Nghiên cứu thiết kế các hệ thống cảm biến cho hệ thống camera tốc độ cao

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 thiế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Nguyễn Chí Dũng

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHO HỆ

THỐNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Nguyễn Hoàng Dũng

Hà Nội – 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Chí Dũng

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHO HỆ

THỐNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Hoàng Dũng

Hà Nội – 2016

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

LỜI CAM ĐOAN 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ CMOS VÀ CCD 14

I Cảm biến hình ảnh 14

1.1 Định nghĩa 14

1.2 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh 15

II Cảm biến CCD và CMOS 18

2.1 Cảm biến CCD [1] 18

2.2 Cảm biến CMOS [2] 26

III So sánh CCD và CMOS 32

CHƯƠNG II CẢM BIẾN CCD CHO CAMERA TỐC ĐỘ CAO – ISIS CCD 36

I Giới thiệu 36

II Cấu hình cảm biến 37

2.1 Cấu trúc tổng thể 37

2.2 Cấu trúc pixel 39

2.3 Vertical Readout và Switching CCDs 41

III Đánh giá ISIS 42

3.1.Đánh giá camera và điều kiện 42

3.2 Tỷ lệ khung hình và khả năng xử lý điện nạp 43

3.3 Đánh giá nhiễu của ISIS-V12 45

3.4 Cải thiện 45

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN PHÁT HIỆN SỰ KIỆN Ở TỐC ĐỘ CAO VÀ ĐỒNG BỘ VỚI ISIS-V16 CAMERA [6] 48

I Cơ sở lý thuyết 48

1.1 Ý tưởng 48

1.2 Cơ sở thực hiện 48

1.3 Công cụ sử dụng 49

1.4 Chỉ tiêu kỹ thuật 50

II Thiết kế hệ thống 50

2.1 Sơ đồ khối hệ thống 50

2.2 Khối cảm biến 50

2.3 Khối điều khiển 53

2.4 Khối hiển thị 64

III Mô phỏng trên Modelsim 64

3.1 Các thông số cơ bản và công cụ để mô phỏng 64

3.2 Tạo trễ 80ns 65

3.3 Tạo trễ 1us 66

3.4 Nguyên nhân gây ra sai số về độ trễ 67

IV Thiết kế mạch phần cứng CPLD EPM240T100C5N TQFP100 67

4.1 Khối nạp 67

4.2 Khối cảm biến và xử lý tương tự 67

4.3 Khối nguồn 67

4.4 Khối hiển thị và vào ra 69

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Chip CMOS và CCD trong thực tế 14

Hình 2 Sơ đồ tổng quan chip CCD 16

Hình 3 Sơ đồ khối cảm biến CCD 16

Hình 4 Sơ đồ khối cảm biến CMOS 17

Hình 5 Cấu tạo chíp CCD 18

Hình 6 Ánh sáng trên bề mặt chip CCD 19

Hình 7 Cấu trúc đơn giản 2 chiều dọc – ngang của chip CCD 19

Hình 8 Cấu trúc cảm biến CCD 21

Hình 9 Hoạt động của cảm biến CCD 21

Hình 10 Electron trong các điện cực 22

Hình 11 Hai dạng cấu trúc cơ bản của CCD 23

Hình 12 (a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCD và (b) Tương quan lấy mẫu đôi 24

Hình 13 Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS 26

Hình 14 Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel 27

Hình 15 Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b) 29

Hình 16 Layout điểm ảnh CMOS điển hình 29

Hình 17 Thiết kế điển hình của CMOS trong camera 32

Hình 18 Xu hướng phát triển của CMOS và CCD 34

Hình 19 Cấu trúc của ISIS – V16 38

Hình 22 Mặt cắt A-A’ của hình 20 39

Hình 22 Sơ đồ của các mạch phía trước 39

Hình 22 Mô phỏng trường điện từ quanh trục X-Z 39

Hình 23 Hoạt động của 2 kênh CCD liền nhau trong 4 phase truyền 41

Hình 24 ISIS-V16 camera thế hệ đầu tiên để đánh giá hiệu năng 42

Hình 27 Quạt điều khiển bằng lase có 200 cánh 43

Hình 27 Một phần cánh quạt được chụp bởi ISIS-V16 camera 43

Hình 27 Mối quan hệ giữa tốc độ bắt hình và sự quay của cánh quạt 43

Hình 28 Bốn ảnh liên tiếp của một xung tạo ra ảnh sáng từ LED (a) truyền thành công và (b) truyền không hiệu quả 44

