Công nghệ camera đã tiến bộ theo thời gian, từ những chiếc camera đầu tiên đến những công nghệ camera thực sự hiện đại, có thể mở rộng phạm vi những gì có thể có trong hình ảnh khoa học và cho phép chúng ta nhìn thấy những gì trước đây chưa từng thấy.
Trái tim của camera là cảm biến và các bước liên quan đến việc tạo ra hình ảnh từ photon, electron đến mức xám. Để biết thông tin về cách tạo một hình ảnh, hãy xem bài viết dưới đây để hiểu hơn về các loại cảm biến camera khác nhau và thông số kỹ thuật của chúng, bao gồm: Thiết bị ghép điện tích (CCD), Thiết bị ghép điện tích nhân điện tử (EMCCD), Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS), CMOS chiếu sáng sau
Bước đầu tiên của cảm biến là chuyển đổi các photon ánh sáng thành electron (được gọi là quang điện tử). Các electron có thể bị thu hút bằng cách sử dụng điện áp dương, mang lại khả năng di chuyển các electron xung quanh cảm biến bằng cách đặt một điện áp vào các khu vực nhất định của cảm biến, như trong Hình 1 .
Các electron có thể được di chuyển đến bất kỳ đâu trên cảm biến và thường được di chuyển đến khu vực nơi chúng có thể được khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu số để hiển thị dưới dạng hình ảnh. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra khác nhau ở mỗi loại cảm biến camera.
CCD là camera kỹ thuật số đầu tiên, có mặt từ những năm 1970 để chụp ảnh khoa học. CCD đã được sử dụng tích cực trong nhiều thập kỷ và rất phù hợp với các ứng dụng có cường độ ánh sáng cao như tài liệu tế bào hoặc chụp ảnh các mẫu cố định. Tuy nhiên, công nghệ này còn thiếu độ nhạy và tốc độ, hạn chế số mẫu có sẵn có thể chụp ảnh ở mức chấp nhận được.
Trong CCD, sau khi tiếp xúc với ánh sáng và chuyển đổi photon thành quang điện tử, các electron được di chuyển xuống từng hàng cảm biến cho đến khi chúng đến khu vực không tiếp xúc với ánh sáng, thanh ghi đọc . Sau khi được chuyển vào thanh ghi đọc, các quang điện tử lần lượt được chuyển đến nút đầu ra . Trong nút này, chúng được khuếch đại thành điện áp có thể đọc được, chuyển đổi thành mức xám kỹ thuật số bằng bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) và gửi đến máy tính thông qua phần mềm hình ảnh.
Có các loại cảm biến CCD khác nhau gồm: Cảm biến toàn khung (full-frame), cảm biến truyền khung (frame-transfer) và cảm biến truyền liên dòng (interline-transfer).
Hạn chế của CCD là chúng thiếu tốc độ và độ nhạy, khiến việc thực hiện chụp ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc chụp các mẫu chuyển động trở thành một thách thức.
Việc thiếu tốc độ là do một số yếu tố:
Chỉ có một nút đầu ra cho mỗi cảm biến . Điều này có nghĩa là hàng triệu pixel tín hiệu phải được truyền qua một nút, tạo ra tắc nghẽn và làm chậm camera.
Nếu các electron di chuyển quá nhanh, nó sẽ gây ra lỗi và đọc nhiễu , vì vậy hầu hết các CCD chọn di chuyển các electron chậm hơn tốc độ tối đa để cố gắng giảm nhiễu.
Toàn bộ cảm biến cần phải được xóa tín hiệu điện tử trước khi khung hình tiếp theo có thể được hiển thị
EMCCD lần đầu tiên xuất hiện trong lĩnh vực hình ảnh khoa học vào năm 2000 với Cascade 650 của Photometrics. EMCCD cung cấp hình ảnh nhanh hơn và nhạy hơn CCD, hữu ích cho việc tạo ảnh ánh sáng yếu hoặc thậm chí đếm photon.
EMCCD đã đạt được điều này theo một số cách. Các camera này được chiếu sáng sau (tăng QE lên ~90%) và có điểm ảnh rất lớn (16-24 µm), cả hai đều giúp tăng độ nhạy đáng kể. Tuy nhiên, sự bổ sung quan trọng nhất là EM trong EMCCD: phép nhân electron.
Sự kết hợp giữa các pixel lớn, chiếu sáng ngược và nhân điện tử này làm cho EMCCD cực kỳ nhạy, hơn nhiều so với CCD.
EMCCD cũng nhanh hơn CCD. Trong CCD, các electron được di chuyển xung quanh cảm biến ở tốc độ thấp hơn nhiều so với tốc độ tối đa có thể, bởi vì các electron di chuyển càng nhanh thì độ nhiễu đọc được càng lớn.
Hạn chế của EMCCD là nó gây ra nhiều phức tạp cho camera và dẫn đến một số nhược điểm lớn..
Sự suy giảm hoặc lão hóa của mức tăng EM là một hiện tượng chưa được hiểu đầy đủ nhưng về cơ bản liên quan đến sự tích tụ điện tích trong cảm biến silicon giữa điện cực EM và bộ tách sóng quang. Sự tích tụ điện tích này làm giảm ảnh hưởng của độ lợi EM, do đó độ lợi EM bị suy giảm.
