NGHIÊN cứu THIẾT kế PHẦN CỨNG và lập TRÌNH điều KHIỂN CHO CAMERA tốc độ CAO

Bên trong mỗi điểm ảnh của cảm biến này, 103 bộ nhớ được cài đặt; tín hiệu hình ảnh được lưu trữ tại các vùng nhớ của thiết bị mà không được đọc ngay tại đầu ra của cảm biến.. Cảm biến h

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ~~~~~  ~~~~~

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

CHO CAMERA TỐC ĐỘ CAO

Sinh viên thực hiện: Mai Xuân Hòa

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Giảng viên đánh giá : TS Nguyễn Hoàng Dũng

Họ và tên sinh viên : Mai Xuân Hòa MSSV: 20111569

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Ngày / 06 /2016 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá :

Họ và tên sinh viên : Mai Xuân Hòa MSSV: 20111569

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Ngày / 06 /2016 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU

Một trong những mảng ứng dụng rất có tiềm năng phát triển trong tương lai đó chính là thiết kế tối ưu tốc độ xử lý ảnh của các cảm biến, tiến tới đơn giản hóa các quá trình bắt hình ảnh ở tốc độ cao vẫn thu được những hình ảnh chân thật nhất High-speed camera và các ứng dụng của nó đã đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên hầu hết các lĩnh vực Việc nghiên cứu về việc điều khiển tốc độ thu nhận , xử lý tín hiệu hình ảnh với những cảm biến CCD và CMOS trên nền tảng FPGA đang dần trở nên phổ biến hơn cùng công nghệ ISIS với những phiên bản khác nhau từ V2 đến gần đây nhất là V16

Từ những năm đầu tiên của thế kỉ 21, nhóm nghiên cứu của trường đại học Kinki (Osaka-Japan) đã phát triển một bộ cảm biến ISIS-V2 dựa trên cảm biến CCD với

260 × 312 điểm ảnh có khả năng chụp 103 hình ảnh liên tiếp với khung hình 1M frame/s[1] Bên trong mỗi điểm ảnh của cảm biến này, 103 bộ nhớ được cài đặt; tín hiệu hình ảnh được lưu trữ tại các vùng nhớ của thiết bị mà không được đọc ngay tại đầu ra của cảm biến Việc ghi tốc độ cao cuối cùng được kích hoạt bằng cách lưu trữ tất cả các điểm ảnh cùng một lúc Với những phiên bản về sau V4, V12 hay V16 thì

số lượng hình ảnh chụp được liên tiếp tăng lên cùng với sự mở rộng về khung hình (Đối với ISIS V16 khung hình đã lên tới 16 Mfps [2])

Yêu cầu được đặt ra là phải làm thế nào để tối ưu về mặt tốc độ xử lý hay diện tích của sensor (liên quan đến số phần tử sử dụng) Với sự định hướng của thầy Nguyễn Hoàng Dũng, nhóm đã tiến tới nghiên cứu, kế thừa những kết quả đã đạt được từ ISIS-V12, V16 và phát triển đề tài: “ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO CAMERA TỐC ĐỘ CAO” với mục đích như trên

Cùng với việc thực hiện đề tài này, nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các thầy

cô trong Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy TS.Nguyễn Hoàng Dũng đã tận tình chỉ dẫn các bước, hướng nghiên cứu, thực hiện cũng như yêu cầu cần có của đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài, dựa theo những kết quả đạt được bước đầu, dù

đã rất cố gắng tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế nhất định Vì vậy, nhóm rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô để đề tài được tối

ưu và hoàn thiện hơn Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 06 năm 2016

Nhóm tác giả

là các electron) đã có nhiều cải tiến mới Yêu cầu về việc điều khiển để tăng khả năng bắt được sự kiện hay giảm thiếu số phần tử cần dùng của mạch đòi hỏi sự tính toán phù hợp trong thuật toán cùng với lượng dữ liệu cần xử lý cũng tăng lên Trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày phương pháp điều khiển tốc độ ISIS camera thông qua việc sử dụng HDL trên nền tảng FPGA

