Cảm biến CCD

Giải Nobel Vật lý năm 2009 được trao cho Willard S. Boyle và George E. Smith về sáng tạo ra cảm biến ảnh. Trong công bố của uỷ ban giải Nobel, nhằm đông đảo quần chúng hiểu được, người ta nói đầy đủ hơn: “Boyle và Smith đã sáng tạo ra mạch bán dẫn ảnh - Cảm biến CCD”.

Sau đây là tóm tắt phần nói về cảm biến CCD trong thông báo của Viện Hàn lâm khoa học Thuỵ Điển về cơ sở khoa học của Giải Nobel Vật lý 2009.

1/ Chụp ảnh bằng phim trên 100 năm phát triển

Lịch sử về máy ảnh và chụp ảnh là lịch sử khá lâu dài với nhiều phát kiến, phát minh.

Từ xưa người Trung Quốc, người Ai Cập, người Hy Lạp đều biết đến cách tạo ảnh dựa vào buồng tối: khoét một cái lỗ nhỏ ở tường bên này thì thấy ở tường đối diện ảnh lộn ngược của vật ở ngoài phía trước lỗ khoét. Về sau người ta dựa vào hiện tượng này để tạo ảnh không cần thấu kính: dùng hộp kín có lỗ thủng nhỏ (pin hole) ảnh sẽ hiện lên phía bên trong hộp ở mặt đối diện với mặt có lỗ. Việc ghi lại tức là lưu trữ ảnh gắn liền với tên tuổi của nhiều nhà sáng chế. Có lẽ đầu tiên là J. N. Niépce năm 1826 dùng tấm có tráng một lớp mỏng bitum (nhựa đường) mới chế ra (màu còn trắng) đặt trong buồng tối có lỗ, sau 8 tiếng đồng hồ thì tuy còn lờ mờ nhưng đã ghi được ảnh để lưu lại. Đó là vì lớp bitum khi phơi sáng lâu thì chuyển màu đen.

W.H.F. Talbot năm 1841 sáng chế ra loại giấy có phủ muối bạc nhạy với ánh sáng. Chúng cho ảnh hiện lên giấy, chỗ nào sáng giấy bị đen đi, sáng nhiều đen nhiều, sáng ít đen ít. Vậy là có được ảnh âm bản. Dùng tờ giấy tráng muối bạc khác, áp vào giấy có ảnh âm bản đem phơi nắng theo kiểu in tiếp xúc, sẽ có được ảnh dương bản thông thường.

Linh kiện nhạy sáng trên cơ sở tụ điện MOS.

Trên cơ sở tính chất của muối bạc năm 1870 người ta bắt đầu làm nhũ tương bạc: tạo ra hạt muối bạc cực mịn trộn đều trong gelatin phủ lên kính trong, có được kính ảnh. Năm 1880 bắt đầu làm cả tấm nhựa mỏng cuốn lại được thành cuộn dài. Tráng nhũ tương bạc lên đó người ta có được phim tấm, phim cuộn.

G. Eastman khai triển mạnh các sáng chế này vào sản xuất năm 1888 lập ra hãng Eastman Kodak chuyên làm phim cuộn để chụp ảnh và làm luôn cả máy ảnh, nổi khắp thế giới.

Cũng vào cuối thế kỷ 19 đã bắt đầu có cách chụp ảnh màu dựa trên hiện tượng giao thoa và hiện tượng tạo màu bằng phương pháp trừ (substractive method). Đến năm 1935 cũng chính hãng Kodak đã làm ra phim ảnh màu gọi là Kodachrome bán ra rộng rãi.

2/ Sáng tạo ra cảm biến CCD

Nhưng đến cuối thế kỷ 20 sang thế kỷ 21, cách chụp ảnh bằng phim rất nhanh chóng được thay thế bằng cách chụp ảnh số, phim ảnh được thay thế bằng cảm biến CCD, nhanh chóng thuận lợi phù hợp với thời đại thông tin kỹ thuật số.

Hai nhà khoa học có công đầu trong việc tạo ra cảm biến CCD và cách chụp ảnh số Willar S.Boyle và George E. Smith do đó được giải Nobel Vật lý năm 2009 (một nửa giải, một nửa nữa được trao cho công trình nghiên cứu về cáp quang).

Boyle sinh năm 1924, là tiến sĩ vật lý năm 1950. Smith sinh năm 1930, là tiến sĩ vật lý năm 1959. Ý tưởng làm cảm biến CCD được thai nghén khi Smith làm trưởng một đơn vị nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Phát triển linh kiện mà Boyle là Giám đốc. Phòng thí nghiệm này thuộc Bell Laboratories, một tổ chức nghiên cứu ứng dụng nổi tiếng ở Mỹ mang tên Bell là người sáng chế ra điện thoại.

a) Chụp ảnh: Điện tích sinh ra chứa trong tụ điện. b) Tác dụng đoàn tàu xung điện tích từ tụ điện này bị đẩy sang tụ điện mới hình thành kế bên c) Điện tích đã dịch chuyển một bước.

