Tìm hiểu về IOT và liên lạc thông minh dạng m2m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN DUY LỢI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH VÀ THIẾT KẾ
CAMERA CCD

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN DUY LỢI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH VÀ THIẾT KẾ
CAMERA CCD

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS NGUYỄN HOÀNG DŨNG

Hà Nội – 2016


SĐH.QT9.BM11

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Trần Duy Lợi
Đề tài luận văn: Nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh và thiết kế camera
CCD
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số SV: CB140252

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả không phải sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26
tháng 10 năm 2016.

Ngày 26 tháng 10 năm 2016

Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Tác giả luận văn

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống không
sao chép từ bất kỳ luận văn nào đã được công bố. Các thông tin sử dụng trong luận
văn có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài
liệu khác.

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2016
TÁC GIẢ

TRẦN DUY LỢI

i


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, em đã nhận được
sự giúp đỡ rất tận tình và chu đáo của các thầy cô giáo trong viện Điện tử – Viễn
thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
tới thày TS.Nguyễn Hoàng Dũng, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn
thành luận văn tốt nghiệp thạc sỹ trong suốt thời gian vừa qua.
Em cũng xin cảm ơn các quý thầy cô, các anh chị và đặc biệt là các bạn sinh
viên lớp ĐTTT K56 trong Lab của thày Nguyễn Hoàng Dũng tại trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đã có những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá
trình nghiên cứu luận văn này.
Mặc dù em đã nỗ lực và cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả nhiệt tình và
năng lực của mình. Tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2016
HỌC VIÊN

TRẦN DUY LỢI

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH .....................................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
CHƯƠNG 1 : CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH...........................................2
1.1. Cảm biến hình ảnh ........................................................................................2
1.1.1. Lịch sử phát triển ...................................................................................2
1.1.2. Định nghĩa .............................................................................................2
1.1.3 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh ......................................................4
1.2. Cảm biến CCD và CMOS .............................................................................6
1.2.1. Cảm biến CCD.......................................................................................6
1.2.1.1 Giới thiệu về CCD ...............................................................................6
1.2.1.2 Cấu trúc CCD ......................................................................................8
1.2.1.3 Sai số (nhiễu ) trong Readout (tín hiệu không mong muốn)................12
1.2.1.4 Phạm vi quang phổ.............................................................................13
1.2.1.5 CCD trong không gian .......................................................................14
1.2.2 Cảm biến CMOS [4] .................................................................................14
1.2.2.1 Tổng quan CMOS ..............................................................................14
1.2.2.2 Hiệu suất lượng tử..............................................................................19

1.2.2.3 Nhiễu readout và phạm vi hoạt động ..................................................19
1.2.2.4 CMOS trong không gian và ứng dụng ................................................20
1.3. So sánh CCD và CMOS..............................................................................21
1.4. Kết luận chương..........................................................................................23
CHƯƠNG II : THIẾT KẾ CAMERA CCD .......................................................24
2.1. Giới thiệu....................................................................................................24
2.2. Cấu trúc camera CCD [10]..........................................................................24
2.2.1 Lý thuyết cơ bản CCD ..........................................................................24
2.2.2 Hạn chế hiệu năng hệ thống ..................................................................29
2.2.3 Tín hiệu đầu ra CCD .............................................................................32

iii


2.2.4 Tương quan lấy mẫu kép (CDS)............................................................38
2.2.5 Khối điều khiển và chuyển đổi A/D ......................................................44
2.3. Kết luận ......................................................................................................48
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN CAMERA TỐC ĐỘ CAO ISIS...49
3.1. Giới thiệu....................................................................................................49
3.2. Đặc điểm và cấu hình cảm biến...................................................................50
3.2.1 Cấu trúc tổng thể...................................................................................50
3.2.2. Cấu trúc pixel.......................................................................................52
3.2.3. Cấu trúc mặt cắt ngang.........................................................................53
3.2.4. Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên trong ISIS.......................................54
3.2.5. Đánh giá ISIS và so sánh với các loại cảm biến CCD khác. .................56
3.2.5.1. Đánh giá camera và điều kiện............................................................56
3.2.5.2 Tỷ lệ khung hình và Khả năng xử lý điện nạp ....................................57
3.2.5.3 Đánh giá nhiễu của ISIS.....................................................................59
3.2.5.4 Cải thiện.............................................................................................60
3.2.5.5. So sánh CCD-ISIS với các cảm biến CCD thông thường...................61

