Tiếng Việt
Thiết kế cảm biến Global Shutter: Khi độ chính xác chuyển động là quan trọng nhất
Tạo vào 09.23
Nếu bạn từng thử chụp một vật thể chuyển động nhanh và nhận được một bức ảnh bị biến dạng, méo mó—hoặc thử trích xuất các số đo chính xác từ đoạn phim video chỉ để rồi phát hiện ra các sai số hình học—thì bạn đã gặp phải một trong những hạn chế cơ bản nhất của công nghệ hình ảnh: hiệu ứng màn trập lăn. Đối với nhiếp ảnh bằng điện thoại thông minh hằng ngày và video thông thường, khiếm khuyết này thường không được để ý đến. Nhưng đối với những ứng dụng mà độ chính xác chuyển động là điều không thể thương lượng—hệ thống kiểm tra trong nhà máy, xe tự hành, phòng thu ghi lại chuyển động và nghiên cứu khoa học tốc độ cao—thì đó không chỉ là một vấn đề chất lượng. Đó là một sự thất bại về mặt chức năng.
Đây là lúc thiết kế cảm biến màn trập toàn cục bước vào cuộc chơi. Khác với các cảm biến màn trập lăn vốn ghi lại hình ảnh từng dòng một, cảm biến màn trập toàn cục phơi sáng mọi pixel cùng lúc, đóng băng chuyển động với độ lệch bằng không và bảo toàn độ chính xác hình học thực sự. Tuy nhiên, thiết kế một cảm biến màn trập toàn cục hiệu năng cao không hề đơn giản. Nó đòi hỏi sự đánh đổi cẩn thận giữa độ nhạy, nhiễu, dải động, kích thước pixel và chi phí—những đánh đổi đã thúc đẩy các kỹ sư bán dẫn phải suy nghĩ lại về kiến trúc pixel trong nhiều thập kỷ.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích cách cảm biến màn trập toàn cục hoạt động ở cấp độ thiết kế, lý do tại sao chúng vượt trội so với màn trập cuộn trong các tình huống chuyển động cao, những thách thức kỹ thuật cốt lõi mà các nhà sản xuất phải đối mặt và công nghệ này sẽ đi đến đâu tiếp theo. Cho dù bạn đang chọn một máy ảnh cho hệ thống thị giác công nghiệp, thiết kế một sản phẩm hình ảnh hay chỉ đơn giản là tò mò về những gì diễn ra bên trong một cảm biến có thể đóng băng một viên đạn giữa không trung, hướng dẫn này sẽ đưa bạn qua công nghệ mà không có những lời quảng cáo sáo rỗng.
Nguồn gốc của vấn đề: Màn trập cuộn và biến dạng chuyển động
Để hiểu tại sao thiết kế màn trập toàn cục lại quan trọng, trước tiên bạn cần nắm được lý do vì sao màn trập cuốn tạo ra biến dạng. Gần như mọi điện thoại thông minh tiêu dùng, webcam và máy ảnh đa dụng trên thị trường hiện nay đều sử dụng màn trập cuốn. Đây là phương pháp mặc định cho cảm biến CMOS vì dễ triển khai, mang lại hiệu suất thiếu sáng tuyệt vời và giữ chi phí thấp.
Cách nó hoạt động như sau: khi bắt đầu phơi sáng, cảm biến không kích hoạt tất cả điểm ảnh cùng lúc. Thay vào đó, nó đặt lại và đọc các hàng điểm ảnh tuần tự, hết dòng này đến dòng khác, từ trên xuống dưới (hoặc đôi khi từ dưới lên trên). Toàn bộ quá trình phơi sáng diễn ra nhanh chóng—thường chỉ trong vài mili giây—nhưng không phải tức thời. Với cảnh tĩnh, việc đọc tuần tự này không thể nhận thấy. Hình ảnh trông hoàn toàn bình thường vì không có gì chuyển động giữa lúc hàng đầu tiên và hàng cuối cùng được ghi nhận.
Vấn đề nảy sinh khi có chuyển động tương đối giữa cảm biến và cảnh. Nếu bạn lia máy ảnh nhanh, hoặc nếu một đối tượng di chuyển ngang khung hình với tốc độ cao, các phần khác nhau của đối tượng được ghi lại ở những thời điểm hơi khác nhau. Kết quả là hiệu ứng "thạch" (jello effect) nổi tiếng: các vật thể thẳng đứng trông bị nghiêng, các đường thẳng bị cong, và những cánh quạt quay nhanh trông bị biến dạng một cách kỳ lạ.