ABSTRACT

With a CCD image sensor: In-situ Storage Image Sensor version 16 (ISIS-V16) allows to receive and to process the images at ultra-high speed and very high sensitivity; it is faster than the former version The increase in processing speed, improvement of frames as well as the number of images captured per pixel have posed the quality of images reduced twice when comparing with ISIS-V12; the complexity

of the hardware-architecture and controller signal (for the camera is the electrons) had many new development Increasing the ability of following event or minimizing the number of circuit elements need to use the appropriate calculations in the algorithm when the amount of data processed increases In this report, the group will discuss, research and control ISIS sensor system through using Hardware Design Language based FPGA technology

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU viii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI x

ABSTRACT xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Phân công công việc 2

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ CMOS và CCD 3

1.1 Cảm biến hình ảnh 3

1.1.1 Định nghĩa 3

1.1.2 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh 4

1.2 Cảm biến CCD và CMOS 7

1.2.1 Cảm biến CCD 7

1.2.2 Cảm biến CMOS [4] 15

1.3 So sánh CCD và CMOS 21

1.4 Kết luận chương 23

CHƯƠNG II: CẢM BIẾN CAMERA TỐC ĐỘ CAO ISIS 24

2.1 Giới thiệu 24

2.2 Đặc điểm và cấu hình cảm biến 25

2.2.1 Cấu trúc tổng thể 25

2.2.2 Cấu trúc pixel 27

2.2.3 Cấu trúc mặt cắt ngang 29

2.2.4 Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên trong ISS 30

2.2.4 Đánh giá ISIS và so sánh với các loại cảm biến CCD khác 32

2.3 Kết luận chương 39

CHƯƠNG III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ELECTRONS TRONG ISIS CCD 40

3.1 Hệ thống điều khiển 40

3.1.1 Đường đi của bus điểu khiển trên main board 40

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 41

3.1.3 Khối Decoder 42

3.1.4 Khối Controller 43

3.1.5 Nhóm khối điều khiển VCCD và HCCD 46

3.2 Kết quả mô phỏng 47

3.3 Kết luận chương 51

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 1 54

PHỤ LỤC 2 55

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Chip CMOS và CCD trong thực tế 3

Hình 1 2 Sơ đồ tổng quan chip CCD 5

Hình 1 3 Sơ đồ khối cảm biến CCD 5

Hình 1 4 Sơ đồ khối cảm biến CMOS 6

Hình 1 5 Cấu tạo chip CCD 7

Hình 1 6 Ánh sáng trên bề mặt chip CCD 8

Hình 1 7 Cấu trúc hai chiều ngang- dọc của chip CCD 8

Hình 1 8 Cấu trúc cảm biến CCD 9

Hình 1 9 Hoạt động của cảm biến CCD 10

Hình 1 10 Electron trong các điện cực 11

Hình 1 11 Hai dạng cơ bản của CCD 12

Hình 1 12.(a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCA và (b) Tương quan lấy mẫu 13

Hình 1 13.Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS 15

Hình 1 14 Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel 16

Hình 1 15 Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b) 18

Hình 1 16 Layout của CMOS điển hình 19

Hình 1 17 Xu hướng phát triển của CMOS và CCD 23

Hình 2 1 Cấu trúc mặt của ISIS-V16[6] 26

Hình 2 2 Sơ đồ mặt trước của ISIS camera 27

Hình 2 3 Điện cực trong linear CCD 27

Hình 2 4 Cấu trúc mặt cắt ngang 29

Hình 2 5 Nguyên lý hoạt động của ISIS 30

Hình 2 6 Hoạt động của linear CCD trong kĩ thuật truyền four-phase 31

Hình 2 7 Evaluation Camera 32

Hình 2 8 A 200-blade laser beem chopper 33

Hình 2 9 A blade image captured by the V16 camera 33

Hình 2 10 Frame rate vs movement of blade 33

Hình 2 11 Bốn ảnh liên tiếp của một xung ánh sáng LED 34

Hình 2 12 Qmax vs Frame rate 35

Hình 2 14 Cấu trúc pixel của CCD thông thường 38

Hình 3 1 Block diagram of CCD main board 40

Hình 3 2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 41

Hình 3 3 Tín hiệu trong Decoder 42

Hình 3 4 Tín hiệu trong khối Controller 45

Hình 3 5 Sơ đồ khối kết nối khối điều khiển VCCD 46

Hình 3 6 Sơ đồ kết nối khối điều khiển HCCD 47

Hình 3 7 Kết quả mô phỏng tổng quan 48

Hình 3 8 Mô phỏng chế độ chụp của camera 49

Hình 3 9 Mô phỏng hoạt động readout của ISIS 51

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh giữa CCD và CMOS……… ……… 21