3.3. Kết luận chương..........................................................................................63
KẾT LUẬN...........................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................65

iv


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
CCD
CMOS

Tên đầy đủ

Nghĩa

Charge-couple device

Thiết bị tích điện kép

Complementary metal oxide

Chất bán dẫn bổ sung

semiconductor

kim loại
Cảm biến hình ảnh lưu

ISIS

In-situ storage image sensor

CCM

Charge Carrier Multiplication

Đa phí vận chuyển

BSI

Back-side illuminate

Chiếu sáng sau

VCCD

Vertical charge-couple device

Thiết bị tích điện kép dọc

HCCD

Horizontal charge-couple device

v

trữ tại chỗ

Thiết bị tích điện kép

ngang


vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Chip CCD và CMOS...............................................................................1
Hình 1. 2. Sơ đồ tổng quan chip CCD......................................................................4
Hình 1. 4. Sơ đồ khối cảm biến CMOS....................................................................1
Hình 1. 3. Sơ đồ khối cảm biến CCD.......................................................................1
Hình 1. 5. Cấu tạo chip CCD ...................................................................................1
Hình 1.6. Ánh sáng trên bề mặt chip CCD...............................................................1
Hình 1. 7. Cấu trúc hai chiều ngang - dọc của chip CCD .........................................1
Hình 1. 8. Cấu trúc cảm biến CCD ..........................................................................1
Hình 1. 9. Hoạt động của cảm biến CCD .................................................................1
Hình 1. 10. Electron trong các điện cực ...................................................................1
Hình 1. 11. Hai dạng cơ bản của CCD .....................................................................1
Hình 1.12.(a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCA và (b) Tương quan lấy mẫu.........1
Hình 1. 13. Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS...............................................................1
Hình 1. 14. Ánh sáng vào các pixel đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel..........1
Hình 1. 15. Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b) ....................................17
Hình 1. 16. Layout của CMOS điển hình.................................................................1
Hình 1. 17. Xu hướng phát triển của CMOS và CCD ..............................................1
Hình 2.1. Sơ đồ khối camera CCD điển hình .........................................................24
Hình 2.2. Mô hình ánh sáng rơi xuống bề mặt CCD ..............................................25
Hình 2.3. Cấu hình mảng CCD ..............................................................................27
Hình 2.4. Sơ đồ khái niệm của giai đoạn đầu ra bên trong phần tử CCD................28
Hình 2.5. Nhiễu giai đoạn đầu ra ...........................................................................30
Hình 2.6. Thiết lập lại nhiễu ..................................................................................31

Hình 2.7. Tín hiệu đầu ra CCD ..............................................................................32
Hình 2.8. Mạch tiền khuếch đại .............................................................................33
Hình 2.9. Mạch tiền khuếch đại với DC-Restore....................................................35
Hình 2.10. Mạch DC-Restore với SHC615 ............................................................37
Hình 2.11. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu với tương quan lấy mẫu kép ..........................38
Hình 2.13. Mạch triển khai tương quan lấy mẫu kép (a) ........................................40
Hình 2.14. Mạch triển khai tương quan lấy mẫu kép (b) ........................................41
Hình 2.15. CDS với mạch giữ và lấy mẫu..............................................................41
Hình 2.16. Mạch kẹp CDS.....................................................................................42
Hình 2.17. Mạch tích hợp độ dốc kép ....................................................................43
Hình 2.18. Mạch điều khiển và chuyển đổi A/D ....................................................44
Hình 2.19. Chuyển mạch khuếch đại .....................................................................45
Hình 2.20. Mạch khuếch đại Op amps tốc độ cao ..................................................46
Hình 2.21. Op Amps tốc độ cao.............................................................................47
Hình 3. 1. Cấu trúc mặt của ISIS-V16 [6] ..............................................................51
Hình 3.2. Sơ đồ mặt trước của ISIS camera ...........................................................52
Hình 3. 3. Điện cực trong linear CCD....................................................................52

vii


Hình 3. 4. Cấu trúc mặt cắt ngang..........................................................................53
Hình 3. 5. Nguyên lý hoạt động của ISIS...............................................................54
Hình 3. 6 Hoạt động của linear CCD trong kĩ thuật truyền four-phase ...................55
Hình 3. 7 Evaluation Camera.................................................................................56
Hình 3. 8. A 200-blade laser beem chopper ...........................................................57
Hình 3. 9. A blade image captured by the V16 camera ..........................................57
Hình 3. 10. Frame rate vs movement of blade........................................................57
Hình 3. 11 Bốn ảnh liên tiếp của một xung ánh sáng LED....................................58
Hình 3. 12. Qmax vs Frame rate ............................................................................59

