Cảm biến ảnh

Cảm biến ảnh CCD trên một bo mạch tích hợp
Tập tin:A micrograph of the corner of the photosensor array of a 'webcam'.jpeg
Ảnh phóng to góc cảm biến ảnh của một chiếc webcam
Cảm biến ảnh trên bo mạch của chiếc Nikon Coolpix L2 6 MP

Cảm biến ảnh là phần tử cảm biến thực hiện chuyển đổi tín hiệu hình ảnh thành tín hiệu điện.[1][2]

Trong phần lớn các trường hợp sử dụng, tín hiệu điện được số hóa bằng chip ADC nhanh rồi chuyển tới các chip xử lý số khác trong thiết bị số. Chip ADC thường đặt cùng đế với cảm biến ảnh, cho ra dẫn xuất là cảm biến ảnh kỹ thuật số.[3]

Các loại cảm biến ở vùng ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại được sử dụng phổ biến hiện nay là cảm biến CCD (semiconductor charge-coupled devices), CMOS (complementary metal–oxide–semiconductor). Ngoài ra còn có cảm biến ảnh ở vùng phổ tia X, tia gamma.[4]

Cảm biến ảnh được chế ở hai dạng:

Cảm biến dòng đơn còn có biến thể dạng vòng, thu dòng ảnh 360 °, khi dịch chuyển sẽ cho đường ảnh quét toàn cảnh bao quanh đường quét. Sử dụng phần mềm phù hợp và có xác định vị trí thích hợp thì thu được ảnh 360 ° bao quanh, và gọi là 360 Digital Camera. Thiết bị dạng này thường sử dụng trong kiểm tra lỗ khoan địa chất hoăc công trình xây dựng.[5]

CCD và CMOS

Ngày nay, hầu hết các máy ảnh đều sử dụng một trong hai loại cảm biến là CCD và CMOS. Cả CCD và CMOS đều thực hiện một nhiệm vụ giống nhau: biến các tín hiệu ánh sáng thành các tín hiệu điện.

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.[6]