Đối với mục đích sử dụng thông thường, điều này chủ yếu gây khó chịu. Đối với các ứng dụng thị giác máy và đo lường, đây là một vấn đề nghiêm trọng. Hãy tưởng tượng một hệ thống thị giác đang kiểm tra các bộ phận trên băng tải di chuyển với tốc độ ba mét mỗi giây. Với màn trập lăn, một bánh răng tròn hoàn hảo sẽ trông như hình bầu dục. Một cạnh thẳng sẽ trông bị xiên. Bất kỳ phép đo kích thước nào được thực hiện từ hình ảnh sẽ vốn đã sai—và chuyển động càng nhanh, sai số càng lớn.
Đây không phải là một vấn đề hiệu chỉnh nhỏ mà bạn có thể khắc phục bằng phần mềm. Mặc dù các thuật toán hiệu chỉnh tính toán có thể giảm thiểu hiện tượng màn trập lăn trong một số trường hợp, chúng hoạt động tốt nhất với chuyển động có thể dự đoán được và không bao giờ có thể khôi phục hoàn toàn độ trung thực hình học đã mất. Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác không gian thực sự, giải pháp đáng tin cậy duy nhất là ghi lại toàn bộ cảnh tại cùng một thời điểm chính xác. Đó chính là tiền đề của màn trập toàn cầu.
Cách hoạt động của cảm biến màn trập toàn cầu: Nguyên lý thiết kế cốt lõi
Ở dạng đơn giản nhất, cảm biến màn trập toàn cục phơi sáng mọi pixel trên toàn bộ mảng cùng một thời điểm chính xác, sau đó đọc chúng ra sau khi quá trình phơi sáng hoàn tất. Về mặt khái niệm, nó tương đương kỹ thuật số với việc màn trập mặt phẳng tiêu cự cơ học mở và đóng trong máy ảnh phim—ngoại trừ tất cả các hoạt động diễn ra bên trong từng pixel.
Thách thức là cảm biến CMOS vốn là các thiết bị tuần tự. Mạch đọc của chúng được thiết kế để xử lý từng hàng một. Để đạt được phơi sáng toàn cục, các nhà thiết kế cảm biến đã phải thêm một thứ mà pixel màn trập lăn không có: một nút lưu trữ trong pixel.
Kiến trúc pixel Global Shutter cổ điển
Trong pixel rolling shutter 4T (bốn transistor) truyền thống, bạn có một photodiode, một cổng truyền, một transistor reset, một source follower và một transistor chọn hàng. Ánh sáng chiếu vào photodiode, tích lũy điện tích tỷ lệ với cường độ ánh sáng. Tại thời điểm đọc, điện tích được truyền đến nút cảm biến, khuếch đại và đọc ra khỏi chip theo từng hàng.
Một pixel màn trập toàn cục thêm ít nhất một transistor nữa và một nút lưu trữ điện tích chuyên dụng bên trong mỗi pixel. Đây là trình tự:
1. Đặt lại toàn cục: Tất cả các pixel trên cảm biến được đặt lại đồng thời, xóa mọi điện tích còn sót lại từ các photodiode.
2. Phơi sáng toàn cục: Tất cả các photodiode tích hợp ánh sáng cùng một lúc, trong cùng một khoảng thời gian. Mỗi pixel thu thập photon từ cùng một cửa sổ thời gian chính xác.
3. Truyền toàn cục: Vào cuối thời gian phơi sáng, tất cả các pixel đồng thời chuyển điện tích tích lũy từ photodiode vào nút lưu trữ trong pixel. Điện tích hiện được giữ an toàn, được che chắn khỏi tiếp xúc ánh sáng thêm.
4. Đọc tuần tự: Sau khi chuyển toàn cục, cảm biến đọc điện tích đã lưu trữ theo từng hàng, giống như màn trập cuốn. Vì điện tích đã được thu thập và cố định trong các nút lưu trữ, việc đọc tuần tự không còn gây biến dạng chuyển động.
