Optoelektrické senzory, obrazové senzory CMOS pro vestavné systémy

Optoelektrické senzory, obrazové senzory CMOS pro vestavné systémy

Materiál je určen pouze jako pomocný materiál pro studenty zapsané v předmětu: A4M38AVS ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer © Jan Fischer, 2015

1 Před. A4M38AVS, 2015 J. Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření,

Přechod PN Polovodič P a N Difůze elektronů z oblasti N do oblasti P, děr z P do N, rekombinace Vznik chuzené oblasti - bez volných nosičů - elektronů, nebo děr, oblast prostorového náboje (OPN) vyprázdněná oblast, (depletion region) - oblast PN přechodu Po „odešlých“ děrách a elektronech zůstávají ionizované atomy donorů a akceptorů, představují místa „fixovaných“ záporných a kladných nábojů, elektrická dvouvrstva PN přechod - uspořádání i P+ na N, nebo N+ na P čím vyšší koncentrace dopantů - tím kratší dif. délka, menší OPN

difuze el. a děr P

ochuzená oblast N

P

N

elektrická dvouvrstva


Vytvoření OPN v oblasti přechodu PN

elektrická dvouvrstva difundující díry difundující elektrony P

N

P Q

OPN

N E x

Jaká je velikost OPN, kde je umístěna, jak závisí na koncentraci dopantů?


Fotodioda s přechodem PN Dopad fotonu s dostatečnou energiípředání energie, uvolnění elektronu z obalu, vznik páru elektron – díra. Působení el. pole v oblasti přechodu PN, pohyb elk. k oblasti N, pohyb díry k obl. P ( „fotoproud“) Wg křemíku při pokoj. teplotě 1,12 eV

hc Wg ≤ W f = hν = λ 1,24 λ≤ Wg

[ µm, eV]

[J ]

P+

antireflexní vrstva

N

kontakt izolační vrstva OPN

N+ kontakt

hc Wg ≤ W f = λe

[eV]

absorpční hrana , max. vlnová délka záření, které může být absorbováno, pro křemík přibl. λmax = 1,1 um ! 4

Před. A4M38AVS, 2015 J. Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření,

Fotodioda a její OPN Tenká, silně dotovaná oblast P+ , OPN především v oblasti N Záření průchod tenkou oblastí P+ Místo absorpce fotonu – v závislosti na vlnové délce křemík Si- činitel absorpce klesá s rostoucí vlnovou délkou, nad absorpční hranou - . (λ λmax = 1,1 um) je Si pro záření propustný

P+

Q

N

OPN P+

λ1

λ2

λ3

E N

x a)

OPN

b)


VA charakteristiky fotodiody Soustava V – A charakteristik, posun s rostoucí Ee záření (zjednodušená konstrukce – parametrický posun ve směru I, ve zjednodušeném ideálním případě – i1(u) –I2(u) = konst výklad . proud v závěrném směru, příčina, závislost, důsledky

I

I

URP

U a

Ee

c

U

b 6


Zapojení fotodiody do obvodu Fotodioda – provoz ve 4. kvadrantu jako zdroj (fotovoltaické elektárny) fotodioda provoz ve 3. kvadrantu (senzory) – fotodioda navenek působí jako prvek , jehož proud (proudový odběr) lineárně závisí na osvětlení Zjednodušení: dopad fotonů při vygenerování N párů el- díra představuje průtok „proudového množství“ - integrál proudu dle času – tedy rovný celkovému náboji vygenerovaných elektronů daný počet M fotonů, které dopadnou na fotoelement vygeneruje N elektronů, kde N= kp M k< 1, ( pro CMOS senzor typ. 0,2 -0,3 , působená malý fill factor, odrazivost povrchu, omezená kvantová účinnost,…)

+

-

IZ

IZ

URP

RZ UP

RZ


Příklad fotodiody Fotodioda – lineární převodní charakteristika – přes několik dekád, menší citlivost oproti fototranzistoru, vyšší rychlost, Příklad PIN fotodioda BPW34 (široce dostupná v obch.) Oodezva (BPW 34 VR = 10 V, RL = 1 kΩ, λ = 820 nm) náb, šest.hrana tr, tf, (provoz ve 3. kvadrantu se závěrným předpětím Citlivost 75 uA / 1 kLux osvětlení , světlo 50 uA / 1mW /mm2 intenzita ozáření, λ = 950 nm – infračervené záření