Cảm biến ảnh của các máy ảnh kỹ thuật số

Width (px) Height (px) Aspect ratio Actual pixel count Megapixels Camera examples
100 100
1:1
 10,000 0.01 Kodak (by Steven Sasson) Prototype (1975)
640 480 4:3 aspect ratio 307,200 0.3 Apple QuickTake 100 (1994)
832 608 4:3 aspect ratio 505,856 0.5 Canon Powershot 600 (1996)
1,024 768 4:3 aspect ratio 786,432 0.8 Olympus D-300L (1996)
1024 1024
1:1
 1,048,576 1.0 Nikon NASA F4 (1991)
1,280 960 4:3 aspect ratio 1,228,800 1.3 Fujifilm DS-300 (1997)
1,280 1,024
5:4
 1,310,720 1.3 Fujifilm MX-700, Fujifilm MX-1700 (1999), Leica Digilux (1998), Leica Digilux Zoom (2000)
1,600 1,200 4:3 aspect ratio 1,920,000 2 Nikon Coolpix 950, Samsung GT-S3500
2,012 1,324 3:2 aspect ratio 2,663,888 2.74 Nikon D1
2,048 1,536 4:3 aspect ratio 3,145,728 3 Canon PowerShot A75, Nikon Coolpix 995
2,272 1,704 4:3 aspect ratio 3,871,488 4 Olympus Stylus 410, Contax i4R (CCD is actually square 2,272×2,272)
2,464 1,648 3:2 aspect ratio 4,060,672 4.1 Canon 1D
2,560 1,920 4:3 aspect ratio 4,915,200 5 Olympus E-1, Sony Cyber-shot DSC-F707, Sony Cyber-shot DSC-F717
2,816 2,112 4:3 aspect ratio 5,947,392 5.9 Olympus Stylus 600 Digital
3,008 2,000 3:2 aspect ratio 6,016,000 6 D100, Nikon D40, D50, D70, D70s, Pentax K100D, Konica Minolta Maxxum 7D, Konica Minolta Maxxum 5D, Epson R-D1
3,072 2,048 3:2 aspect ratio 6,291,456 6.3 Canon EOS 10D, Canon EOS 300D
3,072 2,304 4:3 aspect ratio 7,077,888 7 Olympus FE-210, Canon PowerShot A620
3,456 2,304 3:2 aspect ratio 7,962,624 8 Canon EOS 350D
3,264 2,448 4:3 aspect ratio 7,990,272 8 Olympus E-500, Olympus SP-350, Canon PowerShot A720 IS, Nokia 701, HTC Desire HD, Apple iPhone 4S
3,504 2,336 3:2 aspect ratio 8,185,344 8.2 Canon EOS 30D, Canon EOS-1D Mark II, Canon EOS-1D Mark II N
3,520 2,344 3:2 aspect ratio 8,250,880 8.25 Canon EOS 20D
3,648 2,736 4:3 aspect ratio 9,980,928 10 Canon PowerShot G11, Canon PowerShot G12, Canon PowerShot S90, Canon PowerShot S95, Nikon CoolPix P7000, Nikon CoolPix P7100, Olympus E-410, Olympus E-510, Panasonic FZ50, Fujifilm FinePix HS10, Samsung EX1
3,872 2,592 3:2 aspect ratio 10,036,224 10 Nikon D40x, Nikon D60, Nikon D3000, Nikon D200, Nikon D80, Pentax K10D, Pentax K200D, Sony Alpha A100
3,888 2,592 3:2 aspect ratio 10,077,696 10.1 Canon EOS 40D, Canon EOS 400D, Canon EOS 1000D
4,064 2,704 3:2 aspect ratio 10,989,056 11 Canon EOS-1Ds
4,000 3,000 4:3 aspect ratio 12,000,000 12 Canon Powershot G9, Fujifilm FinePix S200EXR, Nikon Coolpix L110, Kodak Easyshare Max Z990
4,256 2,832 3:2 aspect ratio 12,052,992 12.1 Nikon D3, Nikon D3S, Nikon D700, Fujifilm FinePix S5 Pro
4,272 2,848 3:2 aspect ratio 12,166,656 12.2 Canon EOS 450D
4,032 3,024 4:3 aspect ratio 12,192,768 12.2 Olympus PEN E-P1
4,288 2,848 3:2 aspect ratio 12,212,224 12.2 Nikon D2Xs/D2X, Nikon D300, Nikon D300S, Nikon D90, Nikon D5000, Pentax K-x
4,900 2,580 16:9 aspect ratio 12,642,000 12.6 RED ONE Mysterium
4,368 2,912 3:2 aspect ratio 12,719,616 12.7 Canon EOS 5D
5,120 2,700 16:9 aspect ratio 13,824,000 13.8 RED Mysterium-X
7,920 (2,640 × 3) 1,760 3:2 aspect ratio 13,939,200 13.9 Sigma SD14, Sigma DP1 (3 layers of pixels, 4.7 MP per layer, in Foveon X3 sensor)
4,672 3,104 3:2 aspect ratio 14,501,888 14.5 Pentax K20D, Pentax K-7
4,752 3,168 3:2 aspect ratio 15,054,336 15.1 Canon EOS 50D, Canon EOS 500D, Sigma SD1
4,896 3,264 3:2 aspect ratio 15,980,544 16.0 Fujifilm X-Pro1, Fujifilm X-E1 (X-Trans sensor has a different pattern to a Bayer sensor)
4,928 3,262 3:2 aspect ratio 16,075,136 16.1 Nikon D7000, Nikon D5100, Pentax K-5
4,992 3,328 3:2 aspect ratio 16,613,376 16.6 Canon EOS-1Ds Mark II, Canon EOS-1D Mark IV
5,184 3,456 3:2 aspect ratio 17,915,904 17.9 Canon EOS 7D, Canon EOS 60D, Canon EOS 600D, Canon EOS 550D, Canon EOS 650D, Canon EOS 700D
5,270 3,516 3:2 aspect ratio 18,529,320 18.5 Leica M9
5,616 3,744 3:2 aspect ratio 21,026,304 21.0 Canon EOS-1Ds Mark III, Canon EOS-5D Mark II
6,048 4,032 3:2 aspect ratio 24,385,536 24.4 Sony α 850, Sony α 900, Sony Alpha 99, Nikon D3X và Nikon D600
5,140 5,140
1:1
 26,419,600 26.4 Leica S1 (line scanner, 1997)[7]
7,360 4,912 3:2 aspect ratio 36,152,320 36.2 Nikon D800, Sony Alpha 7R
7,500 5,000 3:2 aspect ratio 37,500,000 37.5 Leica S2
7,212 5,142 4:3 aspect ratio 39,031,344 39.0 Hasselblad H3DII-39
7,216 5,412 4:3 aspect ratio 39,052,992 39.1 Leica RCD100
7,264 5,440 4:3 aspect ratio 39,516,160 39.5 Pentax 645D
7,320 5,484 4:3 aspect ratio 40,142,880 40.1 Phase One IQ140
7,728 5,368 ~ 10:7 41,483,904 41.5 Nokia 808 PureView
8,176 6,132 4:3 aspect ratio 50,135,232 50.1 Hasselblad H3DII-50, Hasselblad H4D-50
11,250 5,000 9:4 56,250,000 56.3 Better Light 4000E-HS (scanned)
8,956 6,708 4:3 aspect ratio 60,076,848 60.1 Hasselblad H4D-60
8,984 6,732 4:3 aspect ratio 60,480,288 60.5 Phase One IQ160, Phase One P65+
10,320 7,752 4:3 aspect ratio 80,000,640 80 Leaf Aptus-II 12, Leaf Aptus-II 12R
10,328 7,760 4:3 aspect ratio 80,145,280 80.1 Phase One IQ180
9,372 9,372
1:1
 87,834,384 87.8 Leica RC30 (point scanner)
12,600 10,500
6:5
 132,300,000 132.3 Phase One PowerPhase FX/FX+ (line scanner)
18,000 8,000 9:4 144,000,000 144 Better Light 6000-HS/6000E-HS (line scanner)
21,250 7,500 17:6 159,375,000 159.4 Seitz 6x17 Digital (line scanner)
16,352* 12,264* 4:3 aspect ratio 200,540,928 200.5 Hasselblad H4D-200MS (*actuated multi (6x) shot)
18,000 12,000 4:3 aspect ratio 216,000,000 216 Better Light Super 6K-HS (line scanner)
24,000 15,990 ~ 3:2 aspect ratio 383,760,000 383.8 Better Light Super 8K-HS (line scanner)
30,600 13,600 9:4 416,160,000 416.2 Better Light Super 10K-HS (line scanner)
62,830 7,500 ~ 25:3 471,225,000 471.2 Seitz Roundshot D3 (80 mm lens) (scanned)
62,830 13,500 ~ 5:1 848,205,000 848.2 Seitz Roundshot D3 (110 mm lens) (line scanner)
38,000 38,000
1:1
 1,444,000,000 1,444 Pan-STARRS PS1
157,000 18,000 ~ 26:3 2,826,000,000 2,826 Better Light 300 mm lens Digital (line scanner)

