2026-08-07
Các thiết bị điện tích kết hợp (gọi tắt là CCD) được phát minh bởi WS Boyle và GE Smith của Bell Labs vào năm 1970. Do có các chức năng như chuyển đổi quang điện, lưu trữ thông tin, trễ và truyền tín hiệu điện tuần tự, cũng như tích hợp cao và tiêu thụ điện năng thấp, nó đã phát triển nhanh chóng sau đó. Đây là một thiết bị quan trọng không thể thiếu cho việc thu nhận và xử lý ảnh kỹ thuật số, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học, giáo dục, y tế, thương mại, công nghiệp, quân sự và tiêu dùng.
Nhiều người cho rằng CCD chỉ là một con chip. Nhưng trên thực tế, CCD được chế tạo thành một bộ phận hoàn chỉnh cùng với bộ xử lý (như hình dưới đây).
Cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của CCD (Hình 1)
Nếu bạn cắt mở CCD, bạn sẽ thấy cấu trúc của CCD giống như một chiếc bánh sandwich. Lớp đầu tiên là một thấu kính siêu nhỏ, lớp thứ hai là bộ lọc tách màu, và lớp thứ ba là bus nhạy sáng.
1. Lớp đầu tiên của CCD là thấu kính. Điều này nhằm tăng hiệu quả số lượng pixel của CCD, đồng thời đảm bảo mỗi pixel tiếp tục thu nhỏ để duy trì kích thước tiêu chuẩn của CCD. Do đó, diện tích thu nhận ánh sáng của mỗi pixel phải được mở rộng. Tuy nhiên, việc tăng tỷ lệ khẩu độ để tăng diện tích thu nhận ánh sáng thực sự làm giảm chất lượng hình ảnh. Do đó, tỷ lệ khẩu độ chỉ có thể tăng đến một giới hạn nhất định, nếu không CCD sẽ trở thành sản phẩm kém chất lượng. Để cải thiện vấn đề này, các thấu kính nhỏ được lắp đặt trên mỗi điốt quang (mỗi pixel). Thiết kế này giống như đeo kính cho CCD. Diện tích nhạy sáng không còn được xác định bởi diện tích mở của cảm biến, mà bởi diện tích bề mặt của thấu kính siêu nhỏ. Bằng cách này, kích thước của mỗi pixel có thể được tính đến, và tỷ lệ khẩu độ có thể được tăng lên về mặt thông số kỹ thuật, do đó độ nhạy có thể được cải thiện đáng kể.
2. Lớp thứ hai của CCD là bộ lọc tách màu. Hiện có hai phương pháp tách màu, một là phương pháp tách màu cơ bản RGB và phương pháp còn lại là phương pháp tách màu bổ sung CMYG. Cả hai phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, về mặt đầu ra, tỷ lệ giữa CCD màu cơ bản và CCD màu bổ sung là khoảng 2:1. Ưu điểm của CCD màu cơ bản là chất lượng hình ảnh sắc nét và màu sắc trung thực, nhưng nhược điểm là vấn đề nhiễu. Do đó, độ nhạy ISO của các máy ảnh kỹ thuật số thường sử dụng CCD màu cơ bản sẽ không vượt quá 400. So với đó, CCD màu bổ sung có thêm bộ lọc màu vàng Y, chi tiết hơn về độ phân giải màu, nhưng hy sinh một phần độ phân giải. Về giá trị ISO, CCD màu bổ sung có thể chịu được độ nhạy cao hơn và thường có thể được đặt trên 800. (Xem hình dưới đây cho hai phương pháp tách màu này)
Cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của CCD (Hình 2)
Sơ đồ tách màu
3. Lớp thứ ba của CCD là bus nhạy sáng. Lớp này chủ yếu chịu trách nhiệm chuyển đổi nguồn sáng xuyên qua lớp bộ lọc màu thành tín hiệu điện và truyền tín hiệu đến chip xử lý ảnh để phục hồi hình ảnh.
