Giới thiệu về công nghệ cảm biến hình ảnh

Tiền đề cơ bản của hình ảnh điện tử là năng lượng ánh sáng được chuyển đổi thành điện năng theo cách bảo tồn thông tin hình ảnh, cho phép chúng ta tái tạo lại các tính chất quang học của một cảnh. Sự tương tác có thể dự đoán được này giữa photon và electron bắt đầu quá trình chụp ảnh kỹ thuật số. Sau khi năng lượng được cung cấp bởi các Photon sự cố được chuyển đổi thành năng lượng điện, hệ thống phải có một cách nào đó để định lượng năng lượng này và lưu trữ nó dưới dạng một chuỗi (hoặc ma trận) các giá trị.

Trong hầu hết các cảm biến hình ảnh, việc chuyển đổi từ ánh sáng sang điện được thực hiện bởi một photodiode, là một điểm nối PN có cấu trúc ủng hộ việc tạo ra các cặp lỗ điện tử để đáp ứng với ánh sáng tới.

Điốt quang thường được làm bằng silicon, nhưng các vật liệu bán dẫn khác như Indi arsenide, indium antimonide, thủy ngân Cadmium telluride, vv cũng được sử dụng cho các mục đích đặc biệt khác nhau.

Một tiến bộ quan trọng trong công nghệ cảm biến hình ảnh là tạo ra một photodiode loại ghim. Trong hình trên, một điốt quang, giống như một diode bình thường, bao gồm vùng loại p và vùng loại N.

Điốt quang loại ghim có một vùng bổ sung được làm bằng chất bán dẫn loại p có độ pha tạp cao (viết tắt là p); như được hiển thị, nó mỏng hơn hai vùng còn lại.

Hình này cho thấy cấu trúc của một photodiode ghim được tích hợp vào một cảm biến hình ảnh

Được giới thiệu vào những năm 1980, Các điốt quang được ghim đã giải quyết vấn đề (được gọi là "độ trễ") liên quan đến việc truyền điện tích phát ra ánh sáng chậm. Điốt quang kiểu ghim cũng cung cấp hiệu suất lượng tử cao hơn, hiệu suất nhiễu được cải thiện và dòng tối thấp hơn (Chúng tôi sẽ quay lại các khái niệm này sau trong loạt này).

Ngày nay, phần tử cảm quang trong hầu hết tất cả các cảm biến hình ảnh CCD và CMOS là một photodiode được ghim.

Hai công nghệ hình ảnh chính là CCD (thiết bị kết hợp sạc) và CMOS.

Ngoài ra còn có các loại cảm biến khác, chẳng hạn như cảm biến nmos cho quang phổ, Quang kế thu nhỏ cung cấp độ nhạy Hình ảnh nhiệt hồng ngoại và các ứng dụng đặc biệt có thể sử dụng mảng photodiode được kết nối với các mạch khuếch đại tùy chỉnh.

Tuy nhiên, chúng tôi sẽ tập trung vào CCD và CMOS. Hai loại cảm biến chung này bao gồm rất nhiều ứng dụng và chức năng.

Có vẻ như mọi người bị cuốn hút vào đánh giá giá trị của các câu hỏi "cái nào tốt hơn?" như gắn bề mặt hoặc Xuyên Lỗ? BJT hay FET? Canon hay Nikon? Windows hoặc Mac (hoặc Linux)? Những câu hỏi này hiếm khi có câu trả lời có ý nghĩa, và thậm Chí so sánh các tính năng riêng lẻ có thể khó khăn.

Vậy, cái nào tốt hơn, CMOS hay CCD? So sánh truyền thống như thế này: CCD có độ nhiễu thấp hơn, độ đồng đều pixel trên pixel tốt hơn và nổi tiếng về chất lượng hình ảnh vượt trội. Cảm biến cmos cung cấp mức độ tích hợp cao hơn-giảm độ phức tạp cho các nhà thiết kế mạch-và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Tôi không nói rằng đánh giá này là không chính xác, nhưng tính hữu dụng của nó bị hạn chế. Rất nhiều phụ thuộc vào nhu cầu của bạn cho cảm biến và yêu cầu và ưu tiên của bạn.

Ngoài ra, công nghệ đang thay đổi nhanh chóng, và số tiền lớn đầu tư vào nghiên cứu và phát triển hình ảnh kỹ thuật số có thể dần dần thay đổi mô hình CCD và CMOS.

Thứ hai, Cảm biến hình ảnh không tạo ra hình ảnh. Đây là một phần không thể thiếu của hệ thống hình ảnh kỹ thuật số (tất nhiên là một phần rất quan trọng) và chất lượng hình ảnh cảm nhận do hệ thống tạo ra không chỉ phụ thuộc vào cảm biến, nhưng còn nhiều yếu tố nữa. Không có nghi ngờ rằng ccds vượt trội so với cảm biến CMOS đối với một số đặc tính quang điện tử. Nhưng liên kết một CCD với tổng thể cao hơnChất lượng hình ảnh có vẻ hơi không hợp lý.

Một hệ thống dựa trên cảm biến CCD đòi hỏi đầu tư thiết kế lớn. Ccds yêu cầu nhiều Điện áp điều khiển và công suất không Mức logic (bao gồm cả điện áp âm), và thời gian phải được áp dụng cho cảm biến có thể rất phức tạp. "Dữ liệu" hình ảnh được tạo ra bởi cảm biến là một dạng sóng tương tự cần được khuếch đại và lấy mẫu tinh xảo, và tất nhiên bất kỳ mạch xử lý tín hiệu hoặc chuyển đổi dữ liệu nào cũng có khả năng gây nhiễu.

Hiệu suất tiếng ồn thấp bắt đầu bằng CCD, nhưng nó không kết thúc ở đó-Chúng tôi phải cố gắng giảm thiểu nhiễu trong toàn bộ chuỗi tín hiệu.

Dạng sóng đầu ra CCD

Tình hình hoàn toàn khác đối với cảm biến hình ảnh CMOS. Chúng hoạt động giống như các mạch tích hợp tiêu chuẩn, với các nguồn điện áp Mức logic, xử lý hình ảnh trên chip và dữ liệu đầu ra kỹ thuật số. Bạn cũng có thể phải đối phó với một số nhiễu hình ảnh bổ sung, nhưng trong nhiều ứng dụng, đây là một mức giá nhỏ để trả cho việc giảm đáng kể độ phức tạp của thiết kế, chi phí phát triển và căng thẳng.

Xử lý hình ảnh không phải là một nhiệm vụ vi điều khiển điển hình, đặc biệt là khi bạn đang làm việc với tốc độ khung hình cao hoặc cảm biến độ phân giải cao. Hầu hết các ứng dụng sẽ được hưởng lợi từ sức mạnh tính toán của bộ xử lý tín hiệu số hoặc FPGA.

Nén cũng cần được xem xét, đặc biệt nếu bạn cần lưu trữ hình ảnh trong bộ nhớ hoặc truyền chúng không dây. Điều này có thể được thực hiện bằng phần mềm hoặc phần cứng lập trình.