Thiết kế này thanh lịch, nhưng phải trả một cái giá. Việc thêm một nút lưu trữ và các transistor bổ sung bên trong mỗi pixel chiếm dụng diện tích silicon quý giá. Trong các cảm biến global shutter thời kỳ đầu, nút lưu trữ và mạch liên quan chiếm một phần lớn diện tích pixel, để lại ít không gian hơn cho photodiode nhạy sáng. Kết quả là hệ số lấp đầy thấp hơn—nghĩa là ít bề mặt pixel thực sự thu nhận ánh sáng hơn—dẫn đến độ nhạy sáng yếu kém hơn và nhiễu cao hơn so với các cảm biến rolling shutter tương đương.
Trong nhiều năm, đây là sự đánh đổi cơ bản: bạn mua được độ chính xác hình học với cái giá là độ nhạy sáng. Và đối với các ứng dụng công nghiệp có thể bổ sung ánh sáng mạnh để bù đắp, đó là một thỏa thuận chấp nhận được. Nhưng khi công nghệ global shutter mở rộng sang các lĩnh vực mới như di chuyển tự động và giám sát ngoài trời, nhu cầu về hiệu suất ánh sáng yếu tốt hơn đã thúc đẩy các nhà thiết kế suy nghĩ lại về pixel.
Những thách thức thiết kế chính trong cảm biến global shutter hiện đại
Chế tạo một cảm biến global shutter tuyệt vời không chỉ là thêm một tụ điện lưu trữ. Các kỹ sư phải cân bằng nhiều ràng buộc cạnh tranh, mỗi ràng buộc đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất thực tế. Hãy cùng xem xét những ràng buộc quan trọng nhất.
Hệ số lấp đầy và độ nhạy sáng
Hệ số lấp đầy—tỷ lệ phần trăm diện tích pixel dành cho photodiode—trước đây vốn là điểm yếu lớn nhất của pixel màn trập toàn cục. Trong pixel màn trập cuộn, gần như toàn bộ pixel có thể được dành cho việc thu nhận ánh sáng. Trong pixel màn trập toàn cục, nút lưu trữ, cổng truyền và các transistor bổ sung chiếm mất không gian đó.
Các cảm biến màn trập toàn cục chiếu sáng mặt trước (FSI) thế hệ đầu thường có hệ số lấp đầy dưới 50%. Điều đó có nghĩa là khoảng một nửa lượng ánh sáng tới bị lãng phí, đập vào dây kim loại và mạch điện thay vì photodiode. Kết quả là hình ảnh trông nhiễu hạt hơn trong điều kiện ánh sáng yếu và cần nhiều ánh sáng hơn để đạt được cùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) như một cảm biến màn trập cuộn tương đương.
Câu trả lời của ngành là chiếu sáng mặt sau (BSI). Bằng cách lật ngược tấm silicon và làm mỏng nó, các nhà sản xuất định tuyến tất cả dây kim loại và bóng bán dẫn ra mặt sau của pixel, để toàn bộ bề mặt trước mở cho ánh sáng. BSI cải thiện đáng kể hệ số lấp đầy—ngay cả đối với các kiến trúc pixel màn trập toàn cục phức tạp. Các cảm biến màn trập toàn cục BSI cao cấp ngày nay đạt được hệ số lấp đầy tương đương với thiết kế màn trập lăn, thu hẹp phần lớn khoảng cách về độ nhạy.
Lưu trữ điện tích và độ nhạy ánh sáng ký sinh
Nút lưu trữ trong điểm ảnh là trái tim của màn trập toàn cục, nhưng nó lại đưa ra một vấn đề: độ nhạy sáng ký sinh (PLS). Lý tưởng nhất, một khi điện tích được chuyển vào nút lưu trữ, nó phải hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ ánh sáng bổ sung nào chiếu vào điểm ảnh trong quá trình đọc. Trên thực tế, bản thân nút lưu trữ có phần nhạy cảm với ánh sáng. Nếu ánh sáng mạnh chiếu vào điểm ảnh trong giai đoạn đọc, các photon lạc có thể tạo ra điện tích thừa trong nút lưu trữ, làm hỏng tín hiệu đã ghi nhận và gây ra các hiện tượng giả trên hình ảnh như bóng ma hoặc vệt nhòe.