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của ISIS-V12 so với ISIS-V16[6] 25

Bảng 3 1 Chức năng các tín hiệu trong khối decoder ……….43

Bảng 3 2 Trạng thái điều khiển trong khối Controller 44

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CCD Charge-couple device Thiết bị tích điện kép

CMOS Complementary metal oxide

VCCD Vertical charge-couple device Thiết bị tích điện kép dọc

HCCD Horizontal charge-couple device Thiết bị tích điện kép

ngang

VHDL VHSIC Hardware Description

Language

Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHSIC

PHẦN MỞ ĐẦU

Báo cáo sẽ tập trung vào cơ sở lý thuyết, trình bày các 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, giới thiệu ISIS sensor gồm những phiên bản khác nhau đồng thời đưa

ra kiến trúc và phương án tối ưu với ISIS-V16

Nội dung báo cáo được chia thành 3 chương:

o Chương 1: Giới thiệu công nghệ CMOS và CCD Trong chương này nhóm tác giả sẽ đề cập đến khái niệm cũng như phần loại, so sánh các loại cảm biến hình ảnh

o Chương 2: Cảm biến CCD cho camera tốc độ cao Trong chương 2, nhóm sẽ 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

o Chương 3: Phân tích thiết kế phần cứng hệ thống, đưa ra sơ đồ khối tổng quan

hệ thống, đồng thời đưa ra kết quả đã đạt được thông qua mô phỏng và hướng phát triển

Phân công công việc

Từ những mục tiêu và định hướng được đề ra, nhóm đã phân chia công việc giữa các thành viên, để đảm bảo các công việc bị chồng lấn cũng như bị thiếu hụt, đảm bảo tiến độ thực hiện đề tài Trong quá trình phân chia vẫn có sự giúp đỡ lẫn nhau để đảm bảo được chất lượng của công việc

Tìm hiểu chung về cảm biến CCD, CMOS;

cấu trúc, nguyên lý của ISIS CCD Mai Xuân Hòa - Tào Tuấn Mạnh Lập sơ đồ khối chi tiết hệ thống và phân chia

khối+ thực hiện khối Controller bằng VHDL Mai Xuân Hòa - Tào Tuấn Mạnh Thực hiện khối decoder và các khối nhỏ khác Tào Tuấn Mạnh

Lập trình nhóm các khối điều khiển hoạt

Lập trình nhóm các khối điều khiển hoạt

Viết testbench mô phỏng hệ thống Mai Xuân Hòa

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ CMOS và CCD

Trong chương này, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày các khái niệm cơ sở của cảm biến hình ảnh nói chung và công nghệ CMOS và CCD được sử dụng trong camera

mà nhóm nghiên cứu thực hiện điều khiển tín hiệu

1.1 Cảm biến hình ảnh

1.1.1 Định nghĩa

Khi một hình ảnh được chụp bởi một camera, ánh sáng đi qua ống kính và rơi vào cảm biến hình ảnh Các cảm biến hình ảnh bao gồm các yếu tố hình ảnh, cũng gọi là điểm ảnh, các hạt photon của ánh sáng rơi vào cảm biến Chúng chuyển đổi tín hiệu nhận được ánh sáng vào một số electron tương ứng Cường độ ánh sáng càng mạnh, các electron được tạo ra nhiều hơn Các electron được chuyển đổi thành điện

áp và sau đó chuyển sang số qua bộ chuyển đổi ADC Các tín hiệu số được xử lý bằng các mạch điện tử bên trong máy ảnh và các thiết bị điện tử tạo ra hỉnh ảnh ban đầu đã chụp

