Hướng dẫn lựa chọn cảm biến hình ảnh CMOS của mô-đun camera

Cảm biến hình ảnh là thiết bị chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện và được sử dụng rộng rãi trong thị trường truyền hình kỹ thuật số và truyền thông hình ảnh. Hiện nay, hai loại được sử dụng rộng rãi nhất là CCD (Thiết bị ghép điện tích) và CMOS (Bán dẫn oxit kim loại bổ sung).

Trong số đó, CMOS hiện đang là công nghệ được chú ý nhất và được đánh giá là có tiềm năng phát triển lớn nhất.

Cảm biến hình ảnh CMOS là một cảm biến hình ảnh thể rắn điển hình, thường bao gồm mảng đơn vị nhạy cảm với hình ảnh, trình điều khiển hàng, trình điều khiển cột, logic điều khiển thời gian, bộ chuyển đổi AD, giao diện đầu ra bus dữ liệu, giao diện điều khiển và các bộ phận khác. Các bộ phận này thường được tích hợp trên cùng một chip silicon. Quy trình làm việc của nó thường có thể được chia thành thiết lập lại, chuyển đổi quang điện, tích hợp và đọc.

Các mạch xử lý tín hiệu số khác cũng có thể được tích hợp trên chip cảm biến hình ảnh CMOS, chẳng hạn như bộ chuyển đổi AD, điều khiển phơi sáng tự động, bù trừ không đồng nhất, xử lý cân bằng trắng, điều khiển mức độ đen, hiệu chỉnh gamma, v.v. Để thực hiện các phép tính nhanh, ngay cả các thiết bị DSP có chức năng lập trình cũng có thể được tích hợp với các thiết bị CMOS để tạo thành một máy ảnh kỹ thuật số và hệ thống xử lý hình ảnh một chip.

Chính xác hơn, cảm biến hình ảnh CMOS nên được coi là một hệ thống hình ảnh. Trên thực tế, khi một nhà thiết kế mua cảm biến hình ảnh CMOS, anh ta hoặc cô ta sẽ có được một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm các thanh ghi logic mảng hình ảnh, bộ nhớ, bộ tạo xung thời gian và bộ chuyển đổi.

1. Cấu trúc điểm ảnh của ống MOS

Transistor MOS và photodiode tạo thành mặt cắt ngang cấu trúc tương đương với một điểm ảnh. Trong thời gian tích hợp ánh sáng, transistor MOS bị cắt và photodiode tạo ra các hạt mang tương ứng theo cường độ của ánh sáng tới và lưu trữ chúng tại tiếp giáp PN của nguồn (vị trí ① trong hình bên dưới).

Khi chu kỳ tích hợp kết thúc, một xung quét được áp dụng cho cổng của bóng bán dẫn MOS, bật nó lên, đưa điốt quang về điện thế tham chiếu và khiến dòng điện video chạy qua tải, có độ lớn tương ứng với cường độ ánh sáng chiếu tới.

Nguồn tiếp giáp PN của bóng bán dẫn MOS đóng vai trò chuyển đổi quang điện và lưu trữ sóng mang. Khi tín hiệu xung được đưa vào cổng, tín hiệu video được đọc ra.

2. Cấu trúc mảng cảm biến hình ảnh CMOS

Cấu trúc mảng điểm ảnh CMOS bao gồm một thanh ghi dịch chuyển ngang, một thanh ghi dịch chuyển dọc và một mảng điểm ảnh CMOS.

Cấu trúc mảng cảm biến CMOS

(1-thanh ghi dịch chuyển dọc; 2-thanh ghi dịch chuyển ngang; 3-công tắc quét ngang; 4-công tắc quét dọc; mảng 5 pixel; 6-đường tín hiệu; 7 pixel)

Như đã đề cập ở trên, mỗi bóng bán dẫn MOS hoạt động như một công tắc dưới sự điều khiển xung của mạch quét ngang và dọc. Thanh ghi dịch chuyển ngang tuần tự bật các bóng bán dẫn MOS đóng vai trò quét ngang từ trái sang phải, tức là vai trò định địa chỉ cột, và thanh ghi dịch chuyển dọc tuần tự định địa chỉ các hàng của mảng.

Mỗi điểm ảnh bao gồm một điốt quang và một bóng bán dẫn MOS hoạt động như một công tắc dọc. Công tắc ngang được bật theo trình tự dưới tác động của xung do thanh ghi dịch chuyển ngang tạo ra và công tắc dọc được bật theo tác động của xung do thanh ghi dịch chuyển dọc tạo ra, do đó điện áp tham chiếu (độ lệch) được áp dụng cho điốt quang của điểm ảnh theo trình tự.

