Các kích thước cảm biến trong camera quan sát - cách chọn kích thước cảm biến phù hợp

Cảm biến hình ảnh CMOS có nhiều kích cỡ khác nhau. Nhưng bạn có biết kích thước cảm biến CMOS được đo như thế nào không? Bạn có biết cách chọn kích thước cảm biến phù hợp cho ứng dụng thị giác nhúng của mình không? Đi sâu vào để tìm hiểu những điều này.

Các cảm biến hình ảnh như CMOS đã tăng kích thước đáng kể trong nhiều ngành công nghiệp ngày nay. Và bạn cũng có thể thấy sự khác biệt lớn giữa các thiết kế của cảm biến hình ảnh. Ví dụ, các cảm biến này có nhiều kích cỡ khác nhau. Trên thực tế, kích thước của cảm biến camera được coi là yếu tố quan trọng nhất quyết định hiệu suất tổng thể của camera và chất lượng hình ảnh.

Bây giờ chúng ta hãy đi sâu vào việc so sánh các kích thước cảm biến khác nhau và cách sử dụng phù hợp của chúng trong các ứng dụng hình ảnh nhúng. Trước khi bắt đầu so sánh kích thước cảm biến camera, trước tiên chúng ta hãy tìm hiểu cảm biến CMOS là gì và cách đo kích thước của nó.

Cảm biến CMOS là gì?

CMOS (Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung) là một thiết bị kỹ thuật số để thu ánh sáng và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Nó có một điốt quang và một công tắc bóng bán dẫn cho mỗi pixel. Khi ánh sáng chiếu vào pixel, nó sẽ tạo ra một điện áp tỷ lệ thuận với cường độ. Điện áp được lấy mẫu trực tiếp tại pixel. Có một bộ khuếch đại cho mỗi pixel cho phép các tín hiệu pixel được khuếch đại riêng lẻ, như thể hiện trong hình bên dưới.

Kích thước cảm biến camera có nghĩa là gì? Nó được đo như thế nào?

Cảm biến CMOS thường được chỉ định bởi kích thước vật lý của chúng. Kích thước của cảm biến CMOS xác định diện tích bề mặt thu ánh sáng của cảm biến. Kích thước của cảm biến được xác định bởi độ phân giải và kích thước pixel. Như bạn có thể biết, kích thước của cảm biến thường được đo bằng inch . Định dạng cảm biến hình ảnh đôi khi được gọi là kích thước cảm biến hoặc định dạng quang học.

Giá trị của định dạng quang học là phép nhân gần đúng của chiều dài đường chéo của cảm biến và 3/2.

Định dạng quang học = (3/2) * Đường chéo của cảm biến

Ví dụ: Cảm biến hình ảnh AR1335-CMOS của onsemi có kích thước cảm biến là 4,54×3,42 mm và đường chéo là 5,68 mm. Do đó, định dạng quang học là 5,68*3/2 = 8,52 mm, được biểu thị bằng 1/3,2″.

So sánh kích thước cảm biến CMOS

Bảng dưới đây cho thấy sự so sánh giữa các kích thước cảm biến khác nhau và các hệ số crop tương ứng:

Điều quan trọng cần lưu ý là hệ số crop có liên quan đến tỷ lệ kích thước của cảm biến camera trên khung phim 35 mm.

Hệ số crop = Đường chéo 35 mm  / Cảm biến đường chéo

Cách chọn kích thước cảm biến CMOS phù hợp cho ứng dụng thị giác nhúng

Mỗi ứng dụng có các yêu cầu về kích thước cảm biến khác nhau để tạo ra hình ảnh. Hãy xét đến về các yếu tố được xem xét trong khi chọn một cảm biến có kích thước cụ thể.

- Độ phân giải

Độ phân giải là khả năng của các hệ thống hình ảnh tái tạo chi tiết đối tượng chính xác. Nhiều ứng dụng thị giác nhúng như rô-bốt di động tự hành (AMR) và xe tự lái yêu cầu camera đạt được phép đo độ sâu 3D chính xác. Điều này sẽ đạt được với tính năng độ phân giải cao của camera đó. Chọn cảm biến có kích thước điểm ảnh lớn thì khả năng có độ phân giải cao hơn. Ngoài ra, độ phân giải của ống kính phải phù hợp với kích thước pixel của cảm biến để đạt được hình ảnh chất lượng cao. Camera khá phổ biến độ phân giải 1600 x 1200 pixel thường sử dụng cảm biến lớn hơn với kích thước 1/1.8″, và giờ đây độ phân giải 4K cao cấp sử dụng định dạng cảm biến ảnh 1/1.2″.

