Nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh và thiết kế camera CCD

- 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.
- iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 : CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH .
- Cảm biến hình ảnh .
- Định nghĩa Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh .
- Cảm biến CCD và CMOS .
- Kết luận CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN CAMERA TỐC ĐỘ CAO ISIS...49 3.1.
- Đặc điểm và cấu hình cảm biến Cấu trúc tổng thể .
- Đánh giá ISIS và so sánh với các loại cảm biến CCD khác.
- So sánh CCD-ISIS với các cảm biến CCD thông thường .
- Sơ đồ khối cảm biến CMOS Hình 1.
- Sơ đồ khối cảm biến CCD Hình 1.
- Cấu trúc cảm biến CCD Hình 1.
- Hoạt động của cảm biến CCD Hình 1.
- Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS Hình 1.
- Tín hiệu đầu ra CCD Hình 2.8.
- Tỷ số tín hiệu trên nhiễu với tương quan lấy mẫu kép Hình 2.13.
- 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.
- 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 3 : Nghiên cứu về cảm biến camera tốc độ cao ISIS.
- 2 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.
- 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.
- Định nghĩa Cảm biến hình ảnh (Image sensor) là bộ phận đầu tiên của camera tiếp nhận hình ảnh.
- 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.
- 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.
- 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).
- Chip CCD và CMOS 4 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.
- 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.
- Sự xử lý này để sản xuất những cảm biến với chất lượng cao với độ tin cậy cao và độ nhạy sáng cao.
- Mỗi bộ cảm biến hình ảnh là một thiết bị tích điện (Charged Couple Device – CCD ) nó chuyển đổi ánh sáng thành điện tích.
- 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.
- 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.
- Cấu trúc hai chiều ngang - dọc của chip CCD 9 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.
- Hoạt động của cảm biến CCD 10 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 tín hiệu hình ảnh khi được thu nhận từ cảm biến sẽ đi theo hướng mũi tên như Hình 1.10 [3].
- 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).
- 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.
- 1.2.2 Cảm biến CMOS Tổng quan CMOS Hình 1.
- Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS 15 Thông thường, hai loại bóng bán dẫn được sử dụng: Loại P và loại N.
- Đối với cảm biến CMOS, cạnh mỗi điểm bắt sáng trên chip đều có một mạch bổ trợ.
- Sự xuất hiện của công nghệ CMOS cảm biến hình ảnh được cho là phát triển quan trọng trong hình ảnh trạng thái rắn từ các sáng chế của CCD.
- Ngày nay hầu hết các cảm biến CMOS đều là CMOS Active Pixel Sensor (APS), khai thác cùng một công nghệ chip silicon sử dụng trong các hệ thống vi xử lý.
- Phạm vi hoạt động tuyến tính của bộ cảm biến CMOS tốt nhất hiện nay là ≈ 5000, ít hơn đáng kể so với một CCD.
- Dựa trên những sự khác nhau đó mà có thể xem như bộ cảm biến CCD trong máy ảnh kỹ thuật số cho chất lượng hình ảnh cao với nhiều pixel với độ nhạy sáng cao.
- So sánh CCD và CMOS Một cảm biến CMOS kết hợp bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi ADC và mạch cho quá trình xử lý bổ sung, trong khi đó ở một máy ảnh với cảm biến CCD, nhiều chức năng xử lý tín hiệu được thực hiện ngoài cảm biến.
- Cảm biến CMOS có mức tiêu thụ điện năng thấp hơn so với cảm biến hình ảnh CCD, có nghĩa là nhiệt độ bên trong máy ảnh hay các thiết bị có thể được giữ thấp hơn.
- Các vấn đề về nhiệt với cảm biến CCD có thể được giải quyết bằng các nghiên cứu trong thời gian tới, song mặt khác, cảm biến CMOS có thể phải chịu nhiều nhiễu từ cấu trúc.
- Một cảm biến CMOS cho phép 'windowing' và đa xem trực tuyến,điều mà không thể được thực hiện với một CCD cảm biến.
- Một cảm biến CCD thường có một điện áp chuyển đổi mỗi cảm biến, trong khi một bộ cảm biến CMOS có một trên mỗi pixel.
- Đầu đọc nhanh hơn từ một cảm biến CMOS làm cho nó dễ dàng hơn để sử dụng cho đa-megapixel trong máy ảnh.
- Cảm biến CCD vẫn thường lựa chọn những ứng dụng trong đó chất lượng hình ảnh là những yêu cầu chính.
- Cảm biến CMOS có giá rẻ hơn nhiều, sản xuất số lượng lớn (hơn 90.
- Xu hướng phát triển của CMOS và CCD 23 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 chip.
- Bộ cảm biến CMOS đã đạt độ phân giải 12Mpixel - Thiết kế cải tiến rút ngắn khoảng cách chất lượng - Cải thiện “fill-factor” 1.4.