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)

Hình 1 1 Chip CMOS và CCD trong thực tế

CCD là một trong những công nghệ lâu đời nhất trên máy ảnh số, với chất lượng ảnh chụp vượt trội so với CMOS nhờ có dải tần nhạy sáng và kiểm soát nhiễu tốt hơn 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

Trong lịch sử, 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

1.1.2 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 mộng mảng 2D gồm hàng nghìn, hàng triệu

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

Bước tiếp theo là đọc gái trị tín hiệu điện tai 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 góc của một mảng Bộ chuyển đổi ADC sẽ biến giá trị mỗi pixel thành giá trị số tương ứng

Hình 1 2 Sơ đồ tổng quan chip CCD

Hình 1 3 Sơ đồ khối cảm biến CCD

Trong hầu hết những thiết bị CMOS có vài transistor cho mỗi một pixel và 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

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 thườngđể 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 )

Hình 1 4 Sơ đồ khối cảm biến CMOS

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 sủ 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 Tổng quan 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

CCD bao gồm một mạng lưới như bàn cờ các điểm bắt sang 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 5 Cấu tạo 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 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 hoặc 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

Hình 1.6 Ánh sáng trên bề mặt chip CCD

Hình 1 7 Cấu trúc hai chiều ngang- dọc của chip CCD

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 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

Cảm biến hình ảnh CCD được hình thành từ một mảng điện chạy trực giao để một loạt các kênh truyền điện tích bị cô lập (Hình 1.9) Các điện cực đượcthường được kết nối với nhau trong nhóm hai, ba hoặc bốn giai đoạn Xu hướng của các giai đoạn điện cực tạo ra một mảng của giếng bị cô lập điểm ảnh, thu thập các electron photon tạo ra Sau khi có tiếp xúc, các điện tích hình ảnh được xung hoặc để chuyển giao các

mô hình phụ trách hình ảnh tích hợp xuống mảng lưu trữ tại một thời điểm Các dòng thấp nhất được chuyển vào một thanh ghi readout nối tiếp mà chạy trực giao với các kênh truyền hình khu vực hoặc cột Điều này cho phép mỗi điểm ảnh được đọc tuần

tự ra ngoài qua một bộ khuếch đại phát hiện phụ trách Chuỗi này được lặp đi lặp lại cho đến khi tất cả các dòng hình ảnh đã được đọc (Hình 1.10)

Hình 1 9 Hoạt động của cảm biến CCD

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Các tín hiệu hình ảnh khi được thu nhận từ cảm biến sẽ đi theo hướng mũi tên như Hình 1.10 [3] Các kiến trúc CCD mô tả ở trên thường được gọi là một mảng CCD full-frame, phổ biến nhất cho các ứng dụng hình ảnh khoa học trong không gian

và trên mặt đất thiên văn học Tuy nhiên, một hạn chế rõ ràng là hình ảnh sẽ bị mờ nếu CCD vẫn tiếp xúc trong khi được đọc ra, đặc biệt là nếu khung thời gian readout

là một phần đáng kể thời gian phơi sáng Một giải pháp là để kết hợp một màn trập

cơ khí ở phía trước của CCD để tích hợp hình ảnh có thể được đọc ra trong bóng tối Một giải pháp thay thế là thêm một ánh sáng được che chắn mảng lưu trữ mà các

mô hình tích hợp có thể được chuyển giao nhanh chóng tại sự kết thúc của thời gian tiếp xúc Các mảng lưu trữ sau đó có thể được đọc ra trong khi một hình ảnh mới tích

tụ trong các mảng hình ảnh Có hai dạng cơ bản: CCD chuyển frame (Hình 1.11a) và CCD chuyển đa dòng (hình 1.11b)