Hình 29 Mối quan hệ giữa khả năng chứa điện tích tối đa ứng với các tốc độ bắt hình khác nhau 44

Hình 30 Sơ đồ khối hệ thống nhận biết phát hiện sự kiên ở tốc độ cao 49

Hình 31 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng IC INA118 51

Hình 32 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến ánh sáng 51

Hình 33 Sơ đồ luồng dữ liệu của khối tạo trễ 52

Hình 34 Kiến trúc bên trong khối tạo trễ 54

Hình 35 Luồng dữ liệu vào ra của bộ chốt tín hiệu 55

Hình 36 Kiến trúc của bộ chốt tín hiệu 55

Hình 37 Mô phỏng hoạt động của bộ chốt tín hiệu 56

Hình 38 Sơ đồ luồng dữ liệu của bộ tạo trễ 56

Hình 39 Kiến trúc của bộ tạo trễ 57

Hình 40 Sơ đồ luồng dữ liệu vào ra của bộ chia tần số 59

Hình 41 Kiến trúc của bộ chia tần số 10 lần 59

Hình 42 Hoạt động của bộ chia tần số 10 lần 60

Hình 43 Sơ đồ luồng dữ liệu vào ra của bộ tạo chu kỳ trễ 60

Hình 44 Kiến trúc của bộ tạo chu kỳ trễ 61

Hình 45 Sơ đồ luồng dữ liệu của màn hình LCD 16 x 2 62

Hình 46 Sơ đồ nguyên lý mạch mắc màn hình LCD 64

Hình 47 Vị trí các thông số cơ bản và kết quả trong màn hình mô phỏng của Modelsim 65

Hình 48 Kết quả mô phỏng trễ 80ns 66

Hình 49 Kết quả mô phỏng trễ 1 us 66

Hình 50 Khối nạp theo chuẩn JTAG 67

Hình 51 Khối cảm biến và xử lý tương tự 68

Hình 52 Khối nguồn 68

Hình 53 Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị LCD và khối vào ra 69

Hình 54 Sơ đồ mạch 3D sau khi đã thiết kế 69

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Bảng so sánh giữa CCD và CMOS 33

Bảng 2 Thông số kỹ thuật của ISIS-V12 so với ISIS-V16 37

Bảng 3 Bảng mô tả các luồng vào ra 53

Bảng 4 Bảng mô tả các luồng vào ra của bộ chốt tín hiệu 55

Bảng 5 Bảng mô tả luồng vào ra của bộ tạo trễ 57

Bảng 6 Bảng mô tả luồng vào ra của bộ chia tần số 59

Bảng 7 Bảng mô tả luồng dữ liệu vào ra của bộ tạo chu kỳ trễ 61

Bảng 8 Bảng mô tả chân tín hiệu của LCD 63

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của tôi phối hợp cùng với nhóm nghiên cứu, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Hoàng Dũng

Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên Nguyễn Chí Dũng

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan về camera tốc độ cao

Trong cuộc sống, sản xuất hay nghiên cứu, có nhiều sự kiện xảy ra trong thời gian cực kỳ ngắn hoặc các chuyển động với tốc độ rất cao và chúng ta không thể quan sát được bằng mắt thường

Trước đây, phương pháp cổ điển là dùng một máy quay phim ghi lại các hình ảnh

đó và phát chậm lại để quan sát và phân tích Tuy nhiên, các máy quay phim thông thường chỉ đạt tốc độ 24 hình/giây (hệ PAL) hoặc 30 hình/giay (hệ NSTC) do đó nó không thể ghi lại được các chuyển động tốc độ cao và bỏ sót rất nhiều các hình ảnh, sự kiện quan trọng

Từ thực tế đó, hệ thống Camera tốc độ cao được nghiên cứu, phát triển để có thể ghi lại các sự kiện hay các chuyển động với tốc độ cao và phát lại ở tốc độ chậm để quan sát cũng như phân tích tỉ mỉ các chuyển động và các vấn đề liên quan khác

