Tài liệu Nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh và thiết kế camera ccd

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