Về cơ bản, EMCCD có tuổi thọ hạn chế và cần phải hiệu chỉnh thường xuyên, dẫn đến việc những camera này cần được sử dụng theo một cách nhất định, hạn chế mức tăng EM có thể được sử dụng trong thử nghiệm mà không làm hỏng camera.
EMCCD có thể làm tăng thêm độ phức tạp và chi phí của camera, đặc biệt nếu cần lắp đặt giàn làm mát bằng chất lỏng cho camera.
Mặc dù công nghệ MOS và CMOS đã tồn tại từ trước CCD (~ những năm 1950), nhưng chỉ đến năm 2009, camera CMOS mới trở nên đủ số lượng để cung cấp hình ảnh khoa học, do đó tại sao camera CMOS dành cho khoa học có thể được gọi là CMOS khoa học hoặc sCMOS .
Công nghệ CMOS khác với CCD và EMCCD, yếu tố chính là tính song song , cảm biến CMOS hoạt động song song và cho phép tốc độ cao hơn nhiều.
Cảm biến CMOS cũng đã được ngành công nghiệp hình ảnh thương mại áp dụng, nghĩa là gần như mọi camera điện thoại thông minh, camera kỹ thuật số hoặc thiết bị chụp ảnh đều sử dụng cảm biến CMOS. Điều này làm cho việc sản xuất những cảm biến này dễ dàng hơn và rẻ hơn, cho phép camera sCMOS có cảm biến lớn và có trường nhìn rộng hơn nhiều so với CCD/EMCCD, đến mức một số camera sCMOS có thể thu được tất cả thông tin từ kính hiển vi.
Hạn chế của CMOS đời đầu không thể cạnh tranh với EMCCD khi nói đến độ nhạy. Khi nói đến khả năng chụp ảnh trong điều kiện ánh sáng cực yếu hoặc nhu cầu về độ nhạy, EMCCD vẫn có lợi thế hơn.
Năm 2016 Photometrics đã phát hành camera CMOS chiếu sáng sau đầu tiên, Prime 95B . Camera CMOS chiếu sáng sau (BI sCMOS) cải thiện đáng kể về độ nhạy so với các sCMOS chiếu sáng trước đời đầu, trong khi vẫn giữ được tất cả các ưu điểm khác của CMOS như tốc độ cao, trường nhìn rộng. Sự kết hợp giữa QE cao hơn nhiều nhờ chiếu sáng sau (lên tới 95%, do đó có tên Prime 95B), cảm biến đơn (không phân chia), kích thước pixel đa dạng hơn và nền sạch hơn, CMOS chiếu sáng sau là tất cả -trong một giải pháp hình ảnh.
Chiếu sáng sau cho phép tăng đáng kể QE của camera trên các bước sóng từ UV đến IR, do cách ánh sáng có thể truy cập vào cảm biến camera. Hình 9 nêu bật sự khác biệt giữa cảm biến camera được chiếu sáng phía trước và được chiếu sáng phía sau.
Mỗi giai đoạn mà ánh sáng đi qua sẽ tán xạ một số ánh sáng, nghĩa là QE của camera chiếu sáng phía trước thường bị giới hạn từ 50-80%, ngay cả với các vi thấu kính đặc biệt để tập trung ánh sáng vào từng pixel. Do có thêm các thiết bị điện tử của cảm biến CMOS (tụ điện và bộ khuếch đại thu nhỏ trên mỗi pixel), thậm chí có thể có nhiều tán xạ hơn.
Bằng cách xoay cảm biến và đưa lớp silicon bộ tách sóng quang ra phía trước (từ 'phía sau'), ánh sáng có khoảng cách di chuyển ngắn hơn và ít bị tán xạ hơn, dẫn đến QE cao hơn nhiều >95%. Trong khi chiếu sáng ngược đã đạt được trước đó với một số CCD và hầu hết EMCCD, thì CMOS phải mất nhiều thời gian hơn do có các thiết bị điện tử phức tạp và độ dày cụ thể của silicon cần thiết để thu được các bước sóng ánh sáng khác nhau. Dù bằng cách nào, kết quả là QE tăng 15-20% ở mức cao nhất và QE 10-15% tăng lên >1000 nm, tăng gấp đôi độ nhạy ở những vùng này. Việc thiếu vi thấu kính cũng mở ra vùng QE mới từ 200-400, rất tốt cho việc chụp ảnh tia cực tím.
BI sCMOS có khả năng thu thập tín hiệu lớn hơn nhiều so với FI sCMOS do tăng QE và loại bỏ các mẫu/tạo tác có nền sạch. Cùng với độ nhiễu đọc thấp, BI sCMOS có thể sánh ngang và vượt trội hơn EMCCD về độ nhạy, đồng thời có tốc độ, độ phân giải cao hơn nhiều và trường nhìn rộng hơn.
Bạn cần báo giá nhanh?
Bạn đã lựa chọn được một vài model cho dự án của mình và đang cần chúng tôi báo giá nhanh? Hãy click vào đây để điền và gửi cho chúng tôi.
