25/08/05Từ điện thoại thông minh đến các thiết bị khoa học, cảm biến hình ảnh là cốt lõi của công nghệ hình ảnh ngày nay. Trong số đó, cảm biến CMOS đã trở thành lực lượng chủ chốt, cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ ảnh chụp hàng ngày đến kính hiển vi tiên tiến và kiểm tra chất bán dẫn.
Công nghệ 'Bán dẫn Oxit Kim loại Bổ sung' (CMOS) là một kiến trúc điện tử và tập hợp các công nghệ quy trình chế tạo có ứng dụng vô cùng rộng rãi. Thật vậy, công nghệ CMOS có thể được coi là nền tảng cho kỷ nguyên số hiện đại.
Cảm biến CMOS là gì?
Cảm biến hình ảnh CMOS (CIS) sử dụng điểm ảnh chủ động, nghĩa là sử dụng ba hoặc nhiều bóng bán dẫn trong mỗi điểm ảnh của máy ảnh. Điểm ảnh CCD và EMCCD không chứa bóng bán dẫn.
Các bóng bán dẫn trong mỗi điểm ảnh cho phép điều khiển các điểm ảnh 'hoạt động' này, khuếch đại tín hiệu thông qua các bóng bán dẫn 'hiệu ứng trường' và truy cập dữ liệu của chúng, tất cả đều song song. Thay vì một đường dẫn đọc duy nhất cho toàn bộ cảm biến hoặc một phần đáng kể của cảm biến, mộtMáy ảnh CMOSbao gồm ít nhất một hàng ADC đọc, một (hoặc nhiều) ADC cho mỗi cột của cảm biến. Mỗi ADC có thể đọc giá trị của cột đó cùng lúc. Hơn nữa, các cảm biến 'pixel hoạt động' này tương thích với logic kỹ thuật số CMOS, giúp tăng cường chức năng tiềm năng của cảm biến.
Những đặc tính này kết hợp lại mang lại tốc độ cho cảm biến CMOS. Tuy nhiên, nhờ sự gia tăng tính song song này, từng ADC có thể mất nhiều thời gian hơn để đo tín hiệu được phát hiện với độ chính xác cao hơn. Thời gian chuyển đổi dài hơn này cho phép hoạt động với độ nhiễu rất thấp, ngay cả với số lượng điểm ảnh cao hơn. Nhờ điều này, cùng với những cải tiến khác, độ nhiễu đọc của cảm biến CMOS thường thấp hơn từ 5 đến 10 lần so với CCD.
Camera CMOS khoa học hiện đại (sCMOS) là một loại CMOS chuyên dụng được thiết kế để chụp ảnh tốc độ cao và độ nhiễu thấp trong các ứng dụng nghiên cứu.
Cảm biến CMOS hoạt động như thế nào? (Bao gồm màn trập lăn và màn trập toàn cục)
Hoạt động của một cảm biến CMOS điển hình được thể hiện trong hình và được tóm tắt bên dưới. Lưu ý rằng do những khác biệt về hoạt động bên dưới, thời gian và thao tác phơi sáng sẽ khác nhau giữa máy ảnh CMOS màn trập toàn cục và màn trập lăn.
Hình: Quá trình đọc dữ liệu cho cảm biến CMOS
GHI CHÚ: Quá trình đọc dữ liệu của camera CMOS khác nhau giữa camera 'rolling shutter' và camera 'global shutter', như đã thảo luận trong bài viết. Trong cả hai trường hợp, mỗi điểm ảnh đều chứa một tụ điện và bộ khuếch đại, tạo ra điện áp dựa trên số lượng quang điện tử được phát hiện. Đối với mỗi hàng, điện áp cho mỗi cột được đo đồng thời bằng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số của cột.
Cửa cuốn
1. Đối với cảm biến CMOS màn trập lăn, bắt đầu từ hàng trên cùng (hoặc giữa đối với máy ảnh cảm biến chia tách), xóa điện tích khỏi hàng để bắt đầu phơi sáng hàng đó.
2. Sau khi 'thời gian dòng' trôi qua (thường là 5-20 μs), chuyển sang hàng tiếp theo và lặp lại từ bước 1 cho đến khi toàn bộ cảm biến được phơi sáng.
3. Với mỗi hàng, điện tích sẽ tích lũy trong quá trình phơi sáng, cho đến khi hàng đó kết thúc thời gian phơi sáng. Hàng nào bắt đầu trước sẽ kết thúc trước.
4. Sau khi hoàn tất quá trình phơi sáng trong một hàng, hãy chuyển điện tích sang tụ điện đọc và bộ khuếch đại.
5. Điện áp trong mỗi bộ khuếch đại ở hàng đó sau đó được kết nối với cột ADC và tín hiệu được đo cho từng điểm ảnh trong hàng.