3. Nguyên lý hoạt động và quy trình của cảm biến hình ảnh CMOS

Theo sơ đồ khối chức năng của cảm biến hình ảnh CMOS, có thể thấy quy trình làm việc của cảm biến hình ảnh CMOS chủ yếu được chia thành ba bước sau.

Sơ đồ khối chức năng của cảm biến hình ảnh CMOS

Bước 1: Ánh sáng bên ngoài chiếu vào mảng điểm ảnh, gây ra hiệu ứng quang điện và tạo ra các điện tích tương ứng trong đơn vị điểm ảnh.

Cảnh được tập trung vào mảng cảm biến hình ảnh thông qua ống kính hình ảnh. Mảng cảm biến hình ảnh là một mảng pixel hai chiều. Mỗi pixel bao gồm một photodiode. Photodiode trong mỗi pixel chuyển đổi cường độ ánh sáng trên bề mặt mảng của nó thành tín hiệu điện.

Bước 2: Chọn điểm ảnh bạn muốn vận hành thông qua mạch chọn hàng và mạch chọn cột, và đọc tín hiệu điện trên điểm ảnh.

Trong quá trình gating, đơn vị logic chọn hàng có thể quét từng hàng hoặc luân phiên mảng pixel, và các cột cũng vậy. Đơn vị logic chọn hàng và đơn vị logic chọn cột có thể được sử dụng cùng nhau để thực hiện chức năng trích xuất cửa sổ của hình ảnh.

Bước 3: Thực hiện xử lý tín hiệu trên các đơn vị pixel tương ứng.

Tín hiệu hình ảnh trong các đơn vị pixel hàng được truyền đến các đơn vị xử lý tín hiệu tương tự và bộ chuyển đổi A/D tương ứng thông qua các bus tín hiệu của các cột tương ứng và được chuyển đổi thành tín hiệu hình ảnh kỹ thuật số để xuất ra. Chức năng chính của các đơn vị xử lý tín hiệu tương tự là khuếch đại tín hiệu và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

Sau khi tín hiệu điện pixel được khuếch đại, nó được gửi đến mạch lấy mẫu kép tương quan (CDS) để xử lý. Lấy mẫu kép tương quan là một phương pháp quan trọng được các thiết bị chất lượng cao sử dụng để loại bỏ một số nhiễu. Nguyên lý cơ bản của nó là cảm biến hình ảnh dẫn đến hai đầu ra, một cho tín hiệu thời gian thực và một cho tín hiệu tham chiếu. Các tín hiệu nhiễu giống nhau hoặc liên quan được loại bỏ bằng cách hiệu chỉnh hai tín hiệu.

Phương pháp này có thể giảm nhiễu KTC, nhiễu reset và nhiễu mẫu cố định FPN (Fixed Pattern Noise), đồng thời cũng có thể giảm nhiễu 1/f và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Ngoài ra, nó cũng có thể hoàn thành tích hợp tín hiệu, khuếch đại, lấy mẫu, giữ và các chức năng khác.

Sau đó, tín hiệu được đưa tới bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự/kỹ thuật số và được chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra kỹ thuật số.

Ngoài ra, để có được một máy ảnh thực tế có chất lượng đủ tiêu chuẩn, chip phải chứa nhiều mạch điều khiển khác nhau, chẳng hạn như điều khiển thời gian phơi sáng, điều khiển độ lợi tự động, v.v. Để làm cho từng bộ phận của mạch trong chip di chuyển theo nhịp được chỉ định, phải sử dụng nhiều tín hiệu điều khiển thời gian. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng máy ảnh, chip cũng cần phải xuất ra một số tín hiệu thời gian, chẳng hạn như tín hiệu đồng bộ hóa, tín hiệu bắt đầu dòng, tín hiệu bắt đầu trường, v.v.

Cảm biến hình ảnh CMOS có ưu điểm là kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, giá thành thấp và sản xuất hàng loạt, chiếm 90% thị trường cảm biến hình ảnh. Chúng được sử dụng rộng rãi trong máy ảnh kỹ thuật số, điện thoại thông minh, lái xe tự động, an ninh, Internet vạn vật và các lĩnh vực khác, có tiềm năng thị trường rất lớn trong tương lai.

• điện tử máy ảnh

Vào thời kỳ đầu của máy ảnh kỹ thuật số, hầu hết các máy ảnh kỹ thuật số thường sử dụng hình ảnh CCD. Tuy nhiên, sau đó, CMOS phát triển nhanh chóng và trở thành một thành phần không thể thiếu trong máy ảnh SLR gia đình.

Mặc dù CMOS kém hơn CCD một chút về độ bão hòa màu và kết cấu, nhưng chip xử lý CMOS có thể bù đắp những điều này, do đó nó vẫn tốt hơn CCD ở các khía cạnh khác, chẳng hạn như cơ chế giảm nhiễu, tốc độ đọc nhanh, tiết kiệm điện năng, v.v. Trên thị trường, nhiều máy ảnh SLR hiệu suất cao có các đặc điểm trên.

