Nghiên cứu thiết kế các hệ thống cảm biến cho hệ thống camera tốc độ cao

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

Nguyễn Chí Dũng

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHO HỆ
THỐNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Nguyễn Hoàng Dũng

Hà Nội – 2016


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

Nguyễn Chí Dũng

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHO HỆ
THỐNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Hoàng Dũng

Hà Nội – 2016


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 9
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 10
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 11
CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ CMOS VÀ CCD.............................................................. 14
I. Cảm biến hình ảnh .................................................................................................. 14
1.1 Định nghĩa ........................................................................................................ 14
1.2 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh .............................................................. 15
II. Cảm biến CCD và CMOS ..................................................................................... 18
2.1. Cảm biến CCD [1] .......................................................................................... 18
2.2 Cảm biến CMOS [2] ........................................................................................ 26
III. So sánh CCD và CMOS ....................................................................................... 32
CHƯƠNG II. CẢM BIẾN CCD CHO CAMERA TỐC ĐỘ CAO – ISIS CCD ........... 36
I. Giới thiệu ................................................................................................................ 36
II. Cấu hình cảm biến ................................................................................................. 37
2.1 Cấu trúc tổng thể .............................................................................................. 37
2.2 Cấu trúc pixel ................................................................................................... 39
2.3 Vertical Readout và Switching CCDs .............................................................. 41
III. Đánh giá ISIS ....................................................................................................... 42

3.1.Đánh giá camera và điều kiện .......................................................................... 42


3.2 Tỷ lệ khung hình và khả năng xử lý điện nạp .................................................. 43
3.3 Đánh giá nhiễu của ISIS-V12 .......................................................................... 45
3.4 Cải thiện ........................................................................................................... 45
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN PHÁT HIỆN SỰ KIỆN Ở TỐC ĐỘ
CAO VÀ ĐỒNG BỘ VỚI ISIS-V16 CAMERA [6] ..................................................... 48
I. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................................ 48
1.1 Ý tưởng............................................................................................................. 48
1.2 Cơ sở thực hiện ................................................................................................ 48
1.3 Công cụ sử dụng............................................................................................... 49
1.4 Chỉ tiêu kỹ thuật ............................................................................................... 50
II. Thiết kế hệ thống ................................................................................................... 50
2.1 Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 50
2.2 Khối cảm biến .................................................................................................. 50
2.3 Khối điều khiển ................................................................................................ 53
2.4 Khối hiển thị ..................................................................................................... 64
III. Mô phỏng trên Modelsim ..................................................................................... 64
3.1 Các thông số cơ bản và công cụ để mô phỏng ................................................. 64
3.2 Tạo trễ 80ns ...................................................................................................... 65
3.3 Tạo trễ 1us ........................................................................................................ 66
3.4 Nguyên nhân gây ra sai số về độ trễ ................................................................ 67
IV. Thiết kế mạch phần cứng CPLD EPM240T100C5N TQFP100 ......................... 67
4.1 Khối nạp ........................................................................................................... 67

4


4.2 Khối cảm biến và xử lý tương tự ..................................................................... 67

4.3 Khối nguồn ....................................................................................................... 67
4.4 Khối hiển thị và vào ra ..................................................................................... 69
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 72

5


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Chip CMOS và CCD trong thực tế ................................................................... 14
Hình 2. Sơ đồ tổng quan chip CCD ............................................................................... 16
Hình 3. Sơ đồ khối cảm biến CCD ................................................................................ 16
Hình 4. Sơ đồ khối cảm biến CMOS ............................................................................. 17
Hình 5. Cấu tạo chíp CCD ............................................................................................. 18
Hình 6. Ánh sáng trên bề mặt chip CCD ....................................................................... 19
Hình 7. Cấu trúc đơn giản 2 chiều dọc – ngang của chip CCD ..................................... 19
Hình 8. Cấu trúc cảm biến CCD .................................................................................... 21
Hình 9. Hoạt động của cảm biến CCD........................................................................... 21
Hình 10. Electron trong các điện cực ............................................................................. 22
Hình 11. Hai dạng cấu trúc cơ bản của CCD ................................................................. 23
Hình 12. (a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCD và (b) Tương quan lấy mẫu đôi ........ 24
Hình 13. Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS ........................................................................ 26
Hình 14. Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel ........ 27
Hình 15. Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b) ............................................... 29
Hình 16. Layout điểm ảnh CMOS điển hình ................................................................. 29
Hình 17. Thiết kế điển hình của CMOS trong camera................................................... 32
Hình 18. Xu hướng phát triển của CMOS và CCD ....................................................... 34
Hình 19. Cấu trúc của ISIS – V16 ................................................................................. 38
Hình 22. Mặt cắt A-A’ của hình 20................................................................................ 39
Hình 22. Sơ đồ của các mạch phía trước ....................................................................... 39