- Tốc độ khung hình cao và màn trập toàn cầu

Các ứng dụng thị giác nhúng như nhận dạng biển số xe tự động, nhận dạng cử chỉ, tầm nhìn rô-bốt, máy bay không người lái và AMR yêu cầu tốc độ khung hình cao và các tính năng màn trập toàn cầu – tùy thuộc vào bản chất của ứng dụng cuối. AR0234 từ Onsemi là một trong những cảm biến phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng như vậy. Đó là cảm biến CMOS định dạng quang học 1/2,6″ (Đường chéo 6,8 mm) với kích thước điểm ảnh 3,0 μm x 3,0 μm. Đây là một cảm biến màn trập toàn cầu được sử dụng để chụp nhanh và chính xác các cảnh chuyển động ở 120 khung hình/giây ở độ phân giải đầy đủ.

Ngoài ra, một số kích thước cảm biến khả dụng khác là 1/2,9″ (dành cho cảm biến hình ảnh CMOS OV2311 của Omnivision với kích thước pixel 3,0 μm x 3,0 μm) và 1/3″ (cảm biến hình ảnh kỹ thuật số AR0134 CMOS của Onsemi với mảng pixel hoạt động 1280H x .960V).

- Độ nhạy

Cảm biến lớn có xu hướng có kích thước pixel lớn và điều này cho thấy độ nhạy cao hơn. Để đạt được độ nhạy cao và thiết kế nhỏ gọn, camera công nghiệp thường sử dụng cảm biến hình ảnh CMOS 1/2.8″. Điều này cho phép hiệu suất phát hiện và nhận dạng hình ảnh ở mức cao để cải thiện độ an toàn cho các hệ thống giám sát giao thông, giám sát và thành phố thông minh.

- Lựa chọn ngàm ống kính

Ngàm được sử dụng để gắn ống kính vào thân camera. Việc lựa chọn ngàm phụ thuộc vào kích thước cảm biến. Chẳng hạn, ngàm C, là loại ngàm ống kính dành cho camera thị giác máy, phù hợp với cảm biến 1,5 inch. Ống kính ngàm S, thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, phù hợp với kích thước cảm biến 1/2″, 1/3″ trở xuống.

- Đường kính hình tròn

Camera công nghiệp có thể gặp các sự cố như hiện tượng tối góc của ống kính/độ mờ của ống kính, đây là hiện tượng giảm dần độ sáng hoặc độ bão hòa của hình ảnh từ trung tâm hình ảnh đến bốn góc/cạnh. Điều này xảy ra khi định dạng hình ảnh (hoặc hình tròn) của ống kính quá nhỏ so với kích thước của cảm biến. Vì vậy, để giảm thiểu điều này, đường kính vòng tròn hình ảnh phải vừa hoặc lớn hơn kích thước cảm biến.

-Hiệu suất ánh sáng yếu

Có thể thấy, cảm biến lớn chứa các điểm ảnh lớn hơn, dễ tiếp nhận ánh sáng hơn, do đó nâng cao khả năng chụp ảnh thiếu sáng của camera so với cảm biến nhỏ. Hai trong số các kích thước cảm biến phổ biến được nhắm mục tiêu cho hiệu suất ánh sáng yếu là 1/1,2″ (chẳng hạn như cảm biến hình ảnh CMOS độ phân giải 4K với Sony IMX485) và 35mm toàn khung hình.

Khi công nghệ cảm biến được cải thiện, luôn có trách nhiệm đối với cả cảm biến nhỏ hơn và lớn hơn để có hiệu suất tốt hơn, nhưng thực tế là trong trường hợp này – lớn hơn đồng nghĩa với tốt hơn! Khi tính đến chi phí, cảm biến kích thước lớn đắt hơn đáng kể so với cảm biến nhỏ. 

SURE hy vọng rằng thông tin từ bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ hơn kích thước cảm biến CMOS và cách chọn kích thước cảm biến phù hợp cho ứng dụng của bạn.