Hiện nay, hệ thống camera tốc độ cao đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất cũng như trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học

2 Ứng dụng của camera tốc độ cao

Hiện nay hệ thống camera tốc độ cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, điển hình như:

- Chẩn đoán và phát hiện sớm các sự cố hỏng hóc máy móc

- Điều chỉnh và giám sát các dây chuyền sản xuất có tốc độ cao như in ấn, đóng gói, v v

- Nghiên cứu cơ sinh học, hóa học, vật lý, v v

- Nghiên cứu và phân tích quá trình cháy nổ, rơi vỡ, đứt gẫy, va chạm, phân tích quỹ đạo v v

- Nghiên cứu đạn đạo, tên lửa, thuốc nổ v v

- Phân tích các chuyển động cao bên trong những chỗ mắt thường không nhìn thấy được như vòi phun nhiên liệu, buồng đốt của động cơ, tuabin v v

- Nghiên cứu và phân tích chuyển động của các dòng chất lỏng

- Nghiên cứu và phân tích các quá trình phun phủ, mối hàn

- Nghiên cứu và phân tích quỹ đạo chuyển động

Chính vì vậy tác giả và nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo sư T G Etoh và TS Nguyễn Hoàng Dũng đã chọn đề tài Nghiên cứu các hệ thống cảm biến cho camera tốc độ cao

Mục đích của đề tài là xây dựng hệ thống cảm biến nhận biết sự kiện xảy ra trong thời gian rất ngắn và đồng bộ với việc bắt hình của camera Định nghĩa, nghiên cứu cấu trúc, phân loại và cách thức hoạt động của các cảm biến, từ đó đề xuất thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện sự kiên ở tốc độ cao và một số kết quả mô phỏng đi kèm

Nội dung của đề tài và các vấn đề cần giải quyết được chia ra thành các phần như sau:

- Chương 1: Công nghệ CMOS và CCD Trong chương này tác giả sẽ đề cập đến khái niệm cũng như phân loại các loại cảm biến hình ảnh Sau đó sẽ đi sâu vào tìm hiểu cấu trúc và ưu nhược điểm của từng loại cảm biến dòng CCD hoặc là CMOS

- Chương 2: Cảm biến CCD cho camera tốc độ cao – ISIS CCD Ở chương hai, tác giả sẽ tập trung toàn bộ vào nghiên cứu cấu trúc của ISIS-CCD Từ đó có thể đánh giá được ISIS-v16 video camera ở phiên bản đầu tiên về hiệu suất của chip CCD tương ứng

- Chương 3: Thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện sự kiện ở tốc độ cao và đồng

bộ bắt hình với ISIS-V16 camera Trong chương này tác giả cùng với nhóm nghiên cứu

sẽ đề xuất thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện sự kiên ở tốc độ cao và một số kết quả

mô phỏng đi kèm Đáng tiếc nhất do thời gian có hạn nên nhóm nghiên cứu chưa thể chuyển thể thiết kế ra thành sản phẩm chế tạo để có thể đánh giá, đo lường kết quả thực

tế khi so sánh với kết quả mô phỏng

Luận văn được thực hiện dưới sự định hướng và hướng dẫn của TS Nguyễn Hoàng Dũng, phối hợp cùng với nhóm gồm các bạn Mai Xuân Hòa và Tào Tuấn Mạnh- sinh viên K56, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện

Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô thuộc Viện Điện tử - Viễn thông đã giúp

đỡ em hoàn thành luận văn

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ CMOS VÀ CCD

Trong chương này tác giả trình bày về định nghĩa và phân loại các cảm biến hình ảnh Các loại cảm biến hình ảnh như CMOS và CCD cũng sẽ được đề cập cụ thể và có

sự so sánh để thấy được ưu nhược điểm của từng loại này

I Cảm biến hình ảnh

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

Hình 1 Chip CMOS và CCD trong thực tế

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)

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

1.2 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 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

Hình 2 Sơ đồ tổng quan chip CCD

Bước tiếp theo là 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 ở góc của một mảng Bộ chuyển đổi ADC sẽ biến giá trị mỗi pixel thành giá trị số tương ứng

Hình 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 CMOS đạt được sự linh hoạt bởi mỗi pixel được đọc giá trị riêng biệt

