CCD (Thiết bị kết hợp sạc) là gì và nó được sử dụng như thế nào?

Để chụp ảnh kỹ thuật số, máy ảnh hiện đại cần thu ánh sáng và chuyển đổi nó thành thông tin kỹ thuật số. Để làm được điều này, máy ảnh sẽ cần một cảm biến ghi lại chính xác và nhanh chóng các photon từ môi trường.

Có thể bạn đã biết về cảm biến CMOS được sử dụng trong điện thoại thông minh và máy ảnh kỹ thuật số tiêu dùng. Nhưng bạn có biết rằng có một loại cảm biến khác cung cấp mức độ chi tiết và dải động cao hơn không? Những cảm biến máy ảnh này được gọi là CCD.

Vì vậy, chính xác thì CCD là gì? Nó hoạt động như thế nào, và nó được sử dụng như thế nào? Hãy cùng bàn về chuyện này.

CCD (Thiết bị kết hợp sạc) là gì?

CCD, hay thiết bị tích điện, là một cảm biến điện tử chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu kỹ thuật số thông qua các điện tích được tạo ra bởi các photon dội lại trên một tấm wafer silicon mỏng.

CCD là tiêu chuẩn vàng cho cảm biến máy ảnh từ đầu những năm 80 cho đến cuối những năm 2000. Điều này là do vào khoảng năm 2010, cảm biến CMOS đã đạt được những cải tiến công nghệ quan trọng giúp sản xuất chúng rẻ hơn dưới dạng hệ thống trên chip (SoC) trong khi có chất lượng hình ảnh tương đương với cảm biến CCD.

Kể từ khi CMOS trở nên phổ biến, người ta hiếm thấy cảm biến CCD trên điện thoại thông minh và máy ảnh trong thập kỷ qua. Tuy nhiên, cảm biến CCD không thực sự lỗi thời. Mặc dù chúng có thể đã bị loại bỏ khỏi thị trường máy ảnh dân dụng, cảm biến CCD vẫn là cảm biến được ưu tiên sử dụng trong một số lĩnh vực nhiếp ảnh.

Ứng Dụng Công Nghệ CCD Trong Nhiếp Ảnh

Bên cạnh việc sản xuất đắt đỏ, CCD còn có những vấn đề khác khiến nó bị loại dần ra khỏi thị trường tiêu dùng. Điều này bao gồm yêu cầu năng lượng cao, gấp 100 lần so với CMOS sẽ sử dụng và xử lý hình ảnh chậm, đây là một vấn đề khi chụp ảnh liên tục và quay video.

Bất chấp tất cả những nhược điểm này, CCD vẫn đang phát triển mạnh trong các ứng dụng khoa học và công nghiệp khác nhau cần thị giác máy. Điều này là do các CCD vẫn cung cấp hình ảnh có độ nhiễu thấp chất lượng cao hơn mà các lĩnh vực nhiếp ảnh chuyên biệt này yêu cầu. Ngoài ra, chi phí mua và vận hành camera CCD không thực sự là vấn đề đối với các tổ chức và doanh nghiệp được tài trợ tốt.

Vì vậy, những lĩnh vực nhiếp ảnh chuyên biệt vẫn sử dụng CCD chính xác là gì? Hãy cùng tìm hiểu dưới đây:

Kính hiển vi quang học

CCD được sử dụng trong các ứng dụng kính hiển vi khác nhau để quan sát thực phẩm, hóa học, kỹ thuật và các ứng dụng khác khi cần có hình ảnh rõ ràng của các vật thể hiển vi. Một CCD được chọn cho kính hiển vi quang học vì nó có thể ghi lại các vật thể có trên 10 pixel với độ nhạy cao và tỷ lệ nhiễu thấp.

Chụp Ảnh Không Gian

Chụp ảnh không gian được thực hiện tốt nhất trên máy ảnh CCD. Điều này là do cảm biến CCD có hiệu suất lượng tử cao nhất, dẫn đến độ nhiễu thấp, dải động cao và tính đồng nhất tốt hơn—tất cả các khía cạnh quan trọng của chụp ảnh không gian.

Hình ảnh cận hồng ngoại

CCD được sử dụng trong các ứng dụng hình ảnh công nghiệp khác nhau, một trong số đó là hình ảnh cận hồng ngoại. Một cảm biến cần phải có khả năng hấp thụ photon hiệu quả cao để thực hiện chụp ảnh cận hồng ngoại, vì các photon hồng ngoại khó nhìn thấy hơn so với các photon nhìn thấy thông thường. Do các CCD cung cấp các cảm biến có độ nhạy cao có thể thu các photon hồng ngoại tốt hơn nên chúng luôn được sử dụng trong các ứng dụng này.

