5 ưu điểm của CMOS:
- Độ nhạy sáng cao, độ phân giải cao.
- Điện năng tiêu thụ ít, kéo dài thời gian dùng pin.
- Ít bị nhiễu.
- Tốc độ xử lý ảnh chụp cực nhanh.

- Tích hợp nhiều chức năng tương tác trên ảnh chụp.
Với những ưu thế vượt trội của chip cảm biến CMOS thế hệ mới, bạn dễ
nhận thấy được dòng máy ảnh, máy quay kỹ thuật số dùng chip CMOS ắt sẽ có
nhiều chức năng, cả về khả năng xử lý lẫn tiện ích kèm theo.
Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường, dòng máy dùng chip cảm biến CMOS
thường là dòng chuyên nghiệp hay bán chuyên nghiệp, đa số là ở máy quay video
(gần đây cũng đã có máy ảnh bán chuyên nghiệp dùng chip CMOS của Canon),
nên giá tiền có thể sẽ vượt quá khả năng của người dùng mua máy ảnh phục vụ
cho nhu cầu của cá nhân, gia đình. Do vậy, máy ảnh dùng chip CCD vẫn còn
chiếm lĩnh thị trường phổ thông trong thời gian trước mắt.