Máy ảnh CMOS cấp khoa học (sCMOS): Cơ bản

giới thiệu

　　Cảm biến bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) là công nghệ đã có từ những năm 1990. Các máy ảnh CMOS đầu tiên cạnh tranh với công nghệ CCD đã trưởng thành hơn, nhưng trong những năm 1990 và đầu những năm 2000, công nghệ cảm biến CMOS đã được cải thiện và công nghệ CCD đã bị vượt qua như là cảm biến được lựa chọn cho máy ảnh kỹ thuật số tiêu dùng. Công nghệ này sau đó đã được cải tiến hơn nữa để đáp ứng các yêu cầu cao hơn cần thiết cho hình ảnh khoa học.

Công nghệ cảm biến CMOS khác với cảm biến CCD ở chỗ, thay vì đưa tất cả các điểm ảnh cảm biến qua một nút đầu ra, một bộ khuếch đại và một bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) như trong cảm biến CCD, cảm biến CMOS có một tụ điện và bộ khuếch đại thu nhỏ trên mỗi điểm ảnh và một ADC trên mỗi cột (như thể hiện trong Hình 1). Mỗi ADC hoạt động đồng thời, đọc toàn bộ cột, thay vì một điểm ảnh riêng lẻ của toàn bộ cảm biến. Điều này làm cho quá trình nhanh hơn và yêu cầu ít năng lượng hơn 100 lần so với kiến trúc cảm biến CCD.

Hình 1: So sánh kiến trúc đọc của cảm biến CCD truyền liên dòng và cảm biến sCMOS. Bên trái: Định dạng CCD truyền liên dòng, trong đó các electron được truyền từ cảm biến đến thanh ghi đọc, đến một nút đầu ra, được khuếch đại (thông qua tụ điện (C) và bộ khuếch đại (A)) và được chuyển đổi thành mức độ xám kỹ thuật số bởi một ADC. Sau đó, dữ liệu này được gửi đến máy tính. Bên phải: Định dạng CMOS thông thường, trong đó mỗi điểm ảnh có một tụ điện và bộ khuếch đại. Điều này có nghĩa là các photon chiếu vào từng điểm ảnh sẽ tạo ra các electron được chuyển đổi thành điện áp có thể đọc được trên điểm ảnh. Điện áp từ toàn bộ cột được gửi đến một ADC (mỗi cột có một ADC), được gửi trực tiếp đến máy tính. Điều này cho phép camera CMOS nhanh hơn nhiều vì chúng hoạt động song song.

　　Công nghệ sCMOS

　　Năm 2009, công nghệ CMOS khoa học (sCMOS) được giới thiệu và camera sCMOS đã có mặt trên thị trường vào năm 2010-11. Camera sCMOS có độ nhiễu thấp, tốc độ cao và trường nhìn rộng, khiến chúng trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng từ thiên văn học đến kính hiển vi.

　　Màn trập lăn và chế độ toàn cầu

　　Cảm biến sCMOS khác với cảm biến CCD ở chỗ chúng thường có màn trập lăn. Việc thu thập hình ảnh bắt đầu từ phía trên cùng của cảm biến và hoạt động theo từng dòng. Điều này cho phép cảm biến thu thập hình ảnh ở tốc độ khung hình cao hơn và với độ nhiễu đọc thấp hơn. Tốc độ của máy ảnh sCMOS liên quan trực tiếp đến số dòng và thời gian dòng, là thời gian giữa việc thu thập một dòng và dòng khác.

Màn trập lăn "mở" và "đóng" bằng cách xóa điện tích đã có trong một hàng và đo bất kỳ photon mới nào đi vào. Điều này cho phép xảy ra sự chồng chéo giữa hàng pixel hiện tại trong khung hình thu được (hình ảnh đang được thu được) và hàng pixel thấp hơn trong khung hình trước đó (hình ảnh đang được đọc ra) (Hình 2).

Hình 2: Sơ đồ biểu thị cách thu thập khung hình chồng lên việc đọc khung hình trước đó. Điều này cho phép sCMOS thu thập và đọc nhanh.

Một số cảm biến sCMOS có thể được sử dụng trong chế độ màn trập giả toàn cục để đạt được độ méo bằng không và cho phép các ứng dụng liên quan đến thay đổi phần cứng giữa các khung hình, chẳng hạn như thu thập kênh đôi tuần tự. Màn trập giả toàn cục này tận dụng lợi thế của việc kiểm soát kích hoạt nguồn sáng. Để tạo màn trập toàn cục này, máy ảnh cần kích hoạt màn trập lăn trong điều kiện tối. Sau đó, bằng cách kích hoạt nguồn sáng và dừng ánh sáng cùng lúc với việc dừng máy ảnh, một khu vực của mảng có thể được chiếu sáng cùng lúc, giống như màn trập toàn cục (như thể hiện trong Hình 3).

Hình 3: Ba định dạng màn trập chính. Hầu hết CCD/EMCC đều có màn trập toàn cục thực sự, cho phép tất cả các điểm ảnh được đọc đồng thời khi chúng tiếp xúc với ánh sáng. Hầu hết các cảm biến sCMOS đều có màn trập lăn, mặc dù nhanh và nhạy (từ cảm biến chiếu sáng ngược), nhưng có thể tạo ra hiện tượng nhiễu. Màn trập toàn cục giả sử dụng một bộ kích hoạt để điều khiển nguồn sáng, cho phép màn trập toàn cục được sử dụng trong màn trập lăn (nếu được định thời gian chính xác).

　　So sánh giữa CCD và sCMOS

Sự khác biệt giữa kiến trúc cảm biến CCD và sCMOS có cả ưu điểm và nhược điểm. Một số ưu điểm của công nghệ sCMOS so với công nghệ CCD như sau:

1. Độ nhiễu đọc thấp: sCMOS có độ nhiễu đọc là ~1 e-, trong khi CCD có độ nhiễu đọc là 5-6 e-. Để tìm hiểu về vai trò của độ nhiễu đọc giảm và độ nhạy tăng, hãy nhấp vào đây.

2. Tốc độ cao: sCMOS có thể đạt tới 100 fps, trong khi CCD là ~20 fps. Điều này là do mỗi cột có một ADC liên quan, do đó chỉ cần xử lý một phần nhỏ dữ liệu.

3. Trường nhìn rộng: Cảm biến sCMOS có phạm vi đường chéo là 19-29 mm, trong khi CCD có phạm vi đường chéo là 11-16 mm

4. Hiệu suất năng lượng: Do song song hóa, sCMOS tiêu thụ ít điện năng hơn 100 lần so với CCD

Mặc dù công nghệ sCMOS vượt trội hơn công nghệ CCD ở nhiều khía cạnh, nhưng nó vẫn có một số nhược điểm:

Tăng nhiễu mẫu cố định và thời gian: Khi từng điểm ảnh được đọc riêng lẻ, nhiễu mẫu cố định và thời gian tăng lên. Cảm biến sCMOS có diện tích đọc hoạt động lớn hơn so với CCD, dẫn đến tăng các nguồn nhiễu này. Điều này có thể được giảm bớt bằng cách thiết kế điện tử cẩn thận và hiệu chuẩn của công ty máy ảnh.

Các hiện tượng nhiễu màn trập lăn: Cảm biến sCMOS có thể sử dụng màn trập lăn để thu được hình ảnh, nhưng nếu các vật thể động trong hình ảnh đủ nhanh để di chuyển theo thang thời gian tương tự như màn trập lăn, có thể xuất hiện hiệu ứng méo hình. Các phép đọc lệch giữa các hàng trên cùng và dưới cùng của cảm biến cũng có thể gây ra hiện tượng nhiễu hình ảnh và mất thông tin, đồng thời làm tăng đáng kể thời gian phơi sáng tối thiểu hiệu quả cho một số ứng dụng.

　　sCMOS chiếu sáng ngược

　　Một số cảm biến sCMOS đời đầu có vấn đề về chất lượng nền và nhiễu, hạn chế việc sử dụng CMOS trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe hơn. Để khắc phục vấn đề này, công nghệ cần được cải thiện với độ nhạy cao hơn. Năm 2016, sCMOS chiếu sáng ngược đã được giới thiệu, cung cấp hiệu suất lượng tử đỉnh (QE) 95% mà không ảnh hưởng đến kích thước điểm ảnh, đồng thời cũng cải thiện chất lượng nền. Hình 4 cho thấy sơ đồ công nghệ sCMOS chiếu sáng ngược, cùng với đường cong QE cho thấy sự khác biệt giữa sCMOS đời đầu và sCMOS chiếu sáng ngược.

Hình 4: Công nghệ sCMOS chiếu sáng phía trước so với công nghệ sCMOS chiếu sáng phía sau. Trên: Cảm biến chiếu sáng phía trước (trái) có QE thấp hơn vì ánh sáng bị phân tán trong các điểm ảnh và dây cảm biến trước khi chiếu vào chất nền silicon. Trong cảm biến chiếu sáng phía sau (phải), ánh sáng chiếu trực tiếp vào cảm biến, tạo ra QE cao hơn. Dưới: So sánh các đường cong QE cho nhiều công nghệ sCMOS chiếu sáng phía trước khác nhau (sớm, sCMOS 72% và 82%) so với công nghệ sCMOS chiếu sáng phía sau (QE của KURO đạt đỉnh ở 95%).

　　Tóm tắt

　　Cảm biến sCMOS tận dụng lợi thế của việc tích hợp mạch hoạt động vào từng điểm ảnh. Điều này cho phép đọc từng điểm ảnh riêng lẻ. Một bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số cũng được gắn vào từng cột, cho phép tốc độ khung hình cao hơn trong khi vẫn duy trì độ nhiễu đọc thấp, trường nhìn rộng và hiệu suất năng lượng cao.

Mặc dù nhiễu thời gian và nhiễu mẫu cố định tăng lên do số lượng mạch hoạt động trên cảm biến tăng lên, công nghệ sCMOS vẫn có nhiều ưu điểm trong nhiều ứng dụng.