- Mỗi loại cảm biến này đều có những ưu nhược điểm khác nhau.
- Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu về camera CCD và cảm biến camera tốc độ cao ISIS ở chương sau.
- 2.2.3 Tín hiệu đầu ra CCD Hình 2.7.
- 37 Hình 2.10.
- 39 Hình 2.12.
- 40 Hình 2.13.
- 41 Hình 2.14.
- Hình 2.15.
- Hình 2.16.
- Hình 2.17.
- Hình 2.19.
- Hình 2.20.
- 47 Hình 2.21.
- Cảm biến CCD phù hợp cho một loạt các ứng dụng công nghiệp và thương mại.
- Kết luận Trên đây là thiết kế một camera CCD cơ bản, qua đó ta có thể thấy rằng nhiều chức năng xử lý tín hiệu được thực hiện bên ngoài cảm biến CCD.
- 49 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN CAMERA TỐC ĐỘ CAO ISIS 3.1.
- Bên trong mỗi pixel của cảm biến này có 103 phần tử nhớ được cài đặt, tín hiệu hình ảnh được tạo ra thì được lưu trữ ngay lập tức ở trong in-situ mà không đọc ra ngoài của cảm biến.
- Sau khi hoàn thành hoạt động chụp ảnh, những tín hiệu hình ảnh được lưu quanh mỗi pixel đọc ra ngoài từ từ, được chuyển tới bộ nhớ đệm bên ngoài cảm biến ảnh, và tái tạo lại như khung ảnh liên tiếp để hiển thị.
- ISIS-V12 là một cảm biến nhằm chứng minh tính khả thi kỹ thuật của cấu trúc.
- Đặc điểm và cấu hình cảm biến 3.2.1 Cấu trúc tổng thể Các đặc điểm kỹ thuật thực hiện của ISIS V16 được tóm tắt trong bảng 3.1.
- Một cổng drain được thiết lập tại VCCD tuyến tính, điện cực đạt thoát ra bên ngoài tại mỗi drain của cảm biến là tín hiệu cuối cùng và luôn luôn được lưu trữ trong bộ nhớ CCD và VCCD do các hoạt động ghi đè lên.
- Khi sự kiện xảy ra phát hiện được mục tiêu, các hoạt động ghi đè lên được dừng lại, và tín hiệu hình ảnh được lưu trữ trong bộ nhớ CCD bên trong, cảm biến hình ảnh này sau đó từ từ đọc ra.
- HCCD elements được khuếch đại tín hiệu trước khi đi ra ngoài cảm biến.
- Cảm biến có thể được cải tiến bằng cách tăng cường những ưu điểm và giảm thiểu những nhược điểm.
- Những 61 cải tiến hữu ích trong hoạt động của cảm biến mà không làm lạnh sâu.
- So sánh CCD-ISIS với các cảm biến CCD thông thường Trong cấu trúc pixel của một CCD điển hình thường chỉ có một bộ khuếch đại ở một góc của toàn bộ mảng và phí lưu trữ được chuyển tuần tự thông qua việc chuyển đổi song song với một vùng lưu trữ nối tiếp tuyến tính, sau đó đến một nút đầu ra tiếp giáp với các bộ khuếch đại đọc ra trong Hình 3.13a.
- 62 Cảm biến CCD được phát triển đầu tiên vào cuối những năm 60 và công nghệ là tương đối thành công lúc bây giờ.
- Tuy nhiên, với cấu trúc phức tạp của khu vực lưu trữ trong Hình 3.14b tín hiệu hình ảnh có thể chuyển nhiều hướng.
- Để đối phó với vấn đề này, trong năm 2001, Etoh et al phát triển một cảm biến hình ảnh CCD, trong đó đăng ký một CCD tuyến nghiêng được gắn liền với mỗi điểm ảnh được trình bày trong Hình 3.2 [7].
- Các cảm biến ghi lại 103 hình ảnh liên tiếp, với 81.120 pixel ở tốc độ khung hình của 1Mfs [9].
- Vì vậy tìm hiểu về công nghệ cảm biến hình ảnh và thiết kế camera là cần thiết và có ý nghĩa thực tế.
- Trong luận văn này trình bày một cách tổng quan về cảm biến hình ảnh với các trọng tâm.
- Nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh.
- Nghiên cứu về cảm biến camera tốc độ cao ISIS dựa trên công nghệ cảm biến CCD.
- Tuy nhiên vì thời gian có hạn và khả năng của người thực hiện còn hạn chế nên luận văn mới chỉ bước đầu tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ cảm biến hình ảnh CCD.
- Hy vọng trong thời gian tới công nghệ cảm biến hình ảnh có thể đạt được sự cải thiện đáng kể mặt về tốc độ, diện tích hay độ nhiễu từ sự kế thừa những kết quả đã đạt được, những nghiên cứu trước của các đề tài liên quan

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt