25/07/31Mặc dù vào năm 2025, cảm biến CMOS thống trị cả lĩnh vực hình ảnh khoa học và tiêu dùng, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng.
CCD là viết tắt của "Charge-Coupled Device" (Thiết bị ghép điện tích), và cảm biến CCD là cảm biến máy ảnh kỹ thuật số đầu tiên, được phát triển lần đầu tiên vào năm 1970. Cho đến tận vài năm trước, máy ảnh sử dụng công nghệ CCD và EMCCD vẫn thường được khuyến nghị cho các ứng dụng khoa học. Cả hai công nghệ này vẫn tồn tại cho đến ngày nay, mặc dù ứng dụng của chúng đã trở nên hạn hẹp.
Tốc độ cải tiến và phát triển của cảm biến CMOS tiếp tục tăng. Sự khác biệt giữa các công nghệ này chủ yếu nằm ở cách chúng xử lý và đọc tín hiệu điện tích được phát hiện.
Cảm biến CCD là gì?
Cảm biến CCD là một loại cảm biến hình ảnh được sử dụng để thu nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu số. Nó bao gồm một mảng các điểm ảnh nhạy sáng thu thập các photon và biến chúng thành điện tích.
Kết quả đọc của cảm biến CCD khác với CMOS ở ba điểm quan trọng:
● Chuyển khoản phí: Các electron quang điện được thu thập sẽ được di chuyển tĩnh điện theo từng điểm ảnh trên cảm biến đến vùng đọc ở phía dưới.
● Cơ chế đọc:Thay vì một hàng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) hoạt động song song, CCD chỉ sử dụng một hoặc hai ADC (hoặc đôi khi nhiều hơn) để đọc các điểm ảnh theo trình tự.
Vị trí tụ điện và bộ khuếch đại: Thay vì tụ điện và bộ khuếch đại ở mỗi điểm ảnh, mỗi ADC có một tụ điện và bộ khuếch đại.
Cảm biến CCD hoạt động như thế nào?
Sau đây là cách cảm biến CCD hoạt động để thu thập và xử lý hình ảnh:
Hình: Quá trình đọc dữ liệu cho cảm biến CCD
Khi kết thúc quá trình phơi sáng, các cảm biến CCD đầu tiên di chuyển các điện tích đã thu thập vào một vùng lưu trữ được che chắn bên trong mỗi điểm ảnh (không hiển thị). Sau đó, từng hàng một, các điện tích được chuyển vào thanh ghi đọc. Từng cột một, các điện tích trong thanh ghi đọc được đọc ra.
1. Xóa phí: Để bắt đầu quá trình thu nhận, điện tích được xóa đồng thời khỏi toàn bộ cảm biến (màn trập toàn cục).
2. Tích lũy điện tích: Điện tích tích tụ trong quá trình tiếp xúc.
3. Lưu trữ điện tích: Khi kết thúc quá trình phơi sáng, các điện tích được thu thập sẽ được chuyển đến một vùng được che chắn bên trong mỗi điểm ảnh (gọi là CCD chuyển tiếp giữa các dòng), tại đó chúng có thể chờ đọc mà không cần đếm các photon mới được phát hiện.
4. Phơi sáng khung hình tiếp theo: Với các điện tích được phát hiện được lưu trữ trong vùng pixel được che, vùng pixel đang hoạt động có thể bắt đầu phơi sáng khung hình tiếp theo (chế độ chồng lấp).
5. Đọc tuần tự: Từng hàng một, các điện tích từ mỗi hàng của khung hình hoàn chỉnh sẽ được chuyển vào 'thanh ghi đọc'.
6. Bản đọc cuối cùng: Từng cột một, các điện tích từ mỗi điểm ảnh được đưa vào nút đọc để đọc tại ADC.
7. Sự lặp lại: Quá trình này lặp lại cho đến khi phát hiện được điện tích trong tất cả các điểm ảnh.
Nút thắt này do tất cả các điện tích được phát hiện đều được đọc bởi một số ít (đôi khi là một) điểm đọc, dẫn đến những hạn chế nghiêm trọng về thông lượng dữ liệu của cảm biến CCD so với CMOS.
Ưu và nhược điểm của cảm biến CCD
| Ưu điểm | Nhược điểm |
| Dòng điện tối thấp Thông thường là ~0,001 e⁻/p/s khi được làm mát. | Tốc độ hạn chế Thông lượng điển hình ~20 MP/giây — chậm hơn nhiều so với CMOS. |
| Phí phân loại theo điểm ảnh được cộng lại trước khi đọc, giúp giảm nhiễu. | Độ nhiễu đọc cao 5–10 e⁻ thường xảy ra do chỉ đọc ADC một điểm. |
| Màn trập toàn cục Màn trập toàn cục thực sự hoặc gần toàn cục trong CCD chuyển khung/liên dòng. | Kích thước điểm ảnh lớn hơn không thể sánh được với khả năng thu nhỏ của CMOS. |
| Độ đồng nhất hình ảnh cao Tuyệt vời cho việc chụp ảnh định lượng. | Tiêu thụ điện năng cao Cần nhiều điện năng hơn để chuyển đổi điện tích và đọc dữ liệu. |
Ưu điểm của cảm biến CCD
● Dòng điện tối yếu: Về bản chất, cảm biến CCD có xu hướng có dòng điện tối rất thấp, thường ở mức 0,001 e-/p/s khi được làm mát.
● Phân loại 'trên pixel': Khi phân loại, CCD sẽ thêm điện tích trước khi đọc, chứ không phải sau khi đọc, nghĩa là không có nhiễu đọc bổ sung nào được tạo ra. Dòng điện tối có tăng, nhưng như đã lưu ý ở trên, mức này thường rất thấp.
● Màn trập toàn cầu: Cảm biến CCD 'Interline' hoạt động với màn trập toàn cục thực sự. Cảm biến CCD 'Frame Transfer' sử dụng màn trập 'bán toàn cục' (xem vùng 'Masked' của Hình 45) – quá trình chuyển khung hình để bắt đầu và kết thúc phơi sáng không thực sự đồng thời, nhưng thường mất khoảng 1-10 micro giây. Một số CCD sử dụng màn trập cơ học.
Nhược điểm của cảm biến CCD
● Tốc độ hạn chế: Tốc độ truyền dữ liệu điển hình tính theo pixel mỗi giây có thể đạt khoảng 20 Megapixel mỗi giây (MP/giây), tương đương với hình ảnh 4 MP ở tốc độ 5 khung hình/giây. Tốc độ này chậm hơn khoảng 20 lần so với CMOS tương đương và chậm hơn ít nhất 100 lần so với CMOS tốc độ cao.
● Độ nhiễu đọc cao: Độ nhiễu khi đọc trong CCD cao, chủ yếu là do nhu cầu chạy ADC ở tốc độ cao để đạt được tốc độ camera có thể sử dụng. 5 đến 10 e- là mức phổ biến đối với camera CCD cao cấp.
● Điểm ảnh lớn hơn: Đối với nhiều ứng dụng, điểm ảnh nhỏ hơn mang lại nhiều lợi thế. Kiến trúc CMOS điển hình cho phép kích thước điểm ảnh tối thiểu nhỏ hơn CCD.
● Tiêu thụ điện năng cao:Yêu cầu về điện năng để chạy cảm biến CCD cao hơn nhiều so với CMOS.
Ứng dụng của cảm biến CCD trong hình ảnh khoa học
Mặc dù công nghệ CMOS đã trở nên phổ biến, cảm biến CCD vẫn được ưa chuộng trong một số ứng dụng hình ảnh khoa học, nơi chất lượng hình ảnh, độ nhạy và độ nhất quán là tối quan trọng. Khả năng vượt trội trong việc thu tín hiệu ánh sáng yếu với độ nhiễu tối thiểu khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng chính xác.
Thiên văn học
Cảm biến CCD rất quan trọng trong chụp ảnh thiên văn nhờ khả năng thu được ánh sáng yếu từ các ngôi sao và thiên hà xa xôi. Chúng được sử dụng rộng rãi trong cả đài quan sát và thiên văn học nghiệp dư chuyên sâu để chụp ảnh thiên văn phơi sáng lâu, mang lại hình ảnh rõ nét và chi tiết.