Hình 22. Mô phỏng trường điện từ quanh trục X-Z....................................................... 39
Hình 23. Hoạt động của 2 kênh CCD liền nhau trong 4 phase truyền ........................... 41
Hình 24. ISIS-V16 camera thế hệ đầu tiên để đánh giá hiệu năng ................................ 42

6


Hình 27. Quạt điều khiển bằng lase có 200 cánh ........................................................... 43
Hình 27. Một phần cánh quạt được chụp bởi ISIS-V16 camera .................................... 43
Hình 27. Mối quan hệ giữa tốc độ bắt hình và sự quay của cánh quạt .......................... 43
Hình 28. Bốn ảnh liên tiếp của một xung tạo ra ảnh sáng từ LED (a) truyền thành công
và (b) truyền không hiệu quả ......................................................................................... 44
Hình 29. Mối quan hệ giữa khả năng chứa điện tích tối đa ứng với các tốc độ bắt hình
khác nhau........................................................................................................................ 44
Hình 30. Sơ đồ khối hệ thống nhận biết phát hiện sự kiên ở tốc độ cao........................ 49
Hình 31. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng IC INA118 .................... 51
Hình 32. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến ánh sáng ........................................................ 51
Hình 33. Sơ đồ luồng dữ liệu của khối tạo trễ ............................................................... 52
Hình 34. Kiến trúc bên trong khối tạo trễ ...................................................................... 54
Hình 35. Luồng dữ liệu vào ra của bộ chốt tín hiệu....................................................... 55
Hình 36. Kiến trúc của bộ chốt tín hiệu ......................................................................... 55
Hình 37. Mô phỏng hoạt động của bộ chốt tín hiệu ....................................................... 56
Hình 38. Sơ đồ luồng dữ liệu của bộ tạo trễ .................................................................. 56
Hình 39. Kiến trúc của bộ tạo trễ ................................................................................... 57
Hình 40. Sơ đồ luồng dữ liệu vào ra của bộ chia tần số ................................................ 59
Hình 41. Kiến trúc của bộ chia tần số 10 lần ................................................................. 59
Hình 42. Hoạt động của bộ chia tần số 10 lần ............................................................... 60
Hình 43. Sơ đồ luồng dữ liệu vào ra của bộ tạo chu kỳ trễ ............................................ 60
Hình 44. Kiến trúc của bộ tạo chu kỳ trễ ....................................................................... 61
Hình 45. Sơ đồ luồng dữ liệu của màn hình LCD 16 x 2 .............................................. 62

Hình 46. Sơ đồ nguyên lý mạch mắc màn hình LCD .................................................... 64
Hình 47. Vị trí các thông số cơ bản và kết quả trong màn hình mô phỏng của Modelsim
........................................................................................................................................ 65
Hình 48. Kết quả mô phỏng trễ 80ns ............................................................................. 66
7


Hình 49. Kết quả mô phỏng trễ 1 us .............................................................................. 66
Hình 50. Khối nạp theo chuẩn JTAG ............................................................................. 67
Hình 51. Khối cảm biến và xử lý tương tự .................................................................... 68
Hình 52. Khối nguồn ...................................................................................................... 68
Hình 53. Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị LCD và khối vào ra .................................. 69
Hình 54. Sơ đồ mạch 3D sau khi đã thiết kế .................................................................. 69

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Bảng so sánh giữa CCD và CMOS................................................................... 33
Bảng 2. Thông số kỹ thuật của ISIS-V12 so với ISIS-V16 ........................................... 37
Bảng 3. Bảng mô tả các luồng vào ra ............................................................................ 53
Bảng 4. Bảng mô tả các luồng vào ra của bộ chốt tín hiệu ............................................ 55
Bảng 5. Bảng mô tả luồng vào ra của bộ tạo trễ ............................................................ 57
Bảng 6. Bảng mô tả luồng vào ra của bộ chia tần số ..................................................... 59
Bảng 7. Bảng mô tả luồng dữ liệu vào ra của bộ tạo chu kỳ trễ .................................... 61
Bảng 8. Bảng mô tả chân tín hiệu của LCD................................................................... 63

