Departement industriële wetenschappen en technologie Universitaire Campus, gebouw B B-3590 DIEPENBEEK Tel.: 011-23 07 90 Fax: 011-23 07 99
Aansturen en testen van een hybride infrarood beeldopnemer Abstract van het eindwerk van TIM SLECHTEN en KRISTOF THEWISSEN Industrieel Ingenieur Elektronica – optie Ontwerptechnieken – Diepenbeek 2002 Promotoren: ir. M. Gastal - dr. ir. C. Van Hoof - dr. ir. J. Genoe
1. Inleiding Wanneer een nieuwe beeldopnemer ontwikkeld wordt, dient deze uitvoerig getest te worden. Hiervoor maakt men een camera of testsysteem, waarmee men de degelijke werking van de beeldopnemer kan tonen. In dit eindwerk werd een testsysteem ontwikkeld voor hybride beeldopnemers. Dit type van beeldopnemer bestaat enerzijds uit een diode-array ontwikkeld op IMEC en anderzijds uit een commercieel verkrijgbare readout (ROIC) die de diode-array uitleest. Tegenwoordig is er reeds een commercieel testbord te verkrijgen voor deze ROIC’s, maar dit heeft een beperkte functionaliteit en is vrij duur in aankoop. Met het ontwerp gerealiseerd in dit eindwerk kunnen deze beeldopnemers in hun volle functionaliteit getest worden.
2. De beeldopnemer Beelden worden door de beeldopnemer opgenomen aan de hand van een diode-array. Diode-arrays verschillen van elkaar door hun gevoeligheid binnen het elektromagnetische spectrum. De gevoeligheid van een diode binnen een bepaald gebied wordt bepaald door het gebruikte materiaal. Als materiaal kan men gebruik maken van onder andere: InGaAs, InAs en InAsSb. De diode-array aanwezig bij de in dit eindwerk gebruikte beeldopnemer bestaat uit InGaAs. De spectrale responsie hiervan is weergegeven in figuur 1.
Figuur 1: Spectrale responsie van InGaAs
Deze door IMEC ontwikkelde diode-arrays worden aan de hand van de flip-chip technologie neergelegd op een geproceste silicium wafer die toelaat de spanningen van de individuele diodes uit te lezen. Hiervoor wordt de ROIC, ontwikkeld door Indigo Systems gebruikt. Voor de uitlezing dienen de nodige controlesignalen gegenereerd te worden. In dit eindwerk werden deze controlesignalen gegenereerd met behulp van een FPGA. Als uitgang levert de ROIC analoge videodata. De beeldopnemer heeft een resolutie van 320 x 256 pixels en is gevoelig voor infrarode straling.
3. Het testsysteem
Figuur 2: Schematische voorstelling van het testsysteem
Figuur 2 toont schematisch de opstelling waarmee de testen uitgevoerd werden. Bij de realisatie van dit testsysteem kwamen drie aspecten aan bod: • Er moesten meerdere PCB’s ontworpen worden. Op deze PCB’s worden dan onder andere de beeldopnemer, geheugen om de beelden in op te slaan, een aansluiting voor de PC enz. geplaatst. • Het aansturen van de beeldopnemer en de andere componenten gebeurt met behulp van een device dat geprogrammeerd werd in VHDL. Een belangrijk stuk van het eindwerk omvatte dus het schrijven en testen van deze VHDLcode. • Ten derde moest er ook software ontwikkeld worden om de interfacing van de PC met het testsysteem mogelijk te maken. Centraal in de opstelling bevindt zich het Interface Board. Dit PCB werd in het eindwerk ontwikkeld. Het Interface Board bevat als belangrijkste componenten de ADC, het SRAM en de buffers. De ADC zorgt voor de digitalisatie van het analoge videosignaal geleverd door de beeldopnemer. Het SRAM maakt het mogelijk om beelden op te slaan op dit PCB en deze door te sturen naar de PC. Alle signalen die binnenkomen en vertrekken, worden gebufferd. Buffers werden geplaatst om de componenten die signalen uitsturen te ontlasten. Het Interface Board verzorgt de verbinding tussen de verschillende delen van het testsysteem. Het Altera Student Board is een handig ontwikkelingsbord waarmee VHDL-code getest kan worden en een testsysteem in een eerste fase getest kan worden zonder zelf extra hardware te ontwikkelen. Op dit ontwikkelingsbord werd gebruik gemaakt van de FPGA die met behulp van connectoren met de rest van het testsysteem in verbinding staat. Dit bord bevat ook de kristaloscillator op 20MHz waarmee de nodige kloksignalen gegenereerd worden voor het volledige systeem. Het Cryo_ROIC V1.0 board werd ook in dit eindwerk ontwikkeld. Het bevat als belangrijkste component de hybride beeldopnemer. Om de donkerstroom te beperken dient de beeldopnemer gekoeld te worden. Dit gebeurt door dit PCB met de beeldopnemer in een cryostaat te plaatsen, gevuld met vloeibare stikstof (77K). Met behulp van de PC kunnen via de parallelle poort instellingen doorgestuurd worden naar het testsysteem, kan het SRAM uitgelezen worden en kan het real-time videobeeld, zowel analoog als digitaal zichtbaar gemaakt worden op de monitor via een framegrabber. Een framegrabber is een insteekkaart voor PC waaraan videosignalen aangelegd worden. Samen met het videosignaal zijn er ook enkele controlesignalen nodig om het beeld correct te tonen. Voorbeelden van instellingen die doorgestuurd kunnen worden naar het testsysteem zijn het beeldformaat, windowing, de integratietijd en een global reset. De gebruikerinterface op de PC maakt het ook mogelijk om beeldinformatie te tonen in statistische vorm, onder andere in een histogram.