Hình 3. 13. Cấu trúc pixel của CCD thông thường...................................................1

viii


LỜI MỞ ĐẦU
Cảm biến là yếu tố trung tâm trong hệ thống hình ảnh, quyết định tới kích cỡ
ảnh, độ phân giải, khả năng chụp thiếu sáng, độ sâu trường ảnh, dải nhạy sáng, ống
kính và thậm chí là cả kích cỡ của toàn bộ chiếc máy ảnh, smartphone. Cảm biến
camera là một thiết bị phần cứng nhỏ, có khả năng thu nhận ánh sáng và chuyển đổi
những gì bạn thấy trên ống ngắm và màn hình LCD thành một bức ảnh. Cảm biến
hình ảnh trên máy ảnh của bạn 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.
Để tìm hiểu về cảm biến hình ảnh cũng như nghiên cứu thiết kế camera CCD
em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh và thiết kế camera
CCD”. Trên cơ sở lý thuyết trình bày khái niệm của các kiến thức liên quan đến
cảm biến hình ảnh CMOS và CCD với những ưu nhược điểm của hai công nghệ,
thiết kế camera CCD và nghiên cứu về cảm biến camera tốc độ cao ISIS.
Nội dung luận văn được chia làm ba chương :
Chương 1: Công nghệ cảm biến hình ảnh. Trong chương này trình bày khái
niệm, phân loại, so sánh các loại cảm biến hình ảnh CCD và CMOS.
Chương 2 : Thiết kế camera CCD. Trình bày cấu trúc của một camera CCD,
phân tích các khối trong camera CCD.
Chương 3 : Nghiên cứu về cảm biến camera tốc độ cao ISIS. Trong chương 3
trình bày cơ sở lý thuyết, đặc điểm của ISIS camera qua các thế hệ. Từ đó có thể
đánh giá được ISIS-V16 về hiệu suất cũng như các thông số liên quan.

1

CHƯƠNG 1 : CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH
1.1. Cảm biến hình ảnh
1.1.1. 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.
1.1.2. 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


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.

Hình 1. 1. Chip CCD và CMOS

3

1.1.3 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. CCD
(Charged Couple Device ) 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 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.

Hình 1. 2. 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


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.

Hình 1. 3. Sơ đồ khối cảm biến CCD

Hình 1. 4. Sơ đồ khối cảm biến CMOS

5


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.
1.2. Cảm biến CCD và CMOS
1.2.1. Cảm biến CCD
1.2.1.1 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


CCD bao gồm một mạng lưới như bàn cờ các điểm bắt sáng như Hình 1.5
(điểm ảnh, pixel). 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.

Hình 1. 3. Cấu tạo chip CCD

Hình 1.6. 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


Hình 1. 7. 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.
1.2.1.2 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 1.8a) [3]. 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. Sự va đập các điện tích hình thành kênh truyền giữa các điện cực theo
trình tự vì thế các điện tích truyền được trong kênh bán dẫn (hình 1.8b) [3]. CCD

8


ban đầu được dùng như một thiết bị lưu trữ kỹ thuật số thông tin và trở thành cảm
biến hình ảnh của hệ thống hình ảnh ánh sáng nhìn thấy và trong các ứng dụng khoa
học cụ thể.

Hình 1. 8. Cấu trúc cảm biến CCD
Trước sự phát triển của CCD hình ảnh điện tử hầu như dựa trên việc sử dụng
ống camera. Là một thiết bị trạng thái rắn CCD 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 cực ánh sáng cực tím và mềm X-quang.

