Cảm biến ảnh

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 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:

Dạng ma trận hay mảng (Array), thu nhận trực tiếp ảnh hai chiều, sử dụng trong camera, webcam, máy ảnh kỹ thuật số, kính nhìn đêm (Night vision), kính thiên văn, camera trên vệ tinh viễn thám,...
Dạng dòng đơn (Line) thu nhận từng dòng và thực hiện quét để thu được toàn ảnh, sử dụng trong máy fax, máy scan các kiểu, và máy đo quang phổ.

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		307,200	0.3	Apple QuickTake 100 (1994)
832	608		505,856	0.5	Canon Powershot 600 (1996)
1,024	768		786,432	0.8	Olympus D-300L (1996)
1024	1024	1:1	1,048,576	1.0	Nikon NASA F4 (1991)
1,280	960		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		1,920,000	2	Nikon Coolpix 950, Samsung GT-S3500
2,012	1,324		2,663,888	2.74	Nikon D1
2,048	1,536		3,145,728	3	Canon PowerShot A75, Nikon Coolpix 995
2,272	1,704		3,871,488	4	Olympus Stylus 410, Contax i4R (CCD is actually square 2,272×2,272)
2,464	1,648		4,060,672	4.1	Canon 1D
2,560	1,920		4,915,200	5	Olympus E-1, Sony Cyber-shot DSC-F707, Sony Cyber-shot DSC-F717
2,816	2,112		5,947,392	5.9	Olympus Stylus 600 Digital
3,008	2,000		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		6,291,456	6.3	Canon EOS 10D, Canon EOS 300D
3,072	2,304		7,077,888	7	Olympus FE-210, Canon PowerShot A620
3,456	2,304		7,962,624	8	Canon EOS 350D
3,264	2,448		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		8,185,344	8.2	Canon EOS 30D, Canon EOS-1D Mark II, Canon EOS-1D Mark II N
3,520	2,344		8,250,880	8.25	Canon EOS 20D
3,648	2,736		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		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		10,077,696	10.1	Canon EOS 40D, Canon EOS 400D, Canon EOS 1000D
4,064	2,704		10,989,056	11	Canon EOS-1Ds
4,000	3,000		12,000,000	12	Canon Powershot G9, Fujifilm FinePix S200EXR, Nikon Coolpix L110, Kodak Easyshare Max Z990
4,256	2,832		12,052,992	12.1	Nikon D3, Nikon D3S, Nikon D700, Fujifilm FinePix S5 Pro
4,272	2,848		12,166,656	12.2	Canon EOS 450D
4,032	3,024		12,192,768	12.2	Olympus PEN E-P1
4,288	2,848		12,212,224	12.2	Nikon D2Xs/D2X, Nikon D300, Nikon D300S, Nikon D90, Nikon D5000, Pentax K-x
4,900	2,580		12,642,000	12.6	RED ONE Mysterium
4,368	2,912		12,719,616	12.7	Canon EOS 5D
5,120	2,700		13,824,000	13.8	RED Mysterium-X
7,920 (2,640 × 3)	1,760		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		14,501,888	14.5	Pentax K20D, Pentax K-7
4,752	3,168		15,054,336	15.1	Canon EOS 50D, Canon EOS 500D, Sigma SD1
4,896	3,264		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		16,075,136	16.1	Nikon D7000, Nikon D5100, Pentax K-5
4,992	3,328		16,613,376	16.6	Canon EOS-1Ds Mark II, Canon EOS-1D Mark IV
5,184	3,456		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		18,529,320	18.5	Leica M9
5,616	3,744		21,026,304	21.0	Canon EOS-1Ds Mark III, Canon EOS-5D Mark II
6,048	4,032		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		36,152,320	36.2	Nikon D800, Sony Alpha 7R
7,500	5,000		37,500,000	37.5	Leica S2
7,212	5,142		39,031,344	39.0	Hasselblad H3DII-39
7,216	5,412		39,052,992	39.1	Leica RCD100
7,264	5,440		39,516,160	39.5	Pentax 645D
7,320	5,484		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		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		60,076,848	60.1	Hasselblad H4D-60
8,984	6,732		60,480,288	60.5	Phase One IQ160, Phase One P65+
10,320	7,752		80,000,640	80	Leaf Aptus-II 12, Leaf Aptus-II 12R
10,328	7,760		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*		200,540,928	200.5	Hasselblad H4D-200MS (*actuated multi (6x) shot)
18,000	12,000		216,000,000	216	Better Light Super 6K-HS (line scanner)
24,000	15,990	~	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

^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ New! MSI-360 Digital Camera. Mount Sopris Instruments, 13/02/2020.
^ “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.
^ Digicam history 1997

[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.

[Fossum2014-4] 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

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]