Thời kỳ cuối những năm 1960 là thời kỳ công nghệ vi điện tử đã phát triển mạnh, công nghệ thông tin cũng đang tiến bộ nhanh yêu cầu chế tạo các bộ nhớ dung lượng lớn truy cập nhanh là một yêu cầu rất bức thiết.

Đó cũng là thời kỳ cách làm bộ nhớ bằng màng từ thường được gọi là Bộ nhớ bọt từ(magnetic bubble momory) phát triển mạnh đến mức lãnh đạo có ý định tập trung tiền nghiên cứu của phòng thí nghiệm mà Boyle và Smith làm việc cho phòng thí nghiệm làm về bộ nhớ bọt từ để nhanh chóng đưa ra sản xuất.

Trước tình huống đó ngày 17 – 10 – 1969, Boyle và Smith đã hội ý tìm cách nhanh chóng làm ra một linh kiện nhớ bằng bán dẫn sao cho cạnh tranh và thắng được bộ nhớ bọt từ để Phòng thí nghiệm Phát triển linh kiện của Boyle và Smith không bị ngừng cấp tiền dẫn đến tan rã. Từ cuộc hội ý này hai ông đã phác hoạ ra cách làm cảm biến CCD mà không lâu sau hai ông đã thực hiện rất thành công, tạo nên một cuộc cách mạng về máy ảnh, chụp ảnh số, làm cho máy ảnh, cách chụp ảnh bằng phim đi đến chỗ lụi tàn. Ta tìm hiểu Boyle và Smith đã sáng tạo ra cảm biến CCD như thế nào.

Vào thời đó công nghệ vi điện tử đã phát triển khá cao, đã có công nghệ làm hàng triệu tranzito trường với cấu tạo MOS trên một phiến silic.

MOS là ghép các chữ đầu của Metal – kim loại, Oxide – oxyt và Semiconductor – bán dẫn. Công nghệ vi điện tử đã làm được tranzito trường dựa trên ba lớp mỏng tạo nên MOS đó thường gọi là tranzito trường kim loại – oxyt – bán dẫn MOS – FET (MOS Field Effect Transistor). Boyle và Smith đã chuyển công nghệ vi điện tử làm MOSFET thành công nghệ làm CCD như sau (hình 1). Từ một phiến silic tinh khiết, pha thêm một ít nguyên tử Bo (B) để thành silic loại o (dẫn điện bằng lỗ trống). Trên bề mặt silic loại p người ta cho hình thành một lớp mỏng silic loại n (dẫn điện bằng điện tử). Trên lớp silic loại n này là lớp oxyt silic cách điện SiO2, cuối cùng là một màng mỏng kim loại Al dẫn điện. Phối hợp với kỹ thuật quang khắc để khoét bỏ những diện tích nhỏ ở lớp này, lớp nọ cuối cùng trên phiến silic người ta có được hàng loạt các linh kiện nhỏ mà hình 1 là vẽ cắt ngang của linh kiện.

Linh kiện nhỏ đó được gọi là tụ điện MOS dùng làm linh kiện nhạy sáng hoạt động theo cơ chế sau: Khi một điện cực (có tên là cổng – gate) được nối với điện thế dương, nó sinh ra chung quanh gần đó một điện trường làm cho các điện tử linh động của bán dẫn bị hút về điện cực đồng thời những lỗ trống (mang điện dương) bị đẩy ra xa. Kết quả là có một vùng nhỏ trong bán dẫn rất nghèo điện tử và lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo(depletion region). Xét về mặt điện thế, vùng nghèo tương ứng với một cái giếng thế năng(potential well) nếu có điện tử sinh ra trong đó thì bị giữ lại như hòn bi rơi xuống giếng. Nói theo cách khác, vùng nghèo có thể chứa điện tương tự như cái tụ điện. Khi có ánh sáng (photon) chiếu vào, các điện tử sinh ra do hiệu ứng quang điện ở vùng nghèo này bị giữ lại, nói cách khác tụ điện được tích điện. Vậy vùng nghèo hay tụ điện tích điện do ánh sáng dọi vào tạo ra, ánh sáng càng mạnh thì tụ điện tích điện càng nhiều. Nguyên tắc ban đầu của tụ điện MOS dùng làm linh kiện nhạy sáng là như vậy. Cảm biến CCD gồm nhiều linh kiện hay là tụ điện nhỏ như vậy xếp thít nhau theo hàng theo cột, mỗi linh kiện nhỏ làm nhiệm vụ một phần tử ảnh pixel (picture element). Khi mới chế tạo cảm biến CCD có 100 linh kiện nhỏ theo chiều ngang và 100 phần tử ảnh. Ngày nay cảm biến CCD loại thường cũng có 2048 x 2048 = 4194304 phần tử ảnh tức là hơn 4 megapixels, thường viết là 4 Mp.

Các loại máy ảnh trên trung bình nói chung cảm biến CCD có từ 6 Mp đến 10 Mp.

3/ Chụp ảnh, ghi ảnh, tạo ảnh theo kỹ thuật số

Như vậy khi chụp ảnh, vật cần chụp qua thấu kính tạo ra ảnh trên bề mặt cảm biến CCD. Độ sáng tối trên mỗi phần tử ảnh được chuyển thành điện tích (điện tử) nhiều hay ít ở tụ điện tương ứng.

Làm thế nào để đọc và ghi lại được vị trí từng tụ điện và điện tích chứa trong đó? Ở đây có một cách làm mới rất sáng tạo là dùng “đoàn tàu xung” (pulse train) lần lượt đẩy điện tích chứa trong tụ điện dịch chuyển từng bước đến bộ phận khuếch đại và đo để chuyển sang bộ nhớ ghi lại độ lớn của điện tích (bằng số) và vị trí (ở hàng nào, cột nào) của tụ điện tức là của phần tử ảnh tương ứng.

Mưu mẹo để đẩy điện tích dịch chuyển từng bước được giải thích ở hình 2.

Để thực hiện việc đẩy điện tích dịch chuyển từng bước có ở cảm biến CCD, ứng với mỗi phần tử ảnh người ta không chỉ làm một điện cực mà làm ba điện cực. Ta biết rằng khi nào điện cực được nối với điện thế dương thì trong bán dẫn vùng dưới điện cực dương mới là vùng nghèo, có tác dụng chứa điện tích như tụ điện. Khi chụp ảnh, ở mỗi phần tử ảnh chỉ một trong ba điện cực được nối với điện thế dương (vẽ màu đỏ ở hình 2), do đó quang điện tử sinh ra chỉ chứa ở tụ điện dưới điện cực dương đó. Chụp xong để đọc và ghi ảnh người ta phát các xung điện dương như một đoàn tàu chạy qua các điện cực. Ta thấy xung điện dương đến điện cực nào thì dưới điện cực đó hình thành tụ điện và điện tích chứa trong tụ điện bên cạnh trước đó bị đẩy sang tụ điện mới hình thành và như vậy là điện tích bị dịch chuyển một bước (hình 2 dưới và giữa).

Ở Hình 3 cho thấy ở phía dưới của cảm biến CCD có một hàng tụ điện đặc biệt, ban đầu không chứa điện tích. Đầu tiên người ta đẩy điện tích ở các cột tụ điện 1, 2, 3… x dịch chuyển xuống một bước, các điện tích ở hàng tụ điện 1 chuyển vào hàng tụ điện trống (không có điện tích) ở dưới và nhờ đoàn tàu xung nên các điện tích này lần lượt chạy qua bộ A/D (đo và chuyển đổi thành số), bộ nhớ ghi được điện tích ứng với các vị trí a11, a12… ax. Tiếp tục như vậy ghi được điện tích chứa ở hàng 2 (đã bị đẩy xuống hàng 1); có được điện tích ứng với các vị trí a21, a22, a2x. Cứ tiếp tục như vậy, cuối cùng bộ nhớ ghi được theo địa chỉ toàn bộ điện tích ở từng tụ điện tức là cường độ sáng ở từng phần tử ảnh.

Làm thế nào hiện lại được ảnh đã ghi?

Cách giải quyết ở đây cũng là hoàn toàn theo kỹ thuật số. Ta đã thấy ở cảm biến CCD thực tế ảnh quang học hiện lên bề mặt cảm biến được chia thành nhiều phần tử ảnh thí dụ xếp theo hàng theo cột thì được y hàng và x cột (hình 3), các phần tử ảnh được đánh dấu theo địa chỉ là a11, a12, a13…. ax; a21, a22, a23… a2x; ay1, ay2, ay3… ayx.

Ta cũng đã thấy nhờ cách dùng đoàn tàu xung đẩy điện tích dịch chuyển từng bước, bộ nhớ đã ghi lại được theo địa chỉ điện tích chứa trong tụ điện ứng với từng phần tử ảnh.