Các công ty sản xuất

Các công ty lớn trong lĩnh vực sản xuất cảm biến ảnh bao gồm:

  • Agilent
  • Aptina (formerly division of Micron Technology)
  • Canesta
  • Canon
  • Caeleste
  • CMOSIS
  • Dalsa
  • Eastman Kodak
  • ESS Technology
  • Fujifilm
  • MagnaChip
  • Matsushita
  • MAZeT GmbH
  • Mitsubishi
  • Nikon
  • OmniVision Technologies
  • ON Semiconductor (formerly Cypress Semiconductor)
  • PixArt Imaging
  • Pixim
  • Samsung
  • Sharp
  • Sony
  • STMicroelectronics
  • Toshiba
  • TowerJazz
  • Town Line Technologies
  • TransChip
  • Trusight
  • Trusense imaging

Tham khảo

  1. ^ Lyon, Richard F. (tháng 8 năm 1981). “The Optical Mouse, and an Architectural Methodology for Smart Digital Sensors” (PDF). Trong H. T. Kung; Robert F. Sproull; Guy L. Steele (biên tập). VLSI Systems and Computations. Computer Science Press. tr. 1–19. doi:10.1007/978-3-642-68402-9_1. ISBN 978-3-642-68404-3.
  2. ^ Cressler, John D. (2017). “Let There Be Light: The Bright World of Photonics”. Silicon Earth: Introduction to Microelectronics and Nanotechnology, Second Edition. CRC Press. tr. 29. ISBN 978-1-351-83020-1.
  3. ^ Sze, Simon Min; Lee, Ming-Kwei (tháng 5 năm 2012). “MOS Capacitor and MOSFET”. Semiconductor Devices: Physics and Technology: International Student Version. John Wiley & Sons. ISBN 9780470537947. Truy cập ngày 6 tháng 10 năm 2019.
  4. ^ Fossum, Eric R.; Hondongwa, D. B. (2014). “A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors”. IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2 (3): 33–43. doi:10.1109/JEDS.2014.2306412.
  5. ^ New! MSI-360 Digital Camera. Mount Sopris Instruments, 13/02/2020.
  6. ^ “Tìm hiểu về cảm biến máy ảnh số - VnReview - Tư vấn Ảnh số”. VnReview.vn. 18 tháng 10 năm 2013. Truy cập 8 tháng 10 năm 2015.
  7. ^ Digicam history 1997