Điều này đặc biệt gây vấn đề đối với các cảnh có dải động cao hoặc vùng sáng chói mạnh—hãy nghĩ đến ánh sáng mặt trời phản chiếu lấp lánh trên các bộ phận kim loại trên dây chuyền sản xuất trong nhà máy. Các nhà thiết kế giảm thiểu PLS theo nhiều cách. Một số quy trình sử dụng các lớp kim loại che sáng được đặt trực tiếp phía trên nút lưu trữ để chặn các photon đi vào. Những quy trình khác tối ưu hóa cấu trúc pha tạp của silicon để cô lập vùng lưu trữ hiệu quả hơn. Các quy trình BSI tiên tiến cũng đã giúp ích, vì các cấu trúc lưu trữ nằm ở mặt sau của chip, xa hơn khỏi đường đi của ánh sáng tới.
Giảm PLS là một trong những lĩnh vực nghiên cứu cảm biến global shutter tích cực nhất, vì nó trực tiếp hạn chế tính hữu dụng của công nghệ này trong môi trường ngoài trời có độ sáng cao.
Nhiễu đọc và dải động
Các pixel màn trập toàn cục trước đây thường có nhiễu đọc cao hơn so với thiết kế màn trập lăn. Bước truyền thêm—di chuyển điện tích từ photodiode đến nút lưu trữ, rồi từ nút lưu trữ đến nút cảm biến—tạo thêm nhiễu tại mỗi giao diện. Các transistor bổ sung trong đường tín hiệu cũng góp phần làm tăng mức nhiễu nền.
Đối với các ứng dụng tốc độ cao khi thời gian phơi sáng rất ngắn, nhiễu đọc trở thành yếu tố chi phối. Nếu bạn đang chụp phơi sáng ở thang micro giây của máy móc chuyển động nhanh, từng electron nhiễu đọc đều quan trọng.
Những cải tiến trong thiết kế hiện đại đã thu hẹp đáng kể khoảng cách này. Các nút quy trình nhỏ hơn (65nm, 45nm và thấp hơn) cho phép thiết kế transistor sạch hơn và mạch điện có nhiễu thấp hơn. Các kỹ thuật lấy mẫu kép tương quan (CDS), được áp dụng cả ở cấp độ pixel và trên giao diện tương tự phía trước, loại bỏ nhiễu đặt lại và nhiễu mẫu cố định. Một số kiến trúc cảm biến mới hơn cũng triển khai pixel khuếch đại kép hoặc khuếch đại đa chuyển đổi, mang lại nhiễu thấp hơn ở mức ánh sáng yếu và dung lượng giếng đầy đủ cao hơn ở mức sáng, nâng cao dải động tổng thể.
Tốc độ khung hình và thông lượng dữ liệu
Một trong những ưu điểm lớn của cảm biến màn trập toàn cục là khả năng chạy ở tốc độ khung hình cực cao. Vì quá trình phơi sáng và đọc dữ liệu có thể được thực hiện theo đường ống—trong khi một khung hình đang được đọc ra khỏi bộ lưu trữ, khung hình tiếp theo đã có thể đang tích hợp trong các photodiode—cảm biến màn trập toàn cục có thể đạt được hàng nghìn khung hình mỗi giây trong một số cấu hình nhất định.
Nhưng tốc độ khung hình cao tạo ra những thách thức lớn về thông lượng dữ liệu. Cảm biến 5 megapixel chạy ở 240 khung hình mỗi giây đang tạo ra hơn một gigapixel dữ liệu mỗi giây. Việc đưa dữ liệu đó ra khỏi cảm biến, đi qua bộ xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP) và vào bộ nhớ đòi hỏi các thiết kế giao diện tốc độ cao—LVDS, MIPI CSI-2 với nhiều làn, hoặc thậm chí các giao diện song song tốc độ cao độc quyền.
Các nhà thiết kế cảm biến phải lập kế hoạch cẩn thận kiến trúc I/O, vị trí đặt ADC trên chip và phân phối nguồn điện để hỗ trợ các tốc độ này mà không gây ra nhiễu hoặc vấn đề nhiệt. Nhiệt là mối quan tâm đặc biệt: chạy cảm biến ở tốc độ tối đa trong thời gian dài làm tăng nhiệt độ chip, từ đó làm tăng dòng tối và nhiễu.
Tính đồng nhất và Hiệu chuẩn
Với nhiều thành phần hơn bên trong mỗi pixel, cảm biến global shutter dễ bị ảnh hưởng bởi sự không đồng nhất giữa các pixel. Sự biến đổi về điện dung nút lưu trữ, hiệu suất cổng chuyển và đặc tính transistor có thể tạo ra nhiễu mẫu cố định khó sửa hơn so với thiết kế rolling shutter.
