Tìm hiểu Công nghệ chíp cảm biến hình ảnh CCD và CMOS trên Camera quan sát

    Khi  lựa chọn mua camera quan sát, đa số người dùng đều chú ý đến độ phân giải (bao nhiêu TVL hay bao nhiêu Megapixel?) mà quên đi những thông số khác. Thật ra, độ phân giải của camera phụ thuộc hoàn toàn vào chip cảm biến hình ảnh (image sensor). Hiện nay CCD và CMOS là 2 loại công nghệ chip cảm biến hình ảnh đang thống lĩnh thị trường camera quan sát nói riêng và các thiết bị ảnh số khác nói chung. Có thể nói chip cảm biến hình ảnh là thành phần quyết định đến độ nét của hình ảnh, độ nhạy sáng, năng lượng điện tiêu thụ... Vì vậy có thể nói trái tim của một camera nằm trên chip cảm biến hình ảnh.  

     Trước đây, chip cảm biến CMOS được trang bị trong các thiết bị rẻ tiền (điện thoại, camera kỹ thuật số, PDA...) do độ nhạy sáng thấp, hình ảnh thu được không sắc nét... Vì vậy, trong một thời gian dài nó không được các nhà sản xuất camera quan tâm. Trong khi đó, mặc dù đắt tiền hơn so với chip cảm biến CMOS nhưng nhờ khả năng vượt trội về mọi mặt (độ nhạy sáng cao, tái hiện ảnh với độ phân giải lớn, sắc nét...), chip cảm biến CCD được các nhà sản camera phát triển qua hàng loạt và giữ vai trò độc tôn về công nghệ.  Tuy nhiên từ giữa năm 2000 người ta bắt đầu chú ý hơn đến CMOS khi xuất hiện chip cảm biến  đạt 3,2 triệu điểm ảnh và đến đầu năm 2002 sự ra đời của chip cảm biến CMOS 6 triệu điểm ảnh đã làm cho giới công nghệ sửng sốt, thán phục

     Vậy người dùng  nên chọn camera sử dụng chip cảm biến hình ảnh CCD hay CMOS? Hãy cùng nhìn sâu hơn vào nguyên lý làm việc của CCD và CMOS để người dùng có một cái nhìn nhất quán hơn và lựa chọn hợp lý hơn khi chọn mua camera quan sát.

Nhiệm vụ của chip cảm biến là bắt ánh sáng khi cửa trập được mở và chuyển chúng thành các điện tử; sau đó, các điện tử này được chuyển thành điện áp; cuối cùng điện áp chuyển sang dạng tín hiệu số. CCD và CMOS khác nhau chính bắt đầu từ khâu hấp thụ ánh sáng rồi chuyển sang dạng tín hiệu số như thế nào?

     CCD gồm một mạng lưới các điểm bắt sáng được phủ bằng lớp bọc màu (đỏ - red, hoặc xanh lục - green, hoặc xanh dương - blue), mỗi điểm ảnh chỉ bắt một màu. Do đó, khi chụp ảnh (cửa trập mở), ánh sáng qua ống kính và được lưu lại trên bề mặt chíp cảm biến dưới dạng các điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh có một mức điện áp khác nhau sẽ được chuyển đến bộ phận đọc giá trị theo từng hàng. Giá trị mỗi điểm ảnh sẽ được khuếch đại và đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, cuối cùng đổ vào bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp. Chính quá trình đọc thông tin thực hiện theo từng hàng đã làm cho tốc độ xử lý ảnh chậm, rồi thiếu hoặc thừa sáng. Các nhà nghiên cứu đã tính đến việc trang bị thêm bộ đọc ảnh bổ sung xen kẽ vào các điểm bắt sáng để đọc tất cả các thông tin điểm ảnh trong một lần. Nhưng sự cải thiện này đòi 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 đã đắt lại càng thêm đắt..

Sự lọc màu cho 1 điểm bắt sáng ở chip CCD

          Chính cái điều mà các nhà nghiên cứu muốn bổ sung cho CCD thì CMOS lại có sẵn, bởi cạnh mỗi điểm bắt sáng đã có sẵn mạch điện bổ trợ dễ dàng tích hợp ngay quá trình xử lý điểm ảnh. Với cấu trúc này, mỗi điểm ảnh sẽ được xử lý ngay tại chỗ và đồng loạt truyền tín hiệu số về bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp, nên tốc độ xử lý sẽ nhanh hơn rất nhiều. Chip cảm biến CMOS lại tiêu thụ ít năng lượng hơn chip cảm biến CCD, cộng với nhiều yếu tố khác mà giá thành sản xuất chip CMOS thấp. Ở thế hệ đầu của chíp cảm biến CMOS, độ nhiễu tạo ra do việc khuếch đại điểm ảnh là đáng kể, làm cho hình ảnh thu được không mịn. Điểm yếu này đã được cải thiện ở thế hệ sau đó bằng việc đọc hai lần điểm ảnh (lần một đọc giá trị bắt sáng, lần hai đọc giá trị của mạch bỗ trợ; sau đó thực hiện phép trừ) và bằng vi thấu kính làm ánh sáng “rơi” vào đúng vị trí bắt sáng.