4. Testen en metingen In een eerste fase werd de opstelling getest op kamertemperatuur. Op deze temperatuur zijn de pixels niet allemaal even gevoelig en ondervinden ze warmte-invloeden uit de directe omgeving. De donkerstroom is hier beduidend groter dan wanneer de ROIC gekoeld is. Om de opstelling voor een eerste maal te testen is dit echter niet erg. Het bekomen beeld toonde grote overeenkomsten met het beeld dat men op IMEC reeds verkregen had uit deze hybride beeldopnemer. Om de responsie te testen werd de beeldopnemer belicht met een infrarood LED (golflengte 1550 nm). Op het beeld werd dit zichtbaar onder de vorm van een heldere stip (zie figuur 3).
Figuur 3: Belichting met een IR-LED ongekoeld en zonder lens
In een volgende fase werd de opstelling getest bij koeling. Omdat de cryostaat verticaal opgesteld staat en hierdoor de beeldopnemer naar beneden gericht is, werd een spiegel onder een hoek van 45° geplaatst om beelden van opzij te ontvangen. Er werd eveneens een speciale lens geplaatst om scherpe beelden te verkrijgen. De beeldopnemer kon gekoeld worden tot 120K. Bij deze temperatuur hebben de pixels een grotere gevoeligheid, is de donkerstroom sterk verminderd en zijn warmtestoringen uit de directe omgeving veel kleiner. Figuur 4 toont enkele beelden die bekomen werden bij koeling. Het voorwerp (gezicht) werd belicht met een gloeilamp. We zien dus de reflecties van de straling van deze lamp.
Figuur 4: Gezichten belicht met een gloeilamp
Na deze testen werden er enkele meer uitgebreide metingen uitgevoerd waarmee de volledige aansturing getest werd. Zo werden er metingen met variabele integratietijd (de integratietijd kunnen we vergelijken met de sluitertijd van een mechanisch fototoestel) en metingen bij toenemende temperatuur uitgevoerd.
5. Besluit Dit eindwerk bestond erin, vertrekkende van een hybride beeldopnemer en het Altera Student Board, een testsysteem te ontwikkelen om deze hybride beeldopnemer aan te sturen en in zijn volle functionaliteit te testen. Het beeld diende zowel analoog als digitaal uitgelezen te worden. Om de hybride beeldopnemer aan te sturen werden er twee PCB’s ontworpen, een VHDL-code en de benodigde software geschreven. De communicatie tussen de testopstelling en de PC vond plaats via de parallelle interface. Er werd eveneens een bestaande interface aangepast om het beeld zichtbaar te maken op PC via de framegrabber. Om warmte-invloeden van de beeldopnemer en uit de directe omgeving weg te werken, diende deze beeldopnemer gekoeld te worden in een cryostaat met behulp van vloeibare stikstof. Op het testsysteem bevindt zich eveneens een SRAM dat de mogelijkheid biedt om beelden op te slaan en later weg te schrijven naar een bestand. Het aansturen van de beeldopnemer en het zichtbaar maken van zowel het analoge als het digitale beeld werd gedemonstreerd. De bekomen resultaten waren voor een eerste testsysteem behoorlijk goed. De parallelle communicatie tussen PC en testsysteem werkte eveneens zoals gewenst. Parameters via deze PC ingegeven, werden doorgestuurd naar de FPGA en de beeldopnemer. Het schrijven naar en het uitlezen van het SRAM gebeurde correct. Met behulp van dit werkende testsysteem werden er ook al enkele metingen uitgevoerd om de beeldopnemer te karakteriseren. Dit testsysteem kan, mits kleine aanpassingen, gebruikt worden om gelijkaardige sensoren aan te sturen en te karakteriseren. In dit eindwerk werd gebruik gemaakt van een beeldopnemer met 320 op 256 pixels, maar het testsysteem kan ook met andere beeldformaten werken. Dit eerste testsysteem kan in een volgende fase nog verbeterd worden. Zo kunnen het Interface board en het Altera Student Board vervangen worden door één enkel PCB waarop zich de nodige componenten bevinden. Door deze integratie zal het aantal kabels dat nodig is voor het testsysteem verminderd worden en hierdoor het systeem minder onderhevig zijn aan storingen. Ook de bedrading en de verbindingen in de cryostaat en de bedrading van de cryostaat naar de PCB’s kan aangepast worden om kleine problemen die hierdoor ondervonden werden weg te werken. Het uitzoeken van de juiste kabels, het bestellen van deze kabels en het inbouwen in het testsysteem neemt veel tijd in beslag. Om deze redenen werd dit niet in het eindwerk gerealiseerd. Omdat de beelden met behulp van de beeldacquisitie-software opgeslagen kunnen worden, lijkt het SRAM in dit testsysteem niet echt nodig. Indien echter een PC zonder framegrabber gebruikt wordt, is dit SRAM noodzakelijk om beelden op te slaan. In ons eindwerk werd er een werkend testsysteem ontwikkeld waarmee de door IMEC ontwikkelde diode-arrays grondig getest en gekarakteriseerd kunnen worden.