Các cảm biến global shutter công nghiệp chất lượng cao trải qua quá trình hiệu chuẩn tại nhà máy rộng rãi, với các hệ số hiệu chỉnh cho từng pixel được lưu trữ trên chip. Nhưng thiết kế tốt bắt đầu từ kiểm soát quy trình—giảm thiểu sự biến đổi trên toàn bộ wafer để việc hiệu chuẩn có ít việc phải làm hơn. Đây là một lý do tại sao các cảm biến global shutter cao cấp có giá cao đáng kể so với các linh kiện rolling shutter cấp tiêu dùng.
Khi Độ Chính Xác Chuyển Động Là Không Thể Thương Lượng: Các Ứng Dụng Chính
Công nghệ global shutter không dành cho mọi trường hợp sử dụng. Đối với nhiếp ảnh tĩnh, video trực tuyến và hầu hết các ứng dụng tiêu dùng, cảm biến rolling shutter mang lại chất lượng hình ảnh tốt hơn trên mỗi đô la. Nhưng có một số lĩnh vực mà global shutter không chỉ tốt hơn—mà còn là yêu cầu bắt buộc.
Kiểm Tra Công Nghiệp Tốc Độ Cao và Đo Lường
Đây là thị trường nguyên bản và vẫn lớn nhất cho cảm biến màn trập toàn cục. Các hệ thống thị giác tự động hóa nhà máy kiểm tra các bộ phận khi chúng lao qua trên băng tải, thường với tốc độ vài mét mỗi giây. Màn trập cuộn sẽ làm xiên mọi phép đo, khiến việc đo kích thước, kiểm tra căn chỉnh và phát hiện khuyết tật trở nên không đáng tin cậy.
Ngược lại, cảm biến màn trập toàn cục chụp ảnh nhanh không biến dạng của bộ phận tại một thời điểm chính xác. Kết hợp với đèn LED xung hoặc đèn laser nhấp nháy được đồng bộ hóa với thời gian phơi sáng, chúng có thể đóng băng chuyển động hoàn toàn ngay cả ở tốc độ dây chuyền sản xuất. Điều này rất quan trọng đối với các ngành như sản xuất linh kiện ô tô, lắp ráp điện tử (xác minh đặt linh kiện SMT) và kiểm tra bao bì, nơi yêu cầu độ chính xác đến micromet.
Ghi lại chuyển động và Cơ sinh học
Trong sản xuất phim và trò chơi, các hệ thống ghi lại chuyển động quang học theo dõi các điểm đánh dấu phản chiếu được gắn trên diễn viên để ghi lại chuyển động. Những điểm đánh dấu này di chuyển nhanh chóng trong không gian 3D, và hệ thống tính toán vị trí của chúng bằng cách tam giác hóa từ nhiều camera. Nếu mỗi camera nhìn thấy một phiên bản hơi lệch của điểm đánh dấu do hiệu ứng rolling shutter, việc tái tạo 3D sẽ chứa sai số.
Các studio ghi lại chuyển động cao cấp đã sử dụng camera global shutter trong nhiều thập kỷ. Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho nghiên cứu cơ sinh học, khoa học thể thao và phân tích dáng đi, nơi các nhà nghiên cứu cần đo lường chính xác các góc khớp, vận tốc chi và lực tác động. Ngay cả một biến dạng hình học nhỏ cũng có thể làm sai lệch tính toán lực và vô hiệu hóa dữ liệu nghiên cứu.
Xe tự hành và Robot di động
Xe tự lái, robot giao hàng và AGV (xe tự hành có hướng dẫn) dựa vào camera để cảm nhận thế giới xung quanh. Cả xe và các vật thể khác trên đường đều chuyển động liên tục. Màn trập lăn có thể làm sai lệch vị trí cảm nhận của người đi bộ, các phương tiện khác và vạch kẻ làn đường—đặc biệt là trong quá trình tăng tốc, phanh hoặc đánh lái nhanh.
Trong khi camera màn trập lăn vẫn còn phổ biến trong nhiều hệ thống ADAS ngày nay, xu hướng chuyển dịch sang các cấp độ tự chủ cao hơn đang thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi hơn các cảm biến màn trập toàn cục, đặc biệt cho các ứng dụng như nhận dạng biển báo giao thông, ước lượng độ sâu và hợp nhất cảm biến với LiDAR. Khi xe di chuyển ở tốc độ đường cao tốc, sự khác biệt giữa vị trí thực của một pixel và vị trí bị lệch của nó có thể dẫn đến sai số vài centimet trong thế giới thực—đủ để gây ảnh hưởng đối với các hệ thống quan trọng về an toàn.
Hình ảnh khoa học và quốc phòng tốc độ cao
Các nhà nghiên cứu nghiên cứu tác động đạn đạo, động lực học chất lưu, quá trình cháy và sự phá hủy vật liệu cần ghi lại các sự kiện xảy ra trong micro giây. Cảm biến màn trập toàn cục kết hợp với chiếu sáng xung có thể đóng băng những sự kiện siêu nhanh này với độ rõ nét hình học hoàn hảo.
Trong lĩnh vực quốc phòng và hàng không vũ trụ, cảm biến global shutter được sử dụng trong điều hướng drone, đầu dò tên lửa và hệ thống theo dõi mục tiêu, nơi chuyển động cực mạnh và độ chính xác là yếu tố sống còn.
Thực tế tăng cường và thực tế ảo (AR/VR)
Kính AR và VR sử dụng camera để theo dõi từ trong ra ngoài, theo dõi bàn tay và video xuyên thấu. Đầu của người dùng liên tục chuyển động, thường là rất nhanh. Màn trập lăn sẽ gây ra hiện tượng rung và trôi trong giải pháp theo dõi, dẫn đến say chuyển động và trải nghiệm người dùng kém. Cảm biến màn trập toàn cục mang lại các khung hình ổn định, nhất quán về mặt hình học, cho phép các thuật toán theo dõi tính toán vị trí và hướng với độ chính xác cao hơn nhiều.
Đây là một trong những phân khúc phát triển nhanh nhất của công nghệ màn trập toàn cục, được thúc đẩy bởi nhu cầu của thị trường VR/AR tiêu dùng đối với tai nghe nhẹ hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn và hiệu suất cao hơn.
Những đổi mới gần đây thúc đẩy hiệu suất màn trập toàn cục
Bối cảnh cảm biến màn trập toàn cục đã phát triển nhanh hơn trong năm năm qua so với hai thập kỷ trước đó. Một số đổi mới quan trọng đang đẩy hiệu suất lên tầm cao mới đồng thời giảm chi phí.
Màn trập toàn cục chiếu sáng mặt sau (BSI GS)
Như đã đề cập trước đó, BSI đã mang tính cách mạng cho thiết kế global shutter. Bằng cách chuyển toàn bộ mạch điện ra mặt sau của pixel, BSI gần như loại bỏ hoàn toàn sự suy giảm fill factor. Photon va chạm trực tiếp vào silicon mà không có dây kim loại nào chặn đường đi của chúng. Kết quả là các cảm biến global shutter có chỉ số hiệu suất lượng tử ngang ngửa với các linh kiện rolling shutter—thường đạt 70% hoặc cao hơn trong quang phổ khả kiến.
BSI cũng cho phép kích thước pixel nhỏ hơn trong khi vẫn duy trì hiệu suất tốt. Trong khi pixel 5,86µm và 6µm từng là tiêu chuẩn cho cảm biến global shutter công nghiệp, hiện nay chúng ta thấy các bước pixel 3,45µm, 2,8µm và thậm chí nhỏ hơn vẫn mang lại hiệu suất sử dụng được. Pixel nhỏ hơn đồng nghĩa với độ phân giải cao hơn trong cùng định dạng quang học, hoặc cùng độ phân giải trong một gói nhỏ hơn, rẻ hơn.
Kiến trúc cảm biến xếp chồng
Thiết kế CMOS xếp chồng đưa BSI tiến thêm một bước. Trong cảm biến xếp chồng, mảng pixel được xây dựng trên một chip, và mạch đọc, ADC, cùng logic được xây dựng trên một chip riêng biệt bên dưới. Hai chip được liên kết với nhau bằng hàng nghìn via xuyên silicon (TSV) nhỏ.
Đối với cảm biến global shutter, xếp chồng mang lại hai lợi ích to lớn. Thứ nhất, tất cả mạch đọc tín hiệu được chuyển ra khỏi mặt phẳng pixel, giải phóng thêm diện tích cho việc thu nhận ánh sáng và lưu trữ. Thứ hai, việc có mạch tốc độ cao chuyên dụng trên chip logic cho phép đọc tín hiệu nhanh hơn nhiều, tốc độ khung hình cao hơn và xử lý trên cảm biến nhiều hơn.
Cảm biến global shutter xếp chồng đã xuất hiện trong các máy ảnh công nghiệp cao cấp và thiết bị AR/VR, và chúng có khả năng sẽ trở thành tiêu chuẩn cho hiệu suất cao cấp trong vài năm tới.
Màn trập toàn cục với HDR và phơi sáng đa lần
Một chỉ trích phổ biến đối với cảm biến màn trập toàn cục là dải động thấp hơn so với các lựa chọn thay thế màn trập lăn. Các nhà thiết kế đang giải quyết vấn đề này bằng các kỹ thuật HDR phơi sáng đa lần được triển khai ở cấp độ pixel.
Một số cảm biến global shutter mới hơn hỗ trợ chế độ phơi sáng kép hoặc thậm chí ba lần phơi sáng trong một khung thời gian duy nhất. Cảm biến thực hiện một lần phơi sáng dài để lấy chi tiết vùng tối và một lần phơi sáng ngắn cho vùng sáng, sau đó kết hợp chúng trên chip hoặc trong ISP để tạo ra đầu ra dải động cao. Vì cả hai lần phơi sáng đều sử dụng global shutter, không có hiện tượng bóng mờ chuyển động giữa khung dài và khung ngắn—một vấn đề thường gặp trong các triển khai HDR dùng rolling shutter ở cảnh có chuyển động cao.
Thiết kế tối ưu hóa cho hồng ngoại gần (NIR)
Nhiều hệ thống thị giác máy sử dụng chiếu sáng hồng ngoại gần (850nm hoặc 940nm) vì nó vô hình với con người, không tạo chói trên bề mặt bóng, và hoạt động tốt cho phát hiện hiện diện và cảm biến 3D. Cảm biến silicon tiêu chuẩn kém nhạy hơn ở các bước sóng này, và nhược điểm về hệ số lấp đầy của global shutter truyền thống còn khiến chúng tệ hơn.
Các pixel global shutter tối ưu hóa NIR mới sử dụng lớp epitaxial dày hơn và cấu hình pha tạp chuyên biệt để cải thiện hiệu suất lượng tử trong dải 800–1000nm. Khi kết hợp với BSI, những cảm biến này mang lại độ nhạy NIR tuyệt vời, khiến chúng trở nên lý tưởng cho hệ thống ánh sáng cấu trúc 3D, mô-đun nhận diện khuôn mặt và camera nhìn đêm.
Chọn cảm biến Global Shutter: Điều gì thực sự quan trọng
Nếu bạn đang đánh giá cảm biến global shutter cho một sản phẩm hoặc hệ thống, bảng thông số kỹ thuật có thể gây choáng ngợp. Ngoài độ phân giải và tốc độ khung hình, có một số thông số sẽ quyết định thành công hay thất bại của ứng dụng của bạn.
Đầu tiên, hãy xem đường cong hiệu suất lượng tử (QE), không chỉ một con số độ nhạy duy nhất. QE cho bạn biết bao nhiêu phần trăm photon tới thực sự được chuyển đổi thành electron, và nó thay đổi theo bước sóng. Nếu bạn đang sử dụng đèn hồng ngoại 850nm, một cảm biến có QE cao ở 850nm sẽ vượt trội đáng kể so với một cảm biến có QE cao với ánh sáng khả kiến nhưng đáp ứng NIR kém.
Thứ hai, hãy chú ý đến thông số kỹ thuật về độ nhạy sáng ký sinh. Các nhà sản xuất thường biểu thị điều này dưới dạng phần trăm hoặc decibel. Càng thấp càng tốt. Nếu cảnh của bạn có các điểm sáng chói hoặc ánh sáng ngược mạnh, PLS cao sẽ gây ra hiện tượng nhòe dọc và hiệu ứng bóng ma mà không lượng xử lý hậu kỳ nào có thể khắc phục hoàn toàn.
Thứ ba, hãy đánh giá nhiễu đọc và dung lượng giếng đầy cùng nhau. Tỷ lệ giữa dung lượng giếng đầy và nhiễu đọc cho bạn dải động nội tại của cảm biến. Một cảm biến có giếng đầy lớn nhưng nhiễu đọc cao có thể không thực sự mang lại dải động tốt hơn so với thiết kế cân bằng hơn. Đối với công việc phơi sáng ngắn, tốc độ khung hình cao, nhiễu đọc thường là yếu tố giới hạn.