Hình 1 10 Electron trong các điện cực

Trong CCD chuyển frame chuyển các mảng lưu trữ được thêm vào bên dưới các mảng hình ảnh Trong CCD chuyển đa dòng các mảng lưu trữ là incor-porated như cột đèn được che chắn liền kề với các cột hình ảnh Hạn chế trong phương pháp này

là độ nhạy giảm một nửa Khoa học còn phát triển CCD TDI dùng khi không đủ ảnh sáng để thu nhận được tín hiệu, cấu trúc của nó là cơ bản giống như một mảng CCD full-frame ngoại trừ các định dạng hình ảnh xy (chiều rộng x thường lớn hơn nhiều y).CCD đã đạt đến việc thu hàng triệu điểm ảnh, hiệu suất lượng tử cao hơn trong một phạm vi rộng quang phổ, nhiễu readout thấp và dải động rộng

Sự ra đời của CCD trong đó thêm một lớp n-type silicon được hình thành ở phía trên cùng của loại chất nền loại p và ngay bên dưới lớp cách điện silicon dioxide Các n-type silicon buộc giếng điện thế hình thành trong chất nền và tránh xa lớp dioxide silicon

Hình 1 11 Hai dạng cơ bản của CCD

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.2.1.3 Sai số (nhiễu ) trong Readout (tín hiệu không mong muốn)

Các mạch đầu ra của một CCD là một bộ khuếch đại phát hiện phụ trách bao gồm một dùng ngoài trời khuếch tán trong đó có một liên kết ký sinh nút điện dung, một transistor reset để nạp điện dung nút và một transistor đầu ra hoạt động theo cảm biến điện áp trên các nút (hình 1.12a) Pixel readout đòi hỏi rằng nút đầu ra điện dung tính trước đến một "thiết lập lại" (Vrd) bởi transistor thiết lập lại "bật" và "tắt" với một xung thiết lập lại (∅r) như minh họa trong hình 1.12b Tín hiệu nạp từ cổng cuối cùng của thanh ghi readout serial (Vg) được chuyển vào nút kết quả đầu ra Các transistor đầu ra sẽ xuất một tín hiệu đầu ra video (Vos).Để loại bỏ nhiễu tại readout,

có một kỹ thuật được gọi là hủy tương quan lấy mẫu đôi (CDS) CDS lấy hai mẫu đầu ra CCD, một trước (S1), và một sau (S2) tín hiệu đã được chuyển vào nút đầu ra

ngày nay CCD giảm nhiễu readout ≈ 6 electron khi đọc tại ≈ 1 MHz, hoặc ít nhất là

≈ 2 electron khi đọc tại ≈ 100 kHz Tỷ lệ khung hình cao readout rõ ràng là để tối đa hóa hiệu quả quan sát Một giải pháp cho những khó khăn này là thêm khuếch đại readout bổ sung cho các mảng CCD như vậy mà một số phần phụ có thể được đọc song song Tỷ lệ readout thấp cho độ nhiễu thấp nhất bây giờ có thể không ảnh hưởng đến hiệu quả quan sát Một lợi ích nữa là các readout thêm bộ khuếch đại cung cấp một mức độ dự phòng trong trường hợp của một lần đọc lỗi của readout không có tín hiệu ra

1.2.1.4 Phạm vi quang phổ

Một sự phát triển của CCD để phát huy tối đa độ nhạy của nó trên dải quang phổ rộng nhất có thể Các CCD đầu tiên là "front-illuminated "đòi hỏi các photon tới xâm nhập qua bán trong suốt điện cực polysilicon để đạt được chất nền cơ bản Thật không may, sự hấp thụ e sâu của silicon một phần lớn của ánh sáng được hấp thụ trong điện cực là màu xanh ( bước sóng ngắn “xanh”) Có nhiều photon có bước sóng dài hơn

"đỏ" và cận hồng ngoại sẽ xâm nhập sâu vào chất nền silicon dưới vùng nghèo Electron từ các photon được tự do trôi dạt sang hai bên trong một khu vực trường tự do với kết quả là độ phân giải hình ảnh bị mờ Một giải pháp là để sản xuất các CCD trên epitaxy silicon trong đó bao gồm một lớp mỏng silicon trên danh nghĩa pha tạp( dày từ 10um-20um) Electron tạo ra trong chất nền với số lượng lớn có khả năng tái hợp trước khi chúng trôi dạt đến vùng deple-tion.Để giải quyết sự thiếu nhạy cảm bước sóng “xanh” và các nhà nghiên cứu các nhà sản xuất bắt đầu phát triển

"back-illuminated" CCD Điều này dựa trên phần lớn các chất nền silicon được loại

bỏ bằng cách thêm hóa chất, và các CCD đang được chiếu sáng thông qua các bề mặt lại chứ không qua polysil

1.2.1.5 CCD trong không gian

Các CCD đầu tiên được bay trong không gian là trên hai tàu thăm dò Vega của Nga ra mắt vào năm 1984 để ghi lại sự hình thành hạt nhân của sao chổi Halley vào

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Halley Các phát triển của CCD cho các ứng dụng không gian có thể được truy trở lại năm 1974 dưới sự tài trợ của NASA, JPL đã tiến hành một chương trình để phát triển mảng CCD largeformat cho các nhiệm vụ Galileo ra mắt vào năm 1989, và HST ra mắt vào năm 1990 Ngày nay, CCD là một cảm biến hình ảnh ưu việt cho cả khoa học không gian trong và ngoài Trái đất

Những nhược điểm của cảm biến CCD là thành phần tương tự đòi hỏi nhiều linh kiện điện tử bên ngoài bộ cảm biến, chúng đắt tiền hơn để sản xuất, và có thể tiêu thụ điện lên đến 100 lần so với cảm biến CMOS Việc tiêu thụ điện tăng có thể dẫn đến các vấn đề nóng trong máy ảnh, mà không chỉ các tác động tiêu cực chất lượng đến hình ảnh, mà còn làm tăng chi phí và tác động môi trường của sản phẩm điện tử

1.2.2 Cảm biến CMOS [4]

1.2.2.1 Tổng quan CMOS

Thông thường, hai loại bóng bán dẫn được sử dụng: Loại P và loại N Hai loại này được kết hợp thành một chất bán dẫn, được gọi là CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Gán cả MOS-FET kênh P và MOS-FET kênh N trên cùng tấm bán dẫn sẽ làm giảm điện năng tiêu thụ và tăng tốc độ hoạt động (Hình 1.13)

Hình 1 13 Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS

Đối với cảm biến CMOS, cạnh mỗi điểm bắt sáng trên chip đều có một mạch

bổ trợ Do đó, người ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh như bộ chuyển đổi

Analog/Digital, cân bằng trắng… vào mạch bổ trợ này, giúp cho quá trình xử lý bức ảnh được thực hiện rất nhanh nhờ được thực hiện ngay tại từng điểm ảnh đơn lẻ Các điểm ảnh đa chức năng này (vì thế ở CMOS thế hệ mới còn được gọi là các điểm ảnh chủ động APS – Active Pixel Sensor) đều có khả năng tự làm việc Điều này được minh họa qua Hình 1.14 Cũng do khả năng này mà người ta có thể chỉ tương tác với một vùng pixel nhất định của chip cảm biến (ví dụ như zoom số, phóng to chỉ một phần của ảnh), điều không thể làm được đối với CCD vì CCD đã đọc là đọc hết toàn

bộ bức ảnh Do khả năng tích hợp cao, bảng mạch chính sẽ không bị mất thêm không gian (vì tất cả đã ở trên chip), không đòi hỏi thêm các chip bổ trợ CMOS lại tiêu thụ rất ít điện năng, việc sản xuất dễ dàng vì quy trình giống như quy trình sản xuất chip máy tính hay các chip trong các thiết bị điều khiển khác, không cần phải đầu tư thêm phòng lab mới giá thành sản xuất theo đó sẽ được giảm đáng kể

Nhưng lợi thế lại trở thành nhược điểm Do mỗi một điểm bắt ảnh trên CMOS

lại có một mạch riêng nên khó có thể đảm bảo tính đồng nhất của mỗi mạch khi

Hình 1 14 Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(không mịn) Nếu như ở CCD, mỗi một điểm ảnh là một mặt bắt sáng khiến cho độ

sáng của CCD cao hơn, dải màu thể hiện được nhiều hơn, độ phân giải cao hơn, thì mỗi một điểm ảnh của CMOS (bao gồm hạt bắt sáng và mạch khuếch đại) khi bắt sáng sẽ có những phần ánh sáng rơi vào vị trí của mạch vì thế sẽ không được tái hiện Điều này làm cho ảnh bị mất thông tin tại những vùng này dẫn đến độ phân giải của CMOS không cao