CCD phát triển mạnh trong không gian chụp ảnh khoa học, công nghiệp và y tế chủ yếu nhờ hiệu suất lượng tử cao, hình ảnh nhiễu thấp và mức độ đồng nhất cao. Nhưng chính xác làm thế nào để cảm biến CCD cung cấp chất lượng như vậy? Trước tiên, bạn cần tìm hiểu cách thức hoạt động của các cảm biến CCD để hiểu rõ hơn về điều này.

Hệ thống CCD hoạt động như thế nào?

CCD chỉ là một trong nhiều loại cảm biến máy ảnh. Và cũng giống như các cảm biến máy ảnh khác, CCD thu ánh sáng và chuyển đổi nó thành tín hiệu kỹ thuật số, sau đó được xử lý và hiển thị dưới dạng pixel khi được xem trên màn hình điện tử chẳng hạn như màn hình.

Mặc dù tất cả các cảm biến hình ảnh đều có nhiệm vụ giống nhau là thu tín hiệu tương tự để tạo tín hiệu số, chế độ hoặc quy trình cần thiết để đạt được các nhiệm vụ nói trên sẽ khác với các cảm biến khác.

Để cảm biến CCD có thể chụp ảnh, nó trải qua quy trình năm bước, bắt đầu với chuyển đổi ánh sáng thành điện tích, tích lũy điện tích, truyền điện tích, chuyển đổi điện tích thành điện áp và sau đó là khuếch đại tín hiệu. Chúng ta hãy đi qua quá trình từng bước:

Bước 1: Chuyển đổi ánh sáng thành điện tích

Cảm biến CCD thu ánh sáng bằng cách cho phép các photon (năng lượng từ ánh sáng) bật ra khỏi một tấm wafer silicon mỏng, sau đó giải phóng một electron. Khi đó, một tụ điện nhỏ tích điện dương hoạt động như một cái xô thu thập và lưu trữ các electron được giải phóng. Một đơn vị của tấm wafer silicon mỏng này trên đỉnh của một tụ điện nhỏ được gọi là photosite.

Bước 2 và 3: Tích lũy phí và chuyển phí

Cảm biến CCD tiếp tục thu thập và lưu trữ các điện tử như vậy cho đến khi màn trập máy ảnh đóng lại. Tất cả các electron được lưu trữ từ tụ điện là thứ tạo ra điện tích.

Khi màn trập máy ảnh đóng lại, tất cả điện tích từ các điểm ảnh được chuyển đến một mạch tụ điện cảm giác. Quá trình truyền được thực hiện bằng cách dịch chuyển các điện tích theo chiều ngang đến mép của cảm biến rồi sau đó theo chiều dọc cho đến khi từng điện tích được gửi đến mạch tụ điện cảm biến.

Cảm biến CCD sử dụng cơ chế đăng ký thay đổi này để truyền điện tích, trong khi cảm biến CMOS sử dụng chuyển đổi điện áp cục bộ và khuếch đại tín hiệu. Mặc dù điều này làm cho CMOS trở thành cảm biến nhanh hơn, nhưng nó cũng làm cho đầu ra của chúng khá nhiễu do số lượng lớn các bộ khuếch đại cục bộ tạo ra nhiễu hoặc giả trong ảnh. Ngược lại, một CCD chỉ sử dụng một mạch khuếch đại để khuếch đại tín hiệu.

Một nhược điểm khác của việc sử dụng khuếch đại cục bộ ở tốc độ cao là nó gây ra sự không đồng đều cho hình ảnh. Cảm biến CCD không gặp vấn đề như vậy do quy trình tuyến tính của chúng khi xử lý điện tích trong mỗi photosite.

Bước 4 và 5: Chuyển đổi điện tích thành điện áp và khuếch đại tín hiệu

Các điện tích tương tự được gửi đến tụ điện cảm giác sẽ tự động được chuyển đổi thành điện áp để tạo ra dữ liệu kỹ thuật số thô được sử dụng để tạo hình ảnh. Sau khi chuyển đổi điện tích thành điện áp, tín hiệu kỹ thuật số vẫn còn quá thấp để bộ xử lý sử dụng.

Để tăng tín hiệu kỹ thuật số, bộ khuếch đại tín hiệu được sử dụng. Tín hiệu được khuếch đại này sau đó được gửi đến bộ xử lý hình ảnh, bộ xử lý này sau đó sẽ lắp ráp hình ảnh.

CCD ở đây để ở lại

Từng là tiêu chuẩn vàng cho cảm biến máy ảnh kỹ thuật số, CCD hiện không còn được sử dụng cho người tiêu dùng thông thường. Nhưng với hiệu suất lượng tử cao, hình ảnh nhiễu thấp, dải động cao hơn và tính đồng nhất tuyệt vời, CCD vẫn được sử dụng trong nhiều ứng dụng khoa học và công nghiệp.

Và mặc dù không có khả năng các nhà sản xuất sẽ đưa máy ảnh CCD cấp tiêu dùng trở lại trong tương lai gần, CCD sẽ tiếp tục là một yếu tố chính trong nghiên cứu khoa học.