Để có ảnh in ra giấy hoặc hiện lên màn hình, chỉ cần có một chương trình chia diện tích giấy hoặc màn hình thành những phần tử ảnh với số hàng số cột như là ở cảm biến CCD. Lần lượt theo địa chỉ điều khiển cho các điểm ảnh sáng hay tối (thí dụ in ra giấy mực nhạt hay mực đậm) tương ứng với điện tích nhiều hay ít ở các tụ điện. Với cách này ta có được ảnh đen trắng của vật đã chụp.

4/ Chụp ảnh màu

Muốn chụp ảnh màu, phải có cách bố trí đặc biệt lọc màu ở cảm biến CCD. Để rõ vấn đề này ta cần nhớ lại rằng màu sắc mà mắt ta cảm nhận được là tổng hợp của ba màu cơ bản theo cách cộng là đỏ R (red) lục G (green) và lam B (blue). Vì vậy, muốn chụp ảnh màu phải làm sao tại mỗi phần tử ảnh có cảm biến CCD có được riêng rẽ ba cường độ ứng với ba màu cơ bản đỏ, lục, lam.

Có hai cách: dùng ba bộ cảm biến CCD và dùng bộ lọc Bayer. Cách thứ nhất rất dễ hiểu nhưng kỹ thuật thực hiện khá phức tạp, tốn kém. Đó là dùng ba cảm biến CCD như nhau. Ánh sáng từ vật cần chụp qua thấu kính để tạo ảnh nhờ bộ tách màu đặc biệt sẽ được tách ra thành ba màu, tạo ra trên ba cảm biến ba ảnh đỏ, lục, lam riêng biệt. Tổng hợp số liệu từ ba bộ nhớ của ba bộ cảm biến CCD sẽ có được số liệu cường độ của từng màu, đỏ, lục, lam tại từng phần tử ảnh, từ đó tạo ra được ảnh màu. Đây là cách chụp ảnh màu đơn giản về nguyên lý nhưng tạo ra ảnh màu tốt nhất, phân giải tốt nhất. Tuy nhiên về kỹ thuật rất tốn kém vì phải dùng ba cảm biến CCD. Máy quay phim màu kỹ thuật số đắt tiền hiện nay dùng kỹ thuật này nên có tên gọi là máy quay phim 3 CCD. Cách thứ hai phổ biến hơn hay gặp ở các máy ảnh số và phần lớn máy quay phim kỹ thuật số thông thường: người ta dùng một cảm biến CCD kết hợp với bộ lọc Bayer. Ở đây để có được một phần tử ảnh ở ảnh màu người ta phải sử dụng bốn phần tử ảnhở cảm biến CCD. Lý do không dùng ba màu mà dùng bốn là vì đặc điểm của mắt người nhạy cảm với màu lục hơn là đối với đỏ và màu lam. Vì vậy Bayer làm ra bộ lọc (hình 4) gồm những tấm lọc hình vuông cực nhỏ đặt ngay trên cảm biến CCD sao cho mỗi tấm lọc chỉ cho một màu cơ bản đi qua: tấm lọc màu đỏ, màu lục, màu lam. Đặc biệt là mỗi phần tử ảnh màu cảm ứng với bốn ô vuông: một màu đỏ, một màu lam, hai màu lục (xem ô vuông lớn gồm 4 ô vuông con ở tấm lọc Bayer hình 4) do đó tấm lọc Bayer có tên gọi là lọc GRBG hoặc RGGB. Như vậy ở mỗi phần tử ảnh màu có được cường độ của màu đỏ, màu lục, màu lam riêng biệt ứng với diện tích chứa trong các tụ điện dưới các ô vuông của tấm lọc.

Với cảm biến CCD mà Boyle và Smith đã sáng tạo ra kết hợp với các cách lọc màu hiện đại, việc chụp ảnh kỹ thuật số đã được giải quyết trọn vẹn. Kỹ thuật ảnh chung quanh ta hiện nay gần như hoàn toàn là kỹ thuật ảnh số.

Cảm biến CCD không phải chỉ dùng ở kỹ thuật chụp ảnh số thông thường mà còn dùng ở nhiều lĩnh vực khoa học cao cấp: chụp ảnh thiên văn, vũ trụ. Nhiều phép chụp ảnh đặc biệt trong y tế, an ninh, quốc phòng… được chuyển sang chụp bằng cảm biến CCD. Nhiều cảm biến CCD hiện nay không phải là chỉ dùng cho ánh sáng thường mà còn là dùng cho tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X… Chụp ảnh bằng cảm biến CCD phối hợp với truyền ảnh đi xa theo kỹ thuật số là những đặc trưng tiêu biểu của thế giới thông tin hiện nay. Cảm biến CCD dựa trên cấu trúc MOS cũng đã tiến lên những bước mới, dùng CMOS để ghi được ảnh nhanh hơn, tinh vi hơn cũng đang được phát triển rộng rãi.