6. Hoạt động đọc và thiết lập lại sẽ mất 'thời gian dòng' để hoàn tất, sau đó hàng tiếp theo bắt đầu phơi sáng sẽ đạt đến cuối thời gian phơi sáng của nó và quá trình được lặp lại từ bước 4.
7. Ngay khi quá trình đọc kết quả cho hàng trên cùng hoàn tất, nếu hàng dưới cùng đã bắt đầu phơi sáng khung hình hiện tại, hàng trên cùng có thể bắt đầu phơi sáng khung hình tiếp theo (chế độ chồng chéo). Nếu thời gian phơi sáng ngắn hơn thời gian khung hình, hàng trên cùng phải đợi hàng dưới cùng bắt đầu phơi sáng. Thời gian phơi sáng ngắn nhất có thể thường là một dòng.
Máy ảnh CMOS làm mát FL 26BW của Tucsen, sử dụng cảm biến Sony IMX533, sử dụng công nghệ màn trập lăn này.
Màn trập toàn cầu
1. Để bắt đầu quá trình thu thập, điện tích được xóa đồng thời khỏi toàn bộ cảm biến (thiết lập lại toàn bộ giếng điểm ảnh).
2. Điện tích tích tụ trong quá trình tiếp xúc.
3. Khi kết thúc quá trình phơi sáng, các điện tích thu thập được sẽ được chuyển đến một giếng che bên trong mỗi điểm ảnh, nơi chúng có thể chờ đọc mà không cần đếm các photon mới được phát hiện. Một số máy ảnh chuyển điện tích vào tụ điện điểm ảnh ở giai đoạn này.
4. Với các điện tích được phát hiện được lưu trữ trong vùng che của mỗi điểm ảnh, vùng hoạt động của điểm ảnh có thể bắt đầu phơi sáng khung hình tiếp theo (chế độ chồng lấp).
5. Quá trình đọc dữ liệu từ vùng được che phủ diễn ra tương tự như đối với cảm biến màn trập lăn: Từng hàng một, từ phía trên của cảm biến, điện tích được truyền từ vùng được che phủ đến tụ điện đọc và bộ khuếch đại.
6. Điện áp trong mỗi bộ khuếch đại ở hàng đó được kết nối với cột ADC và tín hiệu được đo cho từng điểm ảnh trong hàng.
7. Thao tác đọc và đặt lại sẽ mất 'thời gian dòng' để hoàn tất, sau đó quá trình sẽ lặp lại cho hàng tiếp theo từ bước 5.
8. Khi tất cả các hàng đã được đọc, máy ảnh đã sẵn sàng để đọc khung hình tiếp theo và quá trình này có thể được lặp lại từ bước 2 hoặc bước 3 nếu thời gian phơi sáng đã trôi qua.
Máy ảnh sCMOS đơn sắc Libra 3412M của Tucsensử dụng công nghệ màn trập toàn cầu, cho phép chụp nhanh và rõ nét các mẫu chuyển động.
Ưu và nhược điểm của cảm biến CMOS
Ưu điểm
● Tốc độ cao hơn: Cảm biến CMOS thường có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn từ 1 đến 2 lần so với cảm biến CCD hoặc EMCCD.
● Cảm biến lớn hơn: Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn cho phép số lượng điểm ảnh cao hơn và trường nhìn rộng hơn, lên tới hàng chục hoặc hàng trăm megapixel.
● Tiếng ồn thấp: Một số cảm biến CMOS có thể có độ nhiễu đọc thấp tới 0,25e-, sánh ngang với EMCCD mà không cần phải nhân điện tích tạo thêm nguồn nhiễu bổ sung.
● Tính linh hoạt của kích thước điểm ảnh: Cảm biến camera điện thoại thông minh và người tiêu dùng có thể giảm kích thước điểm ảnh xuống mức ~1 μm, còn camera khoa học có kích thước điểm ảnh lên tới 11 μm là phổ biến và có loại lên tới 16 μm.
● Tiêu thụ điện năng thấp hơn:Yêu cầu về công suất thấp của camera CMOS cho phép chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khoa học và công nghiệp khác nhau.
● Giá cả và tuổi thọ: Camera CMOS cấp thấp thường có giá thành tương đương hoặc thấp hơn camera CCD, còn camera CMOS cao cấp thì rẻ hơn nhiều so với camera EMCCD. Tuổi thọ dự kiến của chúng sẽ vượt xa camera EMCCD.
Nhược điểm
● Cửa cuốn:Phần lớn các máy ảnh CMOS khoa học đều có màn trập lăn, có thể làm tăng thêm độ phức tạp cho quy trình làm việc thử nghiệm hoặc loại trừ một số ứng dụng.