Hình 4 Sơ đồ khối cảm biến CMOS

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 thường để 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 sáng 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 )

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 sử 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

II Cảm biến CCD và CMOS

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

Hình 5 Cấu tạo chíp CCD

CCD bao gồm một mạng lưới như bàn cờ các điểm bắt sáng (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 6 Ánh sáng trên bề mặt chip CCD

Khi camera hoạt động, ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại tại bề mặt chip thông qua các điểm ảnh 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

Hình 7 Cấu trúc đơn giản 2 chiều dọc – ngang của chip CCD

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 lý ảnh

mà không bị suy giảm chất lượng, do đó quá trình đọc ảnh chỉ qua một lần đổ 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

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 1.5a) 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 1.5b) 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 8 Cấu trúc cảm biến CCD

Hình 9 Hoạt động của 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 8) 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 10 Electron trong các điện cực

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 11a) và CCD chuyển đa dòng (hình 11b)

Hình 11 Hai dạng cấu trúc cơ bản của CCD

Trong CCD chuyền frame, các mảng lưu trữ được thêm vào bên dưới các mảng hình ảnh CCD chuyển đa dòng các mảng lưu trữ là incor-porated và 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 12 (a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCD và (b) Tương quan lấy mẫu đôi

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 bao gồm một khuếch tán dùng ngoài trời 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 1.8a) 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 2.8b 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 hiện 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 (hình 4) Sau khi reset-hủy bỏ nhiễu,tín

hiệu qua transistor trong các transistor đầu ra nguồn-đi theo trở thành nguồn tiếng ồn chi phối.Kết quả sẽ phụ thuộc vào băng thông đo tín hiệu và tỷ lệ readout CCD Giá readout cao hơn yêu cầu băng thông lớn hơn trong các thiết bị điện tử readout và dẫn đến nhiễu readout cao hơn.Hiệu suất tốt nhất 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

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

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 năm

1986 ESA với máy ảnh CCD trên boong tàu vũ trụ Giotto, cũng đến sao chổi 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

2.2 Cảm biến CMOS [2]

2.2.1 Tổng quan CMOS

Hình 13 Cấu trúc cảm biến ảnh 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 14 Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel

CMOS thì khác, 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 (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 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 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 khuếch đại Điều này làm cho các bức ảnh xuất ra luôn có một độ nhiễu nhất định (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

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

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

Hình 16 Layout điểm ảnh CMOS điển hình

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 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 là pinning làm giảm đáng kể khả năng lưu trữ các điểm ảnh và do đó đường truyền cũng hạn chế

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%

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

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 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

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 ảnh kỹ thuật số cho chất lượng hình ảnh cao với nhiều pixel với độ nhạy sáng cao Những cảm biến dùng công nghệ CMOS tiêu thụ năng lượng thấp hơn, độ phân giải thấp hơn

và độ nhạy sáng kém nhưng bên cạnh đó nó dùng được pin lâu hơn vì tiêu thụ năng lượng thấp Ngày nay những máy ảnh kỹ thuật số dùng công nghệ CMOS đã được cải tiến và chất lượng gần đạt được so với CCD

Hình 17 Thiết kế điển hình của CMOS trong camera

có thể phải chịu nhiều nhiễu từ cấu trúc Một cảm biến CMOS cho phép 'windowing' và

đa xem trực tuyến,điều mà không thể được thực hiện với một CCD cảm biến Một cảm

biến CCD thường có một điện áp chuyển đổi mỗi cảm biến, trong khi một bộ cảm biến CMOS có một trên mỗi pixel Đầu đọc nhanh hơn từ một cảm biến CMOS làm cho nó

dễ dàng hơn để sử dụng cho đa-megapixel trong máy ảnh Tiến bộ công nghệ gần đây

đã loại trừ sự khác biệt về độ nhạy sáng giữa một CCD và cảm biến CMOS với một mức giá nhất định

Cảm biến CCD vẫn thường lựa chọn những ứng dụng trong đó chất lượng hình ảnh là những yêu cầu chính

CCD được cải thiện với hiệu suất lượng tử đạt 85% và 16bit dải động

Cảm biến CMOS có giá rẻ hơn nhiều, sản xuất số lượng lớn(hơn 90 %) trong điện thoại di động, đồ chơi, máy ảnh giá rẻ