9

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
Nguyễn Chí Dũng

10


MỞ ĐẦU
1. Tổng quan về camera tốc độ cao
Trong cuộc sống, sản xuất hay nghiên cứu, có nhiều sự kiện xảy ra trong thời gian
cực kỳ ngắn hoặc các chuyển động với tốc độ rất cao và chúng ta không thể quan sát
được bằng mắt thường.
Trước đây, phương pháp cổ điển là dùng một máy quay phim ghi lại các hình ảnh
đó và phát chậm lại để quan sát và phân tích. Tuy nhiên, các máy quay phim thông
thường chỉ đạt tốc độ 24 hình/giây (hệ PAL) hoặc 30 hình/giay (hệ NSTC) do đó nó
không thể ghi lại được các chuyển động tốc độ cao và bỏ sót rất nhiều các hình ảnh, sự
kiện quan trọng.
Từ thực tế đó, hệ thống Camera tốc độ cao được nghiên cứu, phát triển để có thể
ghi lại các sự kiện hay các chuyển động với tốc độ cao và phát lại ở tốc độ chậm để quan
sát cũng như phân tích tỉ mỉ các chuyển động và các vấn đề liên quan khác.
Hiện nay, hệ thống camera tốc độ cao đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
ngành công nghiệp sản xuất cũng như trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học.

2. Ứng dụng của camera tốc độ cao
Hiện nay hệ thống camera tốc độ cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác

nhau, điển hình như:
-

Chẩn đoán và phát hiện sớm các sự cố hỏng hóc máy móc.

-

Điều chỉnh và giám sát các dây chuyền sản xuất có tốc độ cao như in ấn, đóng

gói, v..v.

11


-

Nghiên cứu cơ sinh học, hóa học, vật lý, v..v.

-

Nghiên cứu và phân tích quá trình cháy nổ, rơi vỡ, đứt gẫy, va chạm, phân

tích quỹ đạo v..v.
-

Nghiên cứu đạn đạo, tên lửa, thuốc nổ v..v.

-

Phân tích các chuyển động cao bên trong những chỗ mắt thường không nhìn

thấy được như vòi phun nhiên liệu, buồng đốt của động cơ, tuabin v..v.
-

Nghiên cứu và phân tích chuyển động của các dòng chất lỏng.

-

Nghiên cứu và phân tích các quá trình phun phủ, mối hàn.

-

Nghiên cứu và phân tích quỹ đạo chuyển động

Chính vì vậy tác giả và nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo sư T. G.
Etoh và TS. Nguyễn Hoàng Dũng đã chọn đề tài Nghiên cứu các hệ thống cảm biến cho
camera tốc độ cao.
Mục đích của đề tài là xây dựng hệ thống cảm biến nhận biết sự kiện xảy ra trong
thời gian rất ngắn và đồng bộ với việc bắt hình của camera. Định nghĩa, nghiên cứu cấu
trúc, phân loại và cách thức hoạt động của các cảm biến, từ đó đề xuất thiết kế hệ thống
cảm biến phát hiện sự kiên ở tốc độ cao và một số kết quả mô phỏng đi kèm.

12


Nội dung của đề tài và các vấn đề cần giải quyết được chia ra thành các phần như
sau:
- Chương 1: Công nghệ CMOS và CCD. Trong chương này tác giả sẽ đề cập
đến khái niệm cũng như phân loại các loại cảm biến hình ảnh. Sau đó sẽ đi sâu vào tìm
hiểu cấu trúc và ưu nhược điểm của từng loại cảm biến dòng CCD hoặc là CMOS.

- Chương 2: Cảm biến CCD cho camera tốc độ cao – ISIS CCD. Ở chương hai,
tác giả sẽ tập trung toàn bộ vào nghiên cứu cấu trúc của ISIS-CCD. Từ đó có thể đánh
giá được ISIS-v16 video camera ở phiên bản đầu tiên về hiệu suất của chip CCD tương
ứng.
- Chương 3: Thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện sự kiện ở tốc độ cao và đồng
bộ bắt hình với ISIS-V16 camera. Trong chương này tác giả cùng với nhóm nghiên cứu
sẽ đề xuất thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện sự kiên ở tốc độ cao và một số kết quả
mô phỏng đi kèm. Đáng tiếc nhất do thời gian có hạn nên nhóm nghiên cứu chưa thể
chuyển thể thiết kế ra thành sản phẩm chế tạo để có thể đánh giá, đo lường kết quả thực
tế khi so sánh với kết quả mô phỏng.
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 Viện Điện tử - Viễn thông đã giúp
đỡ em hoàn thành luận văn.

