Tìm hiểu công nghệ cảm biến CCD và CMOS
Từ trước đến nay đã có rất nhiề bài viết về những ưu điểm của công nghệ cảm biến CMOS so với công nghệ cảm biến CCD, còn trong cuộc sống thường ngày mọi người hầu như chỉ thấy cảm biến CMOS, nhưng dường như cuộc tranh cãi vẫn tiếp tục xoay quanh câu chuyện cảm biến nào tốt hơn. Tuy nhiên trên thực tế câu trả lời lại không dễ dàng bởi câu trả lời còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các khía cạnh được xem xét đến phụ thuộc vào cả kĩ thuật và thị trường, ảnh hưởng đến tính khả thi về kĩ thuật và khả năng thương mại. Các ứng dụng chụp ảnh cũng rất đa dạng, kéo theo sự đa dạng về các yêu cầu kèm theo, có một số ứng dụng thích hợp cho cảm biến CMOS trong khi đó một số ứng dụng khác lại tỏ ra thích hợp với cảm biến CCD hơn. Trong bài viết này, chúng tôi muốn làm rõ vấn đề này trên một số khía cạnh bằng các khảo sát các tình huống khác nhau, cũng như giải thích về các yếu tố phải đánh đổi cũng như xem xét về yếu tố chi phí.
1.Lịch sử phát triển cảm biến CCD và CMOS
Đầu tiên, cảm biến CCD (charge coupled device) và CMOS (complementary metal oxide semiconductor) là hai công nghệ cảm biến khác nhau dùng để chuyển đổi tín hiệu hình ảnh sang dạng ảnh số, mỗi công nghệ cảm biến có những điểm mạnh và điểm yếu khác nhau cho chúng ta những lợi thế trong từng ứng dụng cụ thể khác nhau.
Cả hai công nghệ sensor đều chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu tĩnh điện qua đó xử lý thành tín hiệu số. Trong công nghệ CCD, điện tích ở mỗi pixel được chuyển qua một số rất ít các điểm đầu ra (điểm nốt) sau đó được chuyển thành tín hiệu điện áp, lưu trữ rồi xuất ra khỏi sensor dưới dạng tín hiệu tương tự, tất cả dác điểm ảnh đều được tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng, và tính đồng đều của đầu ra cao hơn (một nhân tố quyết định chất lượng hình ảnh). Còn trong công nghệ CMOS, mỗi điểm ảnh có bộ chuyển đổi điện tích thành điện áp riêng, cảm biến đồng thời bao gồm các bộ khuếch đại, lọc nhiễu, bộ mạch số hóa qua đó tín hiệu đầu ra là tín hiệu dạng số. Những chức năng bao gồm thêm này làm tăng độ phức tạp của thiết kế đồng thời làm giảm diện tích điểm ảnh tiếp xúc với ánh sáng. Khi mỗi điểm ảnh được chuyển đổi một cách riêng rẽ, tính đồng đều của tín hiệu số bị giảm đi, nhưng tín hiệu được xử lý song song cho chúng ta có một tốc độ nhanh hơn.
Cả hai loại CCD và CMOS đều được phát triển từ giai đoạn cuối 1960-1970. Công nghệ CCD ban đầu được sử dụng phổ biến hơn bởi chúng cho chất lượng hình ảnh tốt hơn với công nghê chế tạo sensor ở thời điểm đó. Công nghệ CMOS yêu cầu độ đồng đều của các điểm ảnh cao hơn, và các kích thước nhỏ hơn khả năng cung ứng của các nhà sản xuất bán dẫn ở thời điểm đó. Đến tận giai đoạn 1990, các nhà khoa học mới có thể tạo ra một thiết kế cảm biến CMOS phù hợp. Điều này đã lấy lại sự quan tâm của giới công nghệ dành cho cảm biến CMOS bởi các đặc tính được mong đợi: khả năng tiêu thụ điện thấp, thích hợp cho việc tích hợp camera trên chip, chi phí sản xuất thấp bởi tái sử dụng được các cổng logic và bộ nhớ hiện đang được sản xuất thương mại. Tuy việc cân bằng được các lợi ích này nhưng vẫn cho ra một chất lượng ảnh tốt đòi hỏi rất nhiều sự đầu tư về thời gian, tiền bạc, và nhiều công đoạn hơn trước đây nhưng công nghệ cảm biến CMOS đã trở lại cuộc đua với công nghệ CCD.