Hình 1. 9. Hoạt động của cảm biến CCD

9


Cảm biến hình ảnh CCD được hình thành từ một mảng điện chạy trực giao để
một loạt các kênh truyền điện tích bị cô lập (Hình 1.9). Các điện cực thường được
kết nối với nhau trong nhóm hai, ba hoặc bốn giai đoạn. Xu hướng của các giai
đoạn điện cực tạo ra một mảng của giếng bị cô lập điểm ảnh, thu thập các electron
photon tạo ra. Sau khi có tiếp xúc, các điện tích hình ảnh được xung hoặc để chuyển
giao các mô hình phụ trách hình ảnh tích hợp xuống mảng lưu trữ tại một thời
điểm. Các dòng thấp nhất được chuyển vào một thanh ghi readout nối tiếp mà chạy
trực giao với các kênh truyền hình khu vực hoặc cột. Điều này cho phép mỗi điểm
ảnh được đọc tuần tự ra ngoài qua một bộ khuếch đại phát hiện phụ trách. Chuỗi
này được lặp đi lặp lại cho đến khi tất cả các dòng hình ảnh đã được đọc (Hình
1.10).

Hình 1. 10. Electron trong các điện cực
Các tín hiệu hình ảnh khi được thu nhận từ cảm biến sẽ đi theo hướng mũi tên
như Hình 1.10 [3]. 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 trên mặt đất thiên văn học. Tuy nhiên, một hạn chế rõ ràng là hình ảnh sẽ bị
mờ nếu CCD vẫn tiếp xúc trong khi được đọc ra, đặc biệt là nếu khung thời gian

10

readout là một phần đáng kể thời gian phơi sáng. Một giải pháp là để kết hợp một
màn trập cơ khí ở phía trước của CCD để tích hợp hình ảnh có thể được đọc ra
trong bóng tối. Một giải pháp thay thế là thêm một ánh sáng được che chắn mảng
lưu trữ mà các mô hình tích hợp có thể được chuyển giao nhanh chóng tại sự kết
thúc của 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 1.11a) và CCD chuyển đa dòng (hình 1.11b).

Hình 1. 11. Hai dạng cơ bản của CCD
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). 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.

11


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.
1.2.1.3 Sai số (nhiễu ) trong Readout (tín hiệu không mong muốn)
Các mạch đầu ra của một CCD là một bộ khuếch đại phát hiện phụ trách bao
gồm một dùng ngoài trời khuếch tán trong đó có một liên kết ký sinh nút điện dung,
một transistor reset để nạp điện dung nút và một transistor đầu ra hoạt động theo

cảm biến điện áp trên các nút (hình 1.12a). 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 1.12b. Tín hiệu nạp từ

cổng cuối cùng của thanh ghi readout serial (Vg) được chuyển vào nút kết quả đầu

Hình 1.12.(a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCA và (b) Tương quan lấy mẫu

12


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 1.12b).

Sau khi reset hủy bỏ nhiễu tín hiệu qua transistor trong các transistor đầu ra
nguồn đi theo trở thành nguồn tiếng ồn chi phối. Kết quả sẽ phụ thuộc vào băng
thông đo tín hiệu và tỷ lệ readout CCD. Giá readout cao hơn yêu cầu băng thông lớn
hơn trong các thiết bị điện tử readout và dẫn đến nhiễu readout cao hơn. Hiệu suất
tốt nhất ngày nay CCD giảm nhiễu readout ≈ 6 electron khi đọc tại ≈ 1 MHz, hoặc
ít nhất là ≈ 2 electron khi đọc tại ≈ 100 kHz. Tỷ lệ khung hình cao readout rõ ràng là
để tối ưu hóa hiệu quả quan sát. Một giải pháp cho những khó khăn này là thêm
khuếch đại readout bổ sung cho các mảng CCD như vậy mà một số phần phụ có thể
được đọc song song. Tỷ lệ readout thấp cho độ nhiễu thấp nhất bây giờ có thể
không ảnh hưởng đến hiệu quả quan sát. Một lợi ích nữa là các readout thêm bộ
khuếch đại cung cấp một mức độ dự phòng trong trường hợp của một lần đọc lỗi
của readout không có tín hiệu ra.
1.2.1.4 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 bán trong suốt điện cực polysilicon để đạt 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 10µm-20µm). 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

13


quyết sự thiếu nhạy cảm bước sóng “xanh” các nhà nghiên cứu, 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.
1.2.1.5 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 lên đến 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 đến
chất lượng hình ảnh mà còn làm tăng chi phí và tác động môi trường của sản phẩm
điện tử.
1.2.2 Cảm biến CMOS [4]
1.2.2.1 Tổng quan CMOS

Hình 1. 13. Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS

14