13


CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ CMOS VÀ CCD
Trong chương này tác giả trình bày về định nghĩa và phân loại các cảm biến hình
ảnh. Các loại cảm biến hình ảnh như CMOS và CCD cũng sẽ được đề cập cụ thể và có
sự so sánh để thấy được ưu nhược điểm của từng loại này.
I. Cảm biến hình ảnh
1.1 Định nghĩa
Khi một hình ảnh được chụp bởi một camera , ánh sáng đi qua ống kính và rơi
vào cảm biến hình ảnh. Các cảm biến hình ảnh bao gồm các yếu tố hình ảnh, cũng gọi là
điểm ảnh, các hạt photon của ánh sáng rơi vào cảm biến. Chúng chuyển đổi tín hiệu nhận
được ánh sáng vào một số electron tương ứng. Cường độ ánh sáng càng mạnh, các
electron được tạo ra nhiều hơn. Các electron được chuyển đổi thành điện áp và sau đó
chuyển sang số qua bộ chuyển đổi ADC. Các tín hiệu số được xử lý bằng các mạch điện

tử bên trong máy ảnh và các thiết bị điện tử tạo ra hỉnh ảnh ban đầu đã chụp.

Hình 1. Chip CMOS và CCD trong thực tế

14


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 là một trong những công nghệ lâu đời nhất trên máy ảnh số, với chất lượng
ảnh chụp vượt trội so với CMOS nhờ có dải tần nhạy sáng và kiểm soát nhiễu tốt hơn.
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.
Trong lịch sử, 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.
1.2 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)

15


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 mộng 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 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 góc
của một mảng. Bộ chuyển đổi ADC sẽ biến giá trị mỗi pixel thành giá trị số tương ứng.

Hình 3. Sơ đồ khối cảm biến CCD

16


Trong hầu hết những thiết bị CMOS có vài transistor cho mỗi một pixel và được
khuếch đại và chuyển tín hiệu tới mạch nạp. CMOS đạt được sự linh hoạt bởi mỗi pixel
được đọc giá trị riêng biệt

Hình 4. Sơ đồ khối cảm biến CMOS

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 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 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

17


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.
II. Cảm biến CCD và CMOS
2.1. Cảm biến CCD [1]
2.1.1 Tổng quan 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.

Hình 5. Cấu tạo chíp CCD

CCD bao gồm một mạng lưới như bàn cờ các điểm bắt sáng (điểm ảnh, pixel).
Các điểm này lại được phủ các lớp lọc màu (thường là 1 trong 3 màu cơ bản: đỏ, xanh

18


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 6. Ánh sáng trên bề mặt chip CCD

Khi camera hoạt động, ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại tại 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 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.

Hình 7. Cấu trúc đơn giản 2 chiều dọc – ngang của chip CCD

19


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, 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.
2.1.2 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 1.5a). 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

20


điện tích truyền được trong kênh bán dẫn (hình 1.5b). CCD 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 8. Cấu trúc cảm biến CCD

Hình 9. Hoạt động của 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.
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 8). Các điện cực đượcthường 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

21


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 10. Electron trong các điện cực

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 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

22


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 11a) và CCD chuyển đa dòng (hình 11b).

Hình 11. Hai dạng cấu trúc cơ bản của CCD

Trong CCD chuyền frame, các mảng lưu trữ được thêm vào bên dưới các mảng
hình ảnh. CCD chuyển đa dòng các mảng lưu trữ là incor-porated và 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.

23


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 ntype silicon buộc giếng điện thế hình thành trong chất nền và tránh xa lớp dioxide silicon.

Hình 12. (a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCD và (b) Tương quan lấy mẫu đôi

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 bao gồm một
khuếch tán dùng ngoài trời 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 1.8a). 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 2.8b. Tín hiệu nạp từ cổng cuối cùng của thanh ghi readout
serial (Vg) được chuyển vào nút kết quả đầu ra. Các transistor đầu ra sẽ xuất hiện 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 4) Sau khi reset-hủy bỏ nhiễu,tín

24


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 đa 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.
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 10um20um). 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.

25