2. Sự phổ biến của cảm biến CMOS trong các sản phẩm tiêu dùng
Với đặc tính tiêu thụ điện năng thấp và khả năng tích hợp vào các thiết bị nhỏ, các nhà thiết kế cảm biến CMOS đã tập trung vào lĩnh vực cảm biến chụp ảnh cho điện thoại (lĩnh vực tiêu thụ nhiều cảm biến hình ảnh nhất trên thế giới). Một lượng lớn tiền đầu tư đã được đổ vào để phát triển và cải tiến cảm biến CMOS và lĩnh vực sản xuất cảm biến cMOS. Và thành quả của sự đầu tư đó là chúng ta đã được chứng kiến một sự nhảy vọt về chất lượng hình ảnh, cũng như kích thước điểm ảnh giảm đi nhanh chóng. Qua đó có thể thấy trong lĩnh vực hàng tiêu dùng và camera hàng quét hàng, dựa trên hầu hết các tiêu chí có thể kể đến, công nghệ CMOS đã vượt trội so với công nghệ CCD.
3. Cảm biến CCD và CMOS trong lĩnh vực thị giác máy (xử lý ảnh công nghiệp)
Trong lĩnh vực thị giác máy, cảm biến CMOS dạng diện tích và cảm biến hàng cũng được thừa hưởng những thành quả công nghệ cảm biến máy ảnh điện thoại, qua đó chúng dần thay thế cho cảm biến CCD.
Có thể nói đơn giản trong lĩnh vực thị giác máy hai yếu tố quan trọng nhất để đánh giá là tốc độ và độ nhiễu. Công nghệ CMOS và CCD khác nhau ở cách chuyển đổi tín hiệu từ dạng ánh sáng sang dạng số. Đối với cảm biến CMOS đầu ra của các pixel được thiết kế song song một các tối đa, hạn chế được hiện tượng nghẽn cổ chai giữa cảm biến và phần mạch điện. Tuy được cải tiến, cảm biến CCD tốc độ cao đã có thể có nhiều đầu ra hơn nhưng vẫn không thể sánh được với cảm biến CMOS. Ngoài ra cảm biến CCD với đầu ra tín hiệu điện thế cũng có độ nhiễu cao hơn tín hiệu số của cảm biến CMOS.
4. Tuy nhiên cũng có một số lĩnh vực mà cảm biến CMOS lại không thể vượt trội so với cảm biến CCD
a. Chụp ảnh hồng ngoại: phần lớn các cảm biến CMOS được chế tạo cho các ứng dụng chụp ảnh các ánh sáng trong vùng nhìn thấy, nên cảm biến CMOS không được nhạy so với cảm biến CCD. Nếu chúng ta tăng độ dày của lớp chất nền cảm biến CMOS, chúng ta sẽ tăng được độ nhạy của cảm biến nhưng lại làm giảm khả năng phân giải hình ảnh. Ngược lại, cảm biến CCD lại có thể dễ dàng tăng chiều dày lớp epi mà không ảnh hưởng đến khả năng phận giải hình ảnh. Qua đó cảm biến CCD tỏ ra phù hợp hơn so với cảm biến CMOS.
b. Chụp ảnh với tia cực tím (UV): cả hai cảm biến đều có những điểm bất lợi và cần nhiều biện pháp để cải thiện chất lượng hình ảnh.
5. So sánh chi phí giữa cảm biến CCD và CMOS
a. Đối với các cảm biến cần chế tạo theo yêu cầu đặc biệt: cảm biến CCD có chi phí phát triển rẻ hơn cảm biến CMOS bởi cảm biến CMOS sử dụng các mặt nạ silicon đắt tiền hơn, đồng thời các thiết bị mạch cũng đắt tiền hơn, bởi vậy trong trường hợp cảm biến CMOS tùy biến có thể có khả năng tốt hơn, nhưng đôi khi cảm biển CCD vẫn là lựa chọn tối ưu.
b. Về mặt sản lượng: mặc dù có chi phí phát triển cao hơn nhưng cảm biển CMOS lại có khả năng thương mại cao hơn bởi sản lượng lớn, khi sản lượng lớn, chi phí sản xuất một sản phẩm thấp quan trọng hơn chi phí phát triển thấp, bởi vậy các sản phẩm cảm biến CMOS có giá thành thấp hơn và nhờ đó được ưa chuộng hơn.
c. Khả năng cung ứng và sự đảm bảo cung ứng: sẽ là rất khó khăn khi người sử dụng sản phẩm bị bỏ lại với những cảm biến đã bị ngưng sản xuất, bởi vậy người sử dụng nên có sự cân nhắc lựa chọn nhà cung cấp có khả năng cung cấp dài hạn.
6.Kết luận
Việc lựa chọn cảm biến CCD hay CMOS chưa bao giờ là công việc đơn giản, nó phụ thuộc vào các yêu cầu đề ra, mà mỗi ứng dụng lại có những yêu cầu khác nhau. Chúng ta cần lựa chọn sao cho phù hợp không chỉ về mặt kĩ thuật mà còn cả về giá cả. Bởi vậy rất khó để khẳng định một câu chắc chắn rằng cảm biến CMOS có thực sự tốt hơn cảm biến CCD không.