Thứ tư, hãy xem xét các tùy chọn giao diện và mức tiêu thụ điện năng. Một cảm biến mang lại hiệu suất đáng kinh ngạc nhưng lại yêu cầu mười hai làn LVDS tốc độ cao và mười watt điện năng có thể không thực tế cho hệ thống của bạn. Đối với các ứng dụng nhúng và chạy bằng pin, hãy tìm giao diện MIPI CSI-2 và các chế độ quản lý điện năng tích cực.
Cuối cùng, hãy nhớ rằng cảm biến chỉ là một phần của hệ thống. Chất lượng ống kính, thiết kế chiếu sáng, độ chính xác đồng bộ hóa và xử lý ISP đều đóng vai trò rất lớn trong chất lượng hình ảnh cuối cùng. Cảm biến global shutter tốt nhất thế giới sẽ tạo ra kết quả tầm thường nếu được ghép với một ống kính rẻ tiền và hệ thống chiếu sáng được kiểm soát kém.
Nhìn về phía trước: Tương lai của thiết kế Global Shutter
Công nghệ global shutter không còn là một điều kỳ lạ công nghiệp thích hợp. Khi AR/VR, di chuyển tự động và tự động hóa logistics mở rộng, nhu cầu về cảm biến global shutter chính xác, tốc độ cao, công suất thấp sẽ tiếp tục tăng. Và công nghệ đang phát triển để đáp ứng nhu cầu đó.
Chúng ta đã và đang chứng kiến những giai đoạn đầu của cảm biến dựa trên sự kiện (hay còn gọi là neuromorphic) xâm nhập thị trường, với cách tiếp cận hoàn toàn khác biệt để ghi lại chuyển động. Thay vì ghi lại toàn bộ khung hình ở các khoảng thời gian cố định, cảm biến sự kiện chỉ báo cáo những pixel thay đổi cường độ. Chúng cung cấp độ phân giải thời gian cực cao và không bị nhòe chuyển động, nhưng chúng hoạt động dựa trên các nguyên lý cơ bản khác biệt và yêu cầu xử lý chuyên dụng. Đối với nhiều ứng dụng thị giác máy truyền thống, cảm biến global shutter dựa trên khung hình thông thường sẽ vẫn chiếm ưu thế trong tương lai gần, nhờ khả năng tương thích với các thuật toán thị giác tiêu chuẩn và tích hợp hệ thống đơn giản hơn.
Điều đó nói lên rằng, chúng ta sẽ có khả năng thấy nhiều sự kết hợp công nghệ hơn. Các cảm biến trong tương lai có thể kết hợp chụp khung hình global shutter với đầu ra dữ liệu dựa trên sự kiện trên cùng một chip, mang lại cho các nhà thiết kế hệ thống những ưu điểm tốt nhất của cả hai thế giới. Chúng ta cũng sẽ thấy sự thu nhỏ tiếp tục của kích thước pixel, việc áp dụng rộng rãi hơn các kiến trúc xếp chồng, và tích hợp tốt hơn xử lý AI trên cảm biến—tất cả những điều này sẽ làm cho camera global shutter trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn, thông minh hơn và có nhiều khả năng hơn.
Suy cho cùng, giá trị cốt lõi của thiết kế màn trập toàn cục vẫn không thay đổi: khi bạn cần biết chính xác một vật thể ở đâu vào đúng thời điểm nào, không có gì có thể thay thế khả năng phơi sáng đồng thời. Màn trập cuộn sẽ luôn chiếm ưu thế trong các ứng dụng nhạy cảm về chi phí và ít chuyển động. Nhưng ở bất cứ đâu mà độ chính xác chuyển động, độ trung thực hình học và khả năng ghi lại tốc độ cao đáng tin cậy nằm trong danh sách yêu cầu, cảm biến màn trập toàn cục sẽ tiếp tục là tiêu chuẩn vàng.
Những đánh đổi trong kỹ thuật là có thật, và những thách thức thiết kế là đáng kể. Nhưng sau nhiều thập kỷ tinh chỉnh, các cảm biến global shutter ngày nay mang lại hiệu suất mà người ta không thể tưởng tượng được khi công nghệ này mới ra đời—và điều tốt nhất vẫn còn ở phía trước.
Liên hệ
Để lại thông tin của bạn và chúng tôi sẽ liên hệ với bạn.
WhatsApp
WeChat