● Dòng điện tối cao hơnt: Hầu hết các máy ảnh CMOS có dòng điện tối cao hơn nhiều so với cảm biến CCD và EMCCD, đôi khi gây ra nhiễu đáng kể khi phơi sáng lâu (> 1 giây).
Cảm biến CMOS được sử dụng ở đâu ngày nay
Nhờ tính linh hoạt của mình, cảm biến CMOS được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng:
● Đồ điện tử tiêu dùng: Điện thoại thông minh, webcam, máy ảnh DSLR, máy quay hành động.
● Khoa học sự sống: Công suất cảm biến CMOSmáy ảnh kính hiển viđược sử dụng trong chụp ảnh huỳnh quang và chẩn đoán y tế.
● Thiên văn học: Kính viễn vọng và thiết bị chụp ảnh không gian thường sử dụng CMOS khoa học (sCMOS) để có độ phân giải cao và độ nhiễu thấp.
● Kiểm tra công nghiệp: Kiểm tra quang học tự động (AOI), robot vàcamera kiểm tra chất bán dẫndựa vào cảm biến CMOS để có tốc độ và độ chính xác.
● Ô tô: Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS), camera chiếu hậu và camera đỗ xe.
● Giám sát & An ninh: Hệ thống phát hiện chuyển động và ánh sáng yếu.
Tốc độ và hiệu quả về chi phí khiến CMOS trở thành giải pháp phù hợp cho cả mục đích sử dụng thương mại khối lượng lớn và công việc khoa học chuyên ngành.
Tại sao CMOS hiện là tiêu chuẩn hiện đại
Sự chuyển đổi từ CCD sang CMOS không diễn ra trong một sớm một chiều, nhưng là điều tất yếu. Dưới đây là lý do tại sao CMOS hiện là nền tảng của ngành công nghiệp hình ảnh:
● Lợi thế sản xuất: Được xây dựng trên dây chuyền sản xuất chất bán dẫn tiêu chuẩn, giúp giảm chi phí và cải thiện khả năng mở rộng.
● Tăng hiệu suất: Tùy chọn màn trập lăn và toàn màn trập, cải thiện độ nhạy sáng và tốc độ khung hình cao hơn.
● Tích hợp & Trí tuệ: Cảm biến CMOS hiện hỗ trợ xử lý AI trên chip, điện toán biên và phân tích thời gian thực.
● Đổi mới:Các loại cảm biến mới nổi như CMOS xếp chồng, cảm biến hình ảnh lượng tử và cảm biến cong được xây dựng trên nền tảng CMOS.
Từ điện thoại thông minh đếnmáy ảnh khoa họcCMOS đã chứng minh được khả năng thích ứng, mạnh mẽ và sẵn sàng cho tương lai.
Phần kết luận
Cảm biến CMOS đã phát triển thành tiêu chuẩn hiện đại cho hầu hết các ứng dụng hình ảnh, nhờ sự cân bằng giữa hiệu suất, hiệu quả và chi phí. Dù là ghi lại những ký ức thường ngày hay thực hiện phân tích khoa học tốc độ cao, công nghệ CMOS vẫn là nền tảng cho thế giới hình ảnh ngày nay.
Khi những cải tiến như CMOS màn trập toàn cầu và sCMOS tiếp tục mở rộng khả năng của công nghệ, sự thống trị của nó sẽ tiếp tục trong nhiều năm tới.
Câu hỏi thường gặp
Sự khác biệt giữa màn trập lăn và màn trập toàn cầu là gì?
Màn trập lăn đọc dữ liệu hình ảnh theo từng dòng, điều này có thể gây ra hiện tượng chuyển động lạ (ví dụ: lệch hoặc rung) khi chụp các đối tượng chuyển động nhanh.
Màn trập toàn cục chụp toàn bộ khung hình cùng lúc, loại bỏ hiện tượng méo hình do chuyển động. Màn trập này lý tưởng cho các ứng dụng chụp ảnh tốc độ cao như thị giác máy và thí nghiệm khoa học.
Chế độ chồng lấn CMOS màn trập lăn là gì?
Đối với máy ảnh CMOS màn trập lăn, ở chế độ chồng chập, việc phơi sáng khung hình tiếp theo có thể bắt đầu trước khi khung hình hiện tại hoàn tất, cho phép tốc độ khung hình cao hơn. Điều này có thể thực hiện được vì việc phơi sáng và đọc dữ liệu của mỗi hàng được thực hiện so le theo thời gian.
Chế độ này hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ khung hình và thông lượng tối đa, chẳng hạn như kiểm tra tốc độ cao hoặc theo dõi thời gian thực. Tuy nhiên, nó có thể làm tăng nhẹ độ phức tạp của việc tính toán thời gian và đồng bộ hóa.
Công ty TNHH Tucsen Photonics. Bản quyền thuộc về. Vui lòng ghi rõ nguồn khi trích dẫn:www.tucsen.com