Những lợi thế khác của bộ cảm biến CMOS là chúng tiêu thụ ít điện hơn và có thể kết hợp những mạch khác trên cùng chip Những tính năng bổ sung của loại chip này

Thành phần Cảm biến + Chip hỗ trợ

quang học + Thành phần quang học

Cảm biến + Chip hỗ trợ quang học

Bảng 1 Bảng so sánh giữa CCD và CMOS

có thể bao gồm bộ chuyển đổi tương tự - số, tính năng điều khiển camera, nén hình ảnh hay chống rung

Tuy nhiên, những mạch bổ sung này sử dụng không gian bình thường được sử dụng cho thiết bị đo sáng Điều này làm cho bộ cảm biến kém nhậy sáng hơn, tạo ra những bức ảnh chất lượng thấp hơn khi chụp ở trong nhà hoặc trong những điều kiện thiếu sáng khác

Hình 18 Xu hướng phát triển của CMOS và CCD Một CCD điển hình tiêu thụ 2 đến 5W , một chip CMOS thường tiêu thụ 20mW

để 50mW

CMOS được phát triển nhanh chóng cũng cho các ứng dụng cao cấp

- Bộ cảm biến CMOS đã đạt độ phân giải 12Mpixel

- Thiết kế cải tiến rút ngắn khoảng cách chất lượng

- Cải thiện “fill-factor” (hệ thống lấp đầy)

Kết luận chương

Trong chương một đã trình bày một cách chi tiết về các loại cảm biến phổ dụng

những ưu nhược điểm khác nhau Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sẽ đi

sâu trình bày chi tiết về loại cảm biến CCD đặc biệt cho camera ở tốc độ cao

CHƯƠNG II CẢM BIẾN CCD CHO CAMERA TỐC ĐỘ

CAO – ISIS CCD

Ở chương này, tác giả xin trình bày về một loại cảm biến CCD đã được phát triển

ở Nhât tại phòng thí nghiệm Hydraulic của Giáo sư T G Etoh Cảm biến ISIS-CCD (In situ Storage Image Sensor) được thiết kế dựa trên cấu trúc đặc biệt khi có thêm phần lưu trữ điểm sáng, hình ảnh trước khi được đọc ra ngoài sensor để khuếch đại tín hiệu

I Giới thiệu

Năm 2001, một cảm biến CCD đã được phát triển với 260x312 pixels có khả năng chụp 103 ảnh liên tiếp tại 1.000.000 frame/s (1Mfps) Cảm biến CCD đó được đặt tên là

“ISIS-V2” (In-situ Storage Image Sensor - Version 2) Bên trong mỗi pixel của cảm biến

có 103 phần tử nhớ được cài đặt; tín hiệu hình ảnh được tạo ra và lưu trữ ngay lập tức ở trong in-situ mà không đọc ra ngoài của cảm biến Bản ghi tốc độc cao cuối cùng có thể được thực hiện bằng cách thực hiện ghi song song tại tất cả các pixel tại cùng thời gian như nhau Sau khi hoàn thành hoạt động chụp ảnh, những tín hiệu hình ảnh được lưu tại mỗi pixel sẽ đọc ra ngoài, sau đó được chuyển tới bộ nhớ đệm bên ngoài cảm biến ảnh

và tái tạo lại như khung ảnh liên tiếp để hiển thị Trong năm 2006, ISIS-V4 đã được phát triển để thu nhận hình ảnh màu, nó có khoảng 300 kpixels (720x410) và khả năng chụp

144 ảnh liên tiếp

Trong năm 2009, thế hệ ISIS-V12 [3] ra đời, mặt sau được chiếu sáng (backside illuminated – BSI), cảm biến ảnh được gắn cấu trúc ISIS và CCM (Charge carrier multiplication) trên mặt trước CCM được kết hợp với cấu trúc BSI cho độ nhạy cực cao

Số điểm ảnh đếm khoảng 200.000 (400x489) ISIS-V12 là một cảm biến nhằm chứng minh tính khả thi kỹ thuật của cấu trúc Tốc độ frame lớn nhất là 250 kfps cho toàn phạm

vi hoạt động và 1 Mfps khi phạm vi hoạt động giảm Tốc độ khung hình có thể được