Sự xuất hiện của công nghệ CMOS cảm biến hình ảnh được cho là phát triển quan trọng trong hình ảnh trạng thái rắn từ các sáng chế của CCD Ngày nay hầu hết các cảm biến CMOS đều là CMOS Active Pixel Sensor (APS), khai thác cùng một công nghệ chip silicon sử dụng trong các hệ thống vi xử lý

Điểm nổi trội chủ yếu do tính chất của công nghệ CMOS trong đó nhiều triệu lions của các transistor có thể được tích hợp trên một mạch silicon duy nhất.Với mỗi photodiode riêng và transistor readout, cùng với tất cả các thiết bị điện tử phụ trợ cần thiết để xử lý các mảng lưu trữ photon, các bộ đệm tín hiệu video tương tự và thậm chí số hóa nó đã sẵn sàng để xử lý, lưu trữ hoặc hiển thị

Cảm biến CMOS, như một mạch CMOS tích hợp hoạt động ở điện áp thấp hơn đáng kể điện áp của CCD, thường là từ 1,8V và 5V tùy thuộc vào từng tiến trình hay cấu trúc riêng của các loại CMOS Việc tích hợp chức năng lớn, quy mô và hoạt động điện áp thấp rõ ràng tối ưu trong thị trường người tiêu dùng về nhu cầu sử dụng pin lâu dài và chi phí sản xuất thấp Như một hệ quả, nhiều máy ảnh kỹ thuật số và điện thoại di động, điện thoại bàn khai thác CMOS thay vì cảm biến CCD

Trong dạng đơn giản nhất các điểm ảnh CMOS APS gồm một photodiode và ba transistor: một photodiode, một cảm nhận điện áp tín hiệu trên photodiode và một để chọn hàng(Hình 1.15a) Một mảng điểm ảnh thường sẽ được giải quyết bằng xy ghi dịch(Hình 1.15b) mặc dù một số triển khai sử dụng bộ giải mã địa chỉ để cho phép điểm ảnh truy cập ngẫu nhiên Các mảng điểm ảnh APS được truy cập một hàng tại một thời gian bằng cách tạo điều kiện cho tất cả các transistor hàng đã chọn trong một hàng duy nhất của điểm ảnh Ở dưới cùng của mảng, điểm ảnh trong hàng được

lựa chọn và đọc ra theo từng cột một Các tín hiệu video có thể được truyền qua một kênh ra một bộ khuếch đại đầu ra tương tự, qua bộ nối tiếp analog-to-digital converter (ADC) hoặc một mảng của ADCs cột song song.

Một nhược điểm của mô hình ba transistor điểm ảnh cơ bản là có nhiễu điểm ảnh trên readout CDS đã được tìm thấy để làm việc với mức độ khác nhau bằng cách lưu trữ một "thiết lập lại" khung ở chế độ tắt trước đó vớ imột tiếp xúc và sau đó loại bỏ

đi nó từ các "tín hiệu" khung readout Để kích hoạt trên chip CDS, các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất đã phát triển bốn-transistor pixels trong đó các transistor mới được sử dụng như là một cổng giữa các photodiode và transistor Hình 1.16 giới thiệu layout của cấu trúc CMOS bốn transistor Khái niệm có nghĩa là ở đầu ra có thể được lấy mẫu sau khi thiết lập lại và trước khi tín hiệu từ các photodiode được bật lên tại đầu ra Điều này dường như tương tự với việc khuếch đại đầu ra CCD nhưng đòi hỏi các photodiode cần được "gắn" vào những thời điểm thích hợp Điều này đảm bảo rằng tất cả các tín hiệu đến được đầu ra và hạn chế nhiễu Những bất lợi của pin photodiode làm giảm đáng kể khả năng lưu trữ các điểm ảnh và do đó đường truyền cũng hạn chế