        Vậy là ngôi vị độc tôn của CCD giờ đây đang bị đe dọa nghiêm trọng bởi những ưu thế vượt trội của CMOS về độ phân giải, độ mịn, độ nhạy sáng và chi phí sản xuất rẻ.

Tuy nhiên trước sự trỗi dậy mạnh  mẽ của CMOS, CCD cũng không chịu dậm chân tại chỗ bằng việc cho tung ra công nghệ chip CCD mới nhất hiện nay – công nghệ  Effio (Enhanced Features and Fine Image Processor - bộ xử lý làm tăng các đặc tính và độ mịn của ảnh)  của hãng sản xuất chip CCD lừng danh Sony. Ngoài ưu điểm về độ nhạy sáng cao, chống ngược sáng tốt, tỷ lệ S/N cao ( tỷ số này càng lớn thì độ nét của ảnh càng cao) mà nó còn có thế bắt chuyển động nhanh hơn chip CMOS rất nhiều vì thế CCD vẫn được người dùng ưa chuộng hơn trong các giải pháp về nhà xưởng, giao thông, chụp biển số xe...

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của IR-cut filter

và ưu điểm của nó đối với camera chip cảm biến CMOS

Một camera quan sát ngày/đêm cung cấp cho người xem hình ảnh có màu sắc chuẩn vào ban ngày. Vào ban đêm, camera cho hình ảnh đen trắng nhờ có đèn hồng ngoại chiếu sáng và lúc này cảm biến ngừng lọc ánh sáng hồng ngoại. Tuy nhiên vẫn xảy ra hiện tượng nhiễu, nhìn đêm kém và bị quầng sáng, để khắc phục nhược điểm này công nghệ IR-cut đã ra đời.

IR-cut Filter giúp camera quan sát cho hình ảnh sạch hơn, đẹp hơn trong ban ngày đồng thời hình ảnh sáng hơn, trong hơn và tầm nhìn hồng ngoại xa hơn trong ban đêm. Vậy IR-cut là gì mà có những ưu điểm vượt trội như vậy?

IR-cut Filter (IRC) được thiết kế như một màn trập cơ học có thể tháo rời. Nó được đặt giữa ống kính và cảm biến hình ảnh của camera, nó được điều khiển bởi một motor hoặc một nam châm điện. Đầu tiên cảm biến CDS trên board hồng ngoại gửi một tín hiệu đến mạch điều khiển nằm trên board có gắn chip CMOS, mạch này được người ta lập trình sẵn để phân tích tín hiệu từ CDS đồng thời đưa ra lệnh điều khiển IRC đóng/mở.

       Như ta đã biết ánh sáng có thể nhìn thấy được là một phần của quang phổ điện từ được mắt con người có thể nhìn thấy. Bức xạ điện từ trong phạm vi các bước sóng được gọi là nhìn thấy được ánh sáng hay đơn giản là ánh sáng. Mắt người điển hình của có thể nhìn thấy bức xạ điện từ có bước sóng từ khoảng 390-750 nm.

Khi IRC được mở, nó sẽ cản ánh sáng hồng ngoại lại và chỉ cho phép ánh sáng mà mắt người có thể nhìn thấy đi qua cho ta hình ảnh màu sắc trung thực nhất.

Khi IRC đóng, lúc này ánh sáng hồng ngoại mới được phép đi qua và hình ảnh sẽ chuyển sang chế độ đen trắng.

Ở chế độ này cảm biến hình ảnh nhạy hơn với ánh sáng hồng ngoại do cảm biến nhận được trực tiếp toàn bộ ánh sáng mà không bị cản bởi kính lọc cho ảnh ban đêm trong hơn, mịn hơn, rõ ràng hơn. 
     Tuy nhiên với nhược điểm bắt tốc độ chuyển động chậm hơn so với cảm biến hình ảnh CCD, thì camera sử dụng công nghệ CMOS không phải sự lựa chọn tối ưu cho những vị trí cần giám sát có vật di chuyển với tốc độ lớn.
     Qua các phân tích ở trên các bạn đã có thể tự lựa chọn được dòng sản phẩm Camera quan sát nào phù hợp với vị trí và yêu cầu của chính mình hoặc chủ đầu tư rồi. Chúc các bạn sức khỏe và thành công.

Phòng nghiên cứu kỹ thuật ASTECH VIET NAM.