• điện thoại thông minh

Như chúng ta đã biết, thiết bị đầu cuối di động luôn là thị trường quan trọng đối với cảm biến hình ảnh CMOS. Camera kép và camera 3D được sử dụng rộng rãi trong điện thoại thông minh và việc thêm ống kính giúp các nhà sản xuất điện thoại di động nới rộng khoảng cách giữa chiến lược bán hàng của họ và các sản phẩm cạnh tranh. Các nhà sản xuất tích cực hơn trong việc lắp đặt các mô-đun camera, đặc biệt là sử dụng 2 triệu đến 5 triệu ống kính chức năng có điểm ảnh thấp để tăng số lượng ống kính trong sản phẩm của họ.

Nói chung, cảm biến CMOS có thể được chia thành cảm biến CMOS chiếu sáng ngược và cảm biến CMOS xếp chồng.

Cảm biến CMOS chiếu sáng ngược chuyển đổi lớp điốt quang và lớp dây dẫn sao cho ánh sáng đi vào điốt quang nhạy sáng trước, do đó tăng độ nhạy và cải thiện đáng kể hiệu ứng chụp trong môi trường thiếu sáng. IPhon, Xiaomi, Meizu, như chúng ta đã biết, đều được trang bị các cảm biến như vậy.

Cảm biến CMOS xếp chồng là một sản phẩm phái sinh của cảm biến CMOS chiếu sáng ngược. Đây là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất và tiên tiến nhất trong máy ảnh điện thoại di động và là công nghệ độc quyền của Sony.

• Chế độ lái tự động

Ngày nay, thị trường ô tô đã trở thành lĩnh vực ứng dụng lớn thứ hai của cảm biến CMOS sau điện thoại di động.

Với sự phát triển của công nghệ lái xe tự động, nhu cầu về camera gắn trên xe đã tăng nhanh chóng. Mỗi camera bổ sung đều cần một cảm biến CMOS bổ sung, điều này trực tiếp thúc đẩy sự tăng trưởng của quy mô thị trường CMOS.

Theo dự báo mới nhất của Yole Group, giá trị thị trường cảm biến hình ảnh CMOS đã tăng $5,5 tỷ đô la Mỹ từ năm 2016 đến năm 2022, trở thành phân khúc tăng trưởng nhanh nhất và chiếm tỷ lệ phần trăm cao nhất trong số các cảm biến ô tô (bao gồm nhiều loại radar, cảm biến, v.v.).

• Lĩnh vực an ninh

Trong lĩnh vực giám sát an ninh, thông tin hình ảnh cần phải thu thập thông qua camera, đòi hỏi phải có cảm biến hình ảnh CMOS. Trong những năm gần đây, với sự tích hợp sâu sắc của ngành an ninh với các công nghệ như trí tuệ nhân tạo, dữ liệu lớn và điện toán đám mây, quy mô của toàn bộ thị trường giám sát an ninh đã tiếp tục mở rộng. Trong tổng giá trị sản lượng 851 tỷ nhân dân tệ của ngành an ninh Trung Quốc năm 2020, các dự án an ninh chiếm 510 tỷ nhân dân tệ, các sản phẩm an ninh chiếm 260 tỷ nhân dân tệ và thị trường vận hành, bảo trì và dịch vụ chiếm 81 tỷ nhân dân tệ. Trong tương lai, với việc triển khai thêm cơ sở hạ tầng của ngành an ninh, quy mô của thị trường CIS trong lĩnh vực giám sát an ninh sẽ tiếp tục tăng trưởng.

• Lĩnh vực IOT (Internet vạn vật)

Trong lĩnh vực IOT, một số lượng lớn các thiết bị phần cứng điện tử cần được trang bị các mô-đun camera để nhận dạng hình ảnh, khuôn mặt, cuộc gọi video và các chức năng khác. Chẳng hạn như TV, loa thông minh, máy bay không người lái, VR/AR và các sản phẩm khác. Ngoài ra, một số lượng lớn các cảm biến hình ảnh CMOS cũng cần thiết trong các hệ thống y tế và công nghiệp. Hiện nay, các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và y tế đang tìm cách sử dụng các cảm biến CMOS có chi phí thấp hơn và hiệu quả hơn để thay thế hầu hết các sản phẩm cũ; với sự phát triển của thị giác máy, ngày càng nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp sẽ giới thiệu các cảm biến hình ảnh để cải thiện hiệu quả và chất lượng sản xuất.

Danh sách sản phẩm cảm biến hình ảnh CMOS của Canon