Kính hiển vi và Khoa học sự sống
Trong khoa học sự sống, cảm biến CCD được sử dụng để thu tín hiệu huỳnh quang yếu hoặc các cấu trúc tế bào tinh vi. Độ nhạy và độ đồng đều cao của chúng khiến chúng hoàn hảo cho các ứng dụng như kính hiển vi huỳnh quang, hình ảnh tế bào sống và bệnh lý kỹ thuật số. Phản ứng ánh sáng tuyến tính của chúng đảm bảo phân tích định lượng chính xác.
Kiểm tra chất bán dẫn
Cảm biến CCD đóng vai trò quan trọng trong sản xuất chất bán dẫn, đặc biệt là trong kiểm tra wafer. Độ phân giải cao và chất lượng hình ảnh đồng nhất của chúng là yếu tố thiết yếu để phát hiện các khuyết tật ở cấp độ vi mô trên chip, đảm bảo độ chính xác cần thiết trong sản xuất chất bán dẫn.
Chụp X-quang và Hình ảnh Khoa học
Cảm biến CCD cũng được sử dụng trong các hệ thống phát hiện tia X và các ứng dụng hình ảnh chuyên dụng khác. Khả năng duy trì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao, đặc biệt là khi được làm mát, rất quan trọng để tạo ra hình ảnh rõ nét trong các điều kiện khó khăn như tinh thể học, phân tích vật liệu và thử nghiệm không phá hủy.
Cảm biến CCD có còn phù hợp ngày nay không?
Máy ảnh CCD Tucsen H-694 & 674
Mặc dù công nghệ CMOS phát triển nhanh chóng, cảm biến CCD vẫn chưa hề lỗi thời. Chúng vẫn là lựa chọn ưu tiên trong các tác vụ chụp ảnh thiếu sáng và độ chính xác cao, nơi chất lượng hình ảnh và đặc tính nhiễu vượt trội của chúng là vô cùng quan trọng. Trong các lĩnh vực như thiên văn học không gian sâu hoặc kính hiển vi huỳnh quang tiên tiến, camera CCD thường vượt trội hơn nhiều lựa chọn thay thế CMOS.
Hiểu được điểm mạnh và điểm yếu của cảm biến CCD giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư lựa chọn công nghệ phù hợp với nhu cầu cụ thể của họ, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng khoa học hoặc công nghiệp.
Câu hỏi thường gặp
Khi nào tôi nên chọn cảm biến CCD?
Cảm biến CCD ngày nay hiếm hơn nhiều so với mười năm trước, khi công nghệ CMOS bắt đầu lấn át cả hiệu suất dòng tối thấp của chúng. Tuy nhiên, sẽ luôn có những ứng dụng mà sự kết hợp các đặc tính hiệu suất của chúng—chẳng hạn như chất lượng hình ảnh vượt trội, độ nhiễu thấp và độ nhạy cao—mang lại lợi thế.
Tại sao máy ảnh khoa học lại sử dụng cảm biến CCD làm mát?
Hệ thống làm mát giúp giảm nhiễu nhiệt trong quá trình chụp ảnh, cải thiện độ rõ nét và độ nhạy sáng của ảnh. Điều này đặc biệt quan trọng đối với chụp ảnh khoa học trong điều kiện thiếu sáng và phơi sáng lâu, đó là lý do tại sao nhiều máy ảnh cao cấpmáy ảnh khoa họcdựa vào CCD làm mát để có kết quả sạch hơn và chính xác hơn.
Chế độ chồng lấn trong cảm biến CCD và EMCCD là gì và nó cải thiện hiệu suất máy ảnh như thế nào?
Cảm biến CCD và EMCCD thường có khả năng "chồng chéo". Đối với máy ảnh màn trập toàn cục, điều này đề cập đến khả năng đọc khung hình trước đó trong khi phơi sáng khung hình tiếp theo. Điều này dẫn đến chu kỳ hoạt động cao (gần 100%), nghĩa là thời gian lãng phí tối thiểu để không phơi sáng khung hình, và do đó tốc độ khung hình cao hơn.
Lưu ý: Chế độ chồng chéo có ý nghĩa khác đối với cảm biến màn trập lăn.
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về cửa chớp cuốn, vui lòng nhấp vào:
Chế độ điều khiển màn trập lăn hoạt động như thế nào và cách sử dụng
Công ty TNHH Tucsen Photonics. Bản quyền thuộc về. Vui lòng ghi rõ nguồn khi trích dẫn:www.tucsen.com
