CHƯƠNG 5. CẢM BIẾN HÌNH ẢNH
5.2 Nguyên lý hoạt động
Hình 5.18 Nguyên lý CCD và CMOS
Một cảm biến hình ảnh bao gồm một bảng mạch nhỏ bao gồm các photodiode rất nhạy cảm với ánh sáng, chúng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, mỗi diode khi bị ánh sáng tác động sẽ sản sinh một điện áp tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng nó nhận tác động, khi không có ánh sáng tác động chúng sẽ không tạo ra mức điện áp nào cả lúc này chúng sẽ tạo ra một mức đen, khi có ánh sáng ở mức cao nhất chúng sẽ tạo ra mức đen, khi ánh sáng ở giữa 2 khoảng này thì sẽ tạo được mức xám.
Hay nói cách khác, cảm biến hình ảnh hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện.
Hiệu ứng quang dẫn: khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất), năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời...
Chất bán dẫn:
Có 2 loại bán dẫn là bán dẫn loại P và bán dẫn loại N.
Chất bán dẫn là vật liệu có độ dẫn giữa chất dẫn và chất không dẫn hoặc chất cách điện. Chất bán dẫn có thể là các nguyên tố tinh khiết, chẳng hạn như silicon hoặc gecmani hoặc các hợp chất như gallium arsenide hoặc cadmium selenide. Xét nguyên tử Si có 4e- bề mặt ngoài tạo ra tứ diện, trong tinh thể thì nó thỏa mãn 8e- ở lớp vỏ ngoài mỗi nguyên tử nên chỉ còn một vài e- tự do trôi nổi trong mạng tinh thể, vì vậy nó vẫn có thể dẫn điện nhưng rất khó khăn. Nhưng có một quá trình pha tạp thêm nguyên tố khác vào tinh thể Si để tạo ra độ dẫn điện khác nhau, quá trình này gọi là quá trình Doping.
Hình 5.19 Chất bán dẫn loại N
Khi pha tạp thêm nguyên tố Photpho vào, ta có bán dẫn loại N. Nguyên tố này phù hợp với kết cấu tứ diện nhưng nó cho thêm 1e- bên lớp ngoài, nghĩa là lớp ngoài nguyên tử photpho có 9e-.
Hình 5.20 Bán dẫn loại P
Ngược lại, khi thêm nguyên tố Boron ta sẽ có chất bán dẫn loại P, lớp vỏ bên ngoài nguyên tử Boron có 7e-, vị trí bị thiếu e- gọi là hole. Hole là một không gian thu hút e- tự do.
Khi đặt 2 chất bán dẫn này cạnh nhau, ta có diode P-N, chỉ cho dòng điện chạy theo 1 chiều nhất định mà không cho dòng điện chạy theo chiều ngược lại.
Nếu chúng ta đặt nguồn điện áp lên diode P-N, cực dương (anode) nối với loại P, cực âm (cathode) với loại N, khi đó ta rút được e- từ loại P và cho dòng điện đi qua từ cực âm tới cực dương hay từ loại N tới loại P.
Hình 5.21 Cực âm nối với N, cực dương nối với P
Khi ta đảo ngược lại, nối cực dương với loại N, cực âm với loại P thì loại P đã đang tích e- của loại N, nay lại được thêm e- từ cực âm, đến một ngưỡng nào đó sẽ không nhận thêm e- từ cực âm nữa và đẩy các e- trở lại, không cho dòng điện chay qua diode nữa. Từ đó ta có thể tận dụng hiệu ứng quang điện để chế tạo photodiode.
Ở chất bán dẫn P-N có vùng nghèo và vùng khuếch tán. Vùng nghèo là vùng tiếp giáp giữa bán dẫn loại P và bán dẫn loại N, ở đó e- và hole đã đi về 2 cực, nên nó được gọi là vùng nghèo (depletion region). Vùng khuếch tán là khu vực các e- hoặc các hole đang được khuếch tán sang các nơi có mật độ thấp hơn, chưa đi về 2 cực.
Khi photodiode nhận được photon (thường vào khoảng 190-1100nm), tinh thể Si sẽ hấp thụ nó (ở vùng nghèo hoặc vùng khuếch tán) và tạo ra cặp e- và hole, sau đó e- nhận được khi chiếu sáng sẽ chạy về phía cực dương và hole chạy về phía cực âm do tác động của điện trường. Từ đó ta sẽ đo được cường độ ánh sáng bằng cách đo số e- hay điện áp trên cực dương.
Ngày nay photodiode có dạng bề mặt vuông, chữ nhật hoặc đa giác, kích thước từ 1,4 àm đến hơn 20 àm, cho phộp đạt mật độ cao cỡ mega pixel cho một CCD có diện tích 1 inch vuông. Mật độ pixel xác định độ phân giải hình ảnh.
Nhưng công nghệ vi xử lý đã thực hiện nội suy điểm ảnh đến giới hạn mà độ chính xác của chuyển đổi ánh sáng sang điện tích cho phép, tức là số pixel ảnh xuất ra cao hơn số photodiode của sensor. Nói cách khác, độ phân giải của anh nhận được cao hơn độ phân giải của sensor.