Fotodioda ve vest. systému Snímání osvětlení, intenzity ozáření fotodiodou (bez zesilovače) Jednoduchá aplikace pro vest. systém, napojení přímo na ADC Fotodioda s předpětím v závěrném směru, volba RZ – podle požadovaného rozsahu Cb – blokování – kvůli odběru vzorku převodníkem ADC, využít pokud možno dlouhou dobu odběru vzorku, časová konstanta Rz . Cb Potřeba nabití vzorkovacího kondenzátoru ADC, volba Cb např. 1n F, CB volit tak, aby byla podstatně menší, než perioda změn intenzity záření, které je třeba sledovat Opačná volba – potřeba měřit střední hodnotu osvětlení (zářivky) volba čas. konst větší než perioda změn (perioda blikání 10 mS), Rz = 20 kOhmů, pro rozsah 1 kLUx, U = 1,5 V + U = 3V ADC Ifot

RZ

Cb GND


Fototranzistor Dioda přechod báze – kolektor působí jako fotodioda Absorpce záření v oblasti OPN přechodu báze – kolektor, fotoproud, jeho zesílení tranzistorem, zesilovací činitel, h21E, dále – viz zesilovací stupeň s tranzistorem Možná zapojení SE (společný emitor), SK (společný kolektor) – viz materiály ke cvičením U fototranzistoru s vyvedenou bází - možnost využití samotné fotodiody Fototranzistor, podstatně pomalejší !!! než fotodioda PIN, spínací časy 10- ky až 100us (podle zapojení) fototranzistory- relativně levné, pro méně náročné aplikace, menší linearita přev. char. záření – proud oproti fotodiodám dle materiálů firmy Vishay


Příklad – fotoranzistor PT204-6C PT204-6C fototranzistor, firma Everlight Nemá vyvedenu bázi, pouze vývody C, E, pouzdro jako LED Mezní parametry: UEC0 max = 5 V – pozor na přepólování, C na GND, E na + Ucc, hrozí průraz přechodu BE (např. při případném pokusu o použití antiparalelně zapojených fototranzistorů pro ovládání střídaného proudu)


Příklad – fototranzistor PT204-6C ICE0 – klidový proud (za tmy), tr – doba náběžné hrany tf – doba spádové hrany IC(ON) – proud ozářeného fot.

Různá citlivost – působení různého zesil. činitele h21E, třídění G, H, J, K


Příklad – fotoranzistor PT204-6C Omezení linearity převodní charakteristiky záření – proud podobně, jako nelinearita přev. char. ICE = f (IB) u tranzistoru zde ICE nahrazen intenzitou ozáření Ee spektrální charakteristika citlivosti denní světlo, i blízká infračervená oblast


Fototranzistor ve vest. systému

Použití pro snímání přítomnosti světla, příp. infračerveného záření Pro lineární aplikaci – analogový vstup – ADC, zapojení se snímacím rezistorem v emitoru, napětí úměrné fotoproudu a osvětelní Zapojení pro snímání světla – ON – OFF (rozsvíceno, zhasnuto), (zapojení fototranzistoru podobně, jako tlačítko), Volba RC – tak, aby okolní světlo uvedlo fototranzistor do saturace, IFOT větší, něž UCC/ RC , Pro menší osvětlení – doplnění T2, funkce jednoduchého „komparátoru“, pro IFot menší než UBE/R1, T2 nevede. U2 = IFOT . RE, pro překročení

FT

+ Ucc

RC

+ Ucc

ADC RE

U2

I/O pin FT

U2

FT R1

+ Ucc T2 I/O pin RE

U2 14


Fototranzistor ve vest. systému

Úprava snímacího obvodu pro menší osvětlení Doplnění T2, funkce jednoduchého „komparátoru“, pro IFot menší než UBE/R1, T2 nevede. U2 = IFOT . RE, pro překročení Při IFot větším než UBE/R1 další nárůst IFot, nárůst proudu především do báze T2 prudký nárůst napětí U2,

∆U 2 = ∆I Fot ⋅ h21E ⋅ RE Pozor na omezení velikosti napětí U2, úbytkem napětí na tranzistorech

FT R1

+ Ucc T2 I/O pin RE

U2


Jednoduché snímače typu optická závora Jednoduché snímače typu optická závora , IRED (infra dioda) + fototranzistor vyhodnocení přítomnosti clonky Lineární aplikace, snímač polohy clonky, využití lineární části. převodní charakteristiky měření fotoproudu (viz. předchozí slide). Použití – snímání a regulace polohy


Fotodioda s MOS tranz. pro obrazové senzory Zvětšení (ideově) PN přechodu Source – Substrát - možná funkce jako fotodioda, řešení N+, P , využití v obr. senzoru CMOS Pokud bude na fotodiodě napětí v závěrném směru – po rozpojení spínače Sp se působením dopadajícího světla bude generovat fotoproud, kterým se bude paraziní kapacita fotodiody vybíjet – akumulační princip (příměr výklad – auto, nádrž) UG

G S fotodioda

D

G

N+ - Si

SUB

Sp

substrát

D - drain N+ - Si

P - Si


Fotodioda v obrazových snímačích CMOS Fotodioda – funkce ve 3. kvadrantu • přednabití – „reset“ • akumulace náboje – vybíjení • čtení stavu vybití ( napětí na fot.) • nové „přednabití“ reset ~ • akumulace náboje – vybíjení Doba akumulace – expozice = perioda čtení (pasivní fotoelem. - v CMOS se již nepoužívá) El. náboj ∆Q, který se během expozice „ ztratil“ musí dodat při opětovném nabití, je úměrný dávce optického záření ee = Texp. Ev

Sp fotodioda iFOT

UD

uC

CFD

I

UD U Ee

c

ee expozice, Ev osvětlení, Texp doba expozice

∆Q = k. ee 18 Před. A4M38AVS, 2015 J. Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření,

Fotodioda v aktivním elementu - APS

sloupcový čtecí vodič

Aktivní fotoelement – doplněn zesilovač – sledovač napětí Sledovač s tranzistorem MOS - čtení nedestruktivní • oddělena fáze reset a fáze nedestruktivního čtení • čtení po řádcích reset řádku • výběr jednotlivých sloupců Udd • reset po řádcích reset T1 T2 • možnost globálního resetu (současný reset všech buněk) FD UD T1

T2

reset iFOT FD

UDD

výběr čtení řádku

T3

uvýst CFD USS


Struktura CMOS s APS

dekodér adresy - čtení řádku

Programovatelný obvod

čítač adresy čtení řádku

matice fotoelementů

dekodér adresy -reset řádku

Konfigurace – IIC

čítač adresy -pro reset řádku

Samostatná adresace řádku pro čtení a pro reset Interní ADC sloupcové čtecí vodiče

čítač, adresace, výběr sloupce + zesilovače data

clk IIC Bus

(technologie LSI CMOS obdobná jako pro paměti DRAM a FLASH)

řídicí logika přednastavení. čít. gener.říd.impulsů

výstupní obvod převodník A/D clk_o H sync, V sync, ...


Barevné obrazové snímače Barevné obrazové snímače, obvykle Filtr RGB podle Bayera (Bryce E. Bayer, Eastman Kodak Comp,. US patent. R.1976) Na struktuře senzoru je doplněn barevný filtr snímač s 8 Mpixely, ½ zelených, ¼ červených ¼ modrých fotoelemntů (pozn. kamera 3 CCD – 3 monochromatické senzory, optická dělicí soustava a 3 filtry (R, G, B), pro každý senzor celý jeden filtr) (existují i senzory s jinou kombinací barev)


Obrazové senzory CMOS , paralelní rozhraní Řídicí signály – (paralelní rozhraní) CLK in (řádu 10-tek MHz) CLK out Interní ADC – paralelní výstup dat signály Hsyn, Vsyn (line valid, frame valid) nastavení IICBus Paralelní rozhraní - obdobné, jako má „ videocodec“ – digitalizace videosignálu PAL, generování videosignálu PAL (analogový výstup digitálního fotoaparátu na televizi) TV standard - PAL přenos dat s taktovacím hodinovým signálem 27 MHz) STM32F207, STM32F407 rozhraní DCMI rychlý paralelní vstup s návazností na DMA, přímé čtení obrazových dat až frekvencí 40 – 50 MHz signálové procesory ( např. Analog Devices ADSP BF5xx Blackfin) - obvykle též rozhraní PP pro vstup obrazu Připojení videocodecu a obr. senzoru CMOS k ARM, DSP - sobě podobné


Obrazové senzory CMOS , paralelní rozhraní Paralelní rozhraní MT9M001 TWI – IIC Bus, konfigurace senzoru, programovatelný senzor, nastavení registrů ( flip obrazu – vertikalní, horizontální, zesílení, doba. el. závěrky, korekce, u bar. senzorů vyvážení bílen, korekce, …)


Příklady signálů par. rozhraní obr. senzoru CMOS .


Příklady registrů obrazového senzoru CMOS .


Obrazové senzory CMOS – sériové rozhraní Obrazové senzory pro mobilní telefony, hračky,.. Sériové rozhraní MIPI MIPI – Mobile Industry Processor Interface CSI – Camera Interface (DSI- Display Interface) Vyšší procesory s jádrem ARM podporují rozhraní MIPI MIPI sériové rozhraní, (využívá LVDS low voltage differential signaling) (viz. Raspberry PI počítač)

Jednoduché obrazové senzory CMOS - technologie CMOS , obdobná jako pro dyn. paměti, pam. FLASH, horší kvalita obrazu, než z kvalitních senzorů CCD Rozvoj technologie obr.senzorů CMOS – nyní i kvalitní senzory, BSI (Back Side illuminated- Sony). CANON – lepší fotoaparáty - senzory CMOS Napájení 3,3 V, 2,5 V, rozhraní napěťově kompatibilní s procesory 26 Před. A4M38AVS, 2015 J. Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření,

El. závěrka typu „rolling shutter“ Standardní, snímače CMOS s třítranzistorovým fotoelementem – jsou typu tzv. „Rolling Shutter“ Analogie funkce pohybující se štěrbinové závěrky ve fotoaparátu (film) • dolní lamela ~ reset, začátek akumulace • horní lamela ~ konec akumulace – čtení Doba akumulace = interval mezi „reset“ – „čtení“

snímací okénko

horní lameta

dolní lameta


Vlastnosti el. závěrky „rolling shutter“ Vlastnosti, možnosti a nevýhody závěrky „rolling. shutter“ • regulace doby expozice – velikostí časového okénka – jednoduché řešení (web kamery, mobilní telefony,…) • nevýhoda – různé části snímku exponovány v jiném časovém intervalu Důsledky závěrky rolling shutter: • „kácení“ pohybujících se předmětů • „blikání“ v rámci snímku při intenzivním proměnném osvětlení

snímací okénko

horní lamela

dolní lamela 28 Před. A4M38AVS, 2015 J. Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření,

Vymezení oblasti zájmu - ROI Funkce ROI – „region of interest“ v senzoru CMOS: • vymezení oblasti zájmu vybraného pole (u senzoru CCD není možné) • možnost volby pouze jedné oblasti (zatím?) • zvýšení snímkové frekvence • snížení datového toku • virtuální zmenšení plochy snímacího čipu X

x2 x1 y1

Y y2 aktivní čtené pole


Snížení rozlišení senzoru CMOS

Snímač CMOS – programovatelné chování • modifikace činnosti čítačů řádku a sloupce • přeskakování vždy jednoho sloupce a jednoho řádku • virtuální zmenšení počtu elementů na stejné ploše • zvýšení rychlosti – vyšší snímková frekvence •

virtuální zvětšení pixelu – součet signálu sousedních pixelů

Snímač – 1280 x 960 –režimy 640 x 480, 320 x 240, 160 x120


Snímače CMOS typu Global shutter

Nevýhoda snímačů typu Rolling Shutter – deformace obrazu pohybujícího objektu Výhoda – jednoduchost konstrukce zcela kompatibilní s technologií CMOS pro výrobu pamětí Řešení – snímač s pomocnou pamětí – kapacitorem u každého fotoelementu – naráz uložení informace a pak postupné čtení. náročnější technologie ( podoba , jako u CCD – interline sensor – viz další.) Označení – typ Global shutter


Postup akumulace v senzoru CMOS rolling shutter

Maximální doba akumulace senzoru CMOS– určena periodou čtení

interval akumulace

řádek n

Y poloha řádku řádek 0 perioda čtení

čas t


Funkce el. závěrky typu rolling shutter -

čtení čtení Y

texp

reset

reset čas

a)

b)

Zkrácení doby akumulace- menší expozice reset čtení texp reset

čtení čtení reset

a)

texp

b)

čas texp

c)


Zkrácení doby expozice ve snímači – rolling shutter Zkrácení doby akumulace (doby expozice) – pro přizpůsobení světelným podmínkám interval akumulace Y

s t+ e s re

t tar sto

ní čte + p

perioda čtení

• • •

e res

rt sta + t p sto

í ten č +

t

různý časový úsek expozice jednotlivých řádků limitně – např. doba 0,1 ms, perioda 20 ms posun okamžiku expozice horní a dolní části snímku o 20 ms


Působení proměnného osvětlení na senzor CMOS Zvlnění časového průběhu intenzity ozáření umělého osvětlení periody – typ. 10 ms ( 100 Hz) žárovka, u zářivek i menší složka 50 Hz expozice ry2 expozice ry1

Ee Eemax Eemin

t

10 ms

expozice ry1 Ee

expozice ry2

Eemax

krátká doba akumulace – odlišná expozice jednotlivých řádek

Eemin 10 ms

t


Degradace obrazu proměnným osvětlením

Optimální volit dobu expozice – násobek periody zvlnění nedodržení – u snímače CCD a CMOS typu global shutter – kolísání expozice jednotlivých snímků, zachování jasových proporcí ve snímku Rolling- shutter – možné ovlivnění proporce snímku, Zkreslení obrazu - (typ „roleta“ nebo „žaluzie“ přes obraz), horizontálně orientované světlé a tmavé části snímku !!!


Degradace obrazu objektu v pohybu (rolling. –shut.) Horizontální pohyb snímaného objektu při dlouhé době akumulace – „rozmazání“ krátká doba akumulace- změna tvaru předloha

obraz

předloha

pohyb

a)

obraz

pohyb

b)

c)

a), b) pohyb konstantní rychlostí, b) zrychlení – kmitavý pohyb Degradace obrazu pruhové struktury, Je možno určit smět pohybu (otáčení)

obraz pohyb doprava

předloha

a)

b)

obraz pohyb doleva

c) 37


Snímání pohybu optického rozhraní Horizontální pohyb vertikálně orientovaného černo – bílého rozhraní (tmavý papír na světlém pozadí) ve směru doprava předloha

obraz, v = konst

obraz, zrychlení

obraz, zákmity

pohyb

a)

b)

c)

d)

a) objekt v klidu b) pohyb konstantní rychlostí c) zrychlení – pohyb konstatntním zrychlením d) proměnná rychlost- zákmity


Rozměry obrazových senzorů CMOS Senzory CMOS – základní provedení pro průmyslové kamery formát s poměrem stran 4:3, další formáty i s jiným poměrem stran (3:2,..) Fotoelementy senzoru CMOS – obvykle umístěny ve čtvercovém rastru (to u senzorů CCD pro průmyslové kamery a CCTV nemusí platit) CCTV Closed Circuit Television – kamerový systém. Průmyslové použití, zabezpečovací systém Rozměr senzorů CMOS (a CCD) uváděn v návaznosti na „palcový“ snímač. Úhlopříčka „palcového“ snímače není 1´´ ( 25,4 mm), jak by se očekávalo, ale pouze 16 mm. To je odvozeno z historického standardu palcového vidikonu (vakuového obrazového snímače). Palcový vidikon měl vnější průměr skleněné trubky 1´´, tedy 25,4 mