Độ lớn điểm ảnh của biến ảnh nhiệt, xu thế 12 micron, tiềm năng và hiệu quả

Có thể thấy, độ lớn của pixel đã giảm từ 50 micron vào năm 2000, xuống 17 micron những năm 2010 rồi đến tiêu chuẩn mới nổi hiện nay là 12 micron. Đây là những bước tiến rất lớn trong công nghệ chế tạo cảm biến ảnh nhiệt hứa hẹn mang tới những module với kích thước rất nhỏ và có thể tích hợp được vào các thiết bị cầm tay nhỏ gọn trong tương lai.

Ngược dòng quá khứ về những năm 1990, các nghiên cứu đã cho thấy độ lớn của Focal Plane Array( FPA) có một tác động rất lớn đến việc hình thành ảnh nhiệt.

Sự phát hiện của cơ chế không làm lạnh và bề mặt cảm biến lớn cũng là một cuộc cách mạng. Do đó, việc bỏ đi những cơ chế phức tạp của việc làm lạnh cũng như cơ chế quét (Scaning) mở ra một hướng mới cho công nghệ chế tạo cảm biến là các camera ảnh nhiệt nhỏ, nhẹ, chi phí thấp. Điều này cũng mở ra một thị trường rất lớn cho các nhà cung cấp cảm biến ảnh nhiệt, từ đó xu thế giảm độ lớn điểm ảnh của cảm biến ảnh nhiệt như một thông lệ phát triển của cảm biến ảnh nhiệt.

Có thể thấy, trong hơn hai mươi năm, các nhà sản xuất cảm biến đã hướng tới giảm kích thước điểm ảnh nhỏ hơn. Bởi điều này có tác dụng chính là giảm kích thước và chi phí của cảm biến và tác dụng thứ hai là giảm kích thước và chi phí của cụm thấu kính, vì cảm biến và cụm ống kính là những hạng mục có chi phí lớn nhất trong camera ảnh nhiệt hiện đại.

Điều này đã giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất camera ảnh nhiệt. Và kết quả của xu hướng này là có thể đưa ảnh nhiệt vào các ứng dụng tiêu dùng bao gồm các ứng dụng trên ô tô và điện thoại di động. Sự chuyển đổi từ 17 micron sang 12 micron có thể coi là một bước chuyển quan trọng trong thời gian gần đây.

Kích thước của vùng hoạt động của Cảm biến được dễ dàng tính toán khi đã biết kích thước của pixel và số lượng pixel. Vì khu vực hoạt động xác định có bao nhiêu điểm ảnh có thể được đặt trên một tấm wafer Silicon và chi phí để sản xuất một tấm wafer đầy đủ các điểm ảnh phần lớn là cố định, không phụ thuộc vào số lượng điểm ảnh trên tấm wafer. Trong 20 năm qua, kích thước vùng làm việc (kích thước cảm biến) của cảm biến đã giảm từ 16mm x 12mm đối với cảm biến QVGA kích thước pixel 50 micron xuống còn 3,84mm x 2,88mm đối với cảm biến QVGA kích thước pixel 12 micron.

Chỉ riêng điều này có nghĩa là số lượng cảm biến trên mỗi tấm wafer nhiều hơn mười bảy lần và giá mỗi cảm biến sẽ giảm tương đương. Đương nhiên, có nhiều yếu tố khác cần được tính đến, ví dụ, dự kiến kích thước của tấm wafer sẽ tăng lên và hiệu quả sản xuất và năng suất cũng được cải thiện.

Nhiều bài báo khoa học cũng khẳng định không phải cứ giảm kích thước điểm ảnh xuống càng thấp là càng tốt. Về mặt lý thuyết, một số bài báo đã chỉ ra rằng để thu năng lượng và độ sắc nét của hình ảnh, khẩu độ của ống kính là cố định và không phụ thuộc vào kích thước pixel của máy dò. Hơn nữa, điều này dẫn đến yêu cầu lắp ráp ống kính nhanh hơn và đắt hơn khi kích thước điểm ảnh giảm xuống còn 12 micron. Trong một ví dụ thực tế đã chỉ ra rằng các nhà thiết kế hệ thống đã chọn cách làm giảm độ sắc nét của hình ảnh và giảm khả năng thu năng lượng của các hệ thống quang học.

Điều này cho thấy rằng máy dò điểm ảnh 12 micron là một bước ngoặt trong thiết kế camera Hồng ngoại sóng dài. Mặc dù có những yêu cầu nghiêm ngặt đối với hiệu suất của cụm thấu kính, việc giảm chi phí quang học dự kiến sẽ không còn, ngoại trừ trường nhìn hẹp. Yêu cầu đối với ống kính nhanh hơn dẫn đến các thiết kế quang học phức tạp hơn. Sự kết hợp của hai yếu tố này dẫn đến ống kính cho máy dò với pixel 12 micron có chi phí sản xuất tương đương với ống kính tương đương cho cảm biến pixel 17 micron thế hệ trước.

Tuy nhiên cảm biến 12 micron vẫn là một lựa chọn rất đáng tiền trong thời điểm hiện tại với những ưu điểm khác mà nó mang lại đặc biệt là sự nhỏ gọn. Hiện tại có nhiều nhà sản xuất đã từng ra các sản phẩm cảm biến với kích thước điểm ảnh là 12 micron như Umicore, Lynred, Ulis, … đáng chú ý nhất vẫn là Atto 640, một sản phẩm của Lynred với rất nhiều tính năng vượt trội với giá thành hợp lý nhất.