Hình 1 15 Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.2.2.2 Hiệu suất lượng tử

Hiệu quả của bộ cảm biến CMOS được biểu hiện khi được chiếu sáng ngoài thu được những pixel còn phải giảm "nhân tố bù vào chỗ trống" (fill factor), phần diện tích của điểm ảnh đó thực sự là nhạy cảm với ánh sáng Cách bố trí của một điểm ảnh CMOS điển hình được thể hiện trong hình 6 Trong ví dụ này, các photodiode chiếm chỉ có 19% diện tích pixel (như được xác định bởi các đường đứt nét) nhưng thông thường sẽ mang lại fill factor ≈ 30%

1.2.2.3 Nhiễu readout và phạm vi hoạt động

Một lĩnh vực thứ hai của nghiên cứu là để giảm thiểu nhiễu và tối đa hóa khả năng nạp vào readout , khả năng lưu trữ và tuyến tính Một hạn chế là điện áp xoay chiều tuyến tính mà có thể thu được ngoài vùng ngưỡng transistor trong các CMOS

sử dụng điện áp thấp Phạm vi hoạt động tuyến tính của bộ cảm biến CMOS tốt nhất hiện nay là ≈ 5000, ít hơn đáng kể so với một CCD Một số phương pháp để khắc phục vấn đề bao gồm các khái niệm điểm ảnh và cảm biến cho phép các điểm ảnh riêng để có tiếp xúc trong những giai đoạn khác nhau Những kiến trúc phức tạp hơn :năm, sáu transitor cũng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất Chúng ta có thể

Hình 1 16 Layout của CMOS điển hình

chờ đợi những tiến bộ hơn nữa trong tương lai khi các nhà nghiên cứu thích ứng với khai thác lợi thế của công nghệ CMOS hơn là cố gắng phát triển CCD

1.2.2.4 CMOS trong không gian và ứng dụng

Cảm biến CMOS đã được sử dụng trong không gian, có ứng dụng trong các đường bus vệ tinh, các thiết bị đo đạc như theo dõi ngôi sao và máy ảnh kiểm tra CMOS là chưa có một tác động đáng kể trong khoa học trong khi CCD vẫn chiếm

ưu thế Các lợi thế chính của CMOS so với CCD trong không gian thiết là cấu trúc chắc chắn, điện năng thấp và độ cứng bức xạ Những ảnh hưởng của bức xạ trong CMOS và cảm biến CCD giống nhau ở chỗ cả hai bị bức xạ ion hóa Cảm biến CMOS chắc chắn sẽ đóng một vai trò ngày càng tăng trong không gian thiết bị đo đạc, nhưng ngày nay chúng có nhiều khả năng xuất hiện trong những ứng dụng có kích thước lớn, khối lượng hoặc năng lượng hạn chế, ứng dụng yêu cầu với phương thức hoạt động phức tạp như ngẫu nhiên truy cập pixel, hoặc trong những nhiệm vụ mà thiệt hại bức xạ sẽ ít hơn CCD

Những CMOS nói một cách khác được sản xuất xử lý một cách truyền thống, cũng phương pháp xử lý sản xuất các bộ vi xử lý Bởi vì quá trình sản xuất khác nhau nên những cảm biến CCD và CMOS cũng có một số vấn đề khác nhau:

- Những cảm biến CCD, như đã đề cập ở trên được sản xuất với chất lượng cao

để đạt được độ nhiễu thấp nhất Những cảm biến CMOS được sản xuất bằng phương pháp truyền thống cho chất lượng hình ảnh thấp do bị ảnh hưởng nhiễu cao

- Bởi vì mỗi pixel trong cảm biến CMOS có vài transistor do đó độ nhậy sáng của chip CMOS thấp hơn

- Cảm biến hình ảnh CMOS tiêu thụ năng lượng thấp

- Những cảm biến CCD tiêu thụ nhiều năng lượng trong quá trình xử lý, cảm biến CCD tiêu thụ điện gấp 100 lần so với cảm biến CMOS tương đương Dựa trên những sự khác nhau đó mà có thể xem như bộ cảm biến CCD trong máy