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 thiết kế camera
CCD
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số SV: CB140252
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học 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 Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những tôi viết dưới đây hoàn toàn chính thống không
sao chép tbất 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
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập nghiên cứu hoàn thiện luận văn, em đã nhận được
sự giúp đỡ rất tận tình chu đáo của các thầy giáo trong viện Điện tử Viễn
thông Trường Đại học Bách khoa Nội. Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
tới thày TS.Nguyễn Hoàng Dũng, người đã tận tình hướng dẫn 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, c anh chị đặc biệt là các bạn sinh
viên lớp ĐTTT K56 trong Lab của thày Nguyễn Hoàng Dũng tại trường Đại học
Bách khoa Nội đã những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá
trình nghiên cứu luận văn này.
Mặc em đã nỗ lực và cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả nhiệt tình
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
iii
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
iv
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
v
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa
CCD Charge-couple device Thiết bị tích điện kép
CMOS
Complementary metal oxide
semiconductor
Chất bán dẫn bổ sung
kim loại
ISIS In-situ storage image sensor
Cảm biến hình ảnh lưu
trữ tại chỗ
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
Thiết bị tích điện kép
ngang
vi
vii
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
viii
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
1
LỜI MỞ ĐẦU
Cảm biến 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 thậm chí 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 bạn thấy trên ống ngắm 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 bạn thể in bức ảnh này. Chất lượng ảnh không chỉ phụ thuộc
vào kích cỡ vật của cảm biến, 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 sthuyết trình y khái niệm của các kiến thức liên quan đến
cảm biến hình ảnh CMOS 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 sở thuyết, đặc điểm của ISIS camera qua các thế hệ. Từ đó thể
đánh giá được ISIS-V16 về hiệu suất cũng như các thông số liên quan.
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. Cả hai đều 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 bởi cho hình ảnh cao hơn nhiều so với các
công nghệ chế tạo sẵn. Cảm biến hình ảnh CMOS cần nhiều tính đồng nhất tính
năng nhỏ hơn so với các xưởng đúc silicon thể cung cấp vào thời điểm đó. Mãi
cho đến năm 1990 các nhà thiết kế 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 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) bộ phận đầu tiên của camera tiếp nhận
hình ảnh. Sau khi bắt ánh sáng, các chip cảm ứng nhiệm vụ chuyển chúng thành
các điện tử. Các điện tử này sau đó sẽ được chuyển thành điện áp (để thể đo
lường được) rồi chuyển sang dạng tín hiệu số 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 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
3
loại sensor do nhiều ng cung cấp khác nhau: Sony, Sharp, LG, Samsung
một số sensor thương mại không nổi tiếng khác.
Cảm biến hình ảnh sẽ quyết định đến chất lượng đẹp xấu của bức nh kích
cỡ tối đa bạn thin bức ảnh này. Chất lượng ảnh không chỉ phụ thuộc vào
kích cỡ vật của cảm biến, còn phụ thuộc vào số lượng pixel (các điểm nhạy
sáng) có mặt trên cảm biến kích cỡ của các pixel này. Cảm biến hình ảnh là một
thiết bị phần cứng nhỏ khả năng thu nhận ánh sáng chuyển đổi các photon thu
nhận được thành các tín hiệu số phục hồi lại hình ảnh ban đầu trên các thiết bị
điện tử. Hiện nay hai công nghệ chính thể được sử dụng cho các bộ cảm
biến hình ảnh trong một máy ảnh là CCD (Charge-coupled Device) CMOS
(Complementary Metal-oxide Semiconductor).
CCD đã tỏ ra ưu thế hơn hẳn bởi khả năng nhạy sáng cao thể tái hiện
những bức ảnh 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 sdụng
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 làchất 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 vượt qua cả tiêu chuẩn của
CCD. Với nhiều tính năng được tích hợp sẵn hơn 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
4
1.1.3 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh
Đây bộ cảm biến ánh sáng nằm trong máy ảnh kỹ thuật số 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 tác
dụng thu nhận thông tin về từng điểm ảnh (pixel ).
Để 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 tthu 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 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 CMOS cùng
nhiệm vchuyển đổi n hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện. Một điều đơn giản th
hiểu dùng trong máy nh kỹ thuật s một mảng 2D gồm ng nghìn, hàng
triệu những tế bào năng lượng mặt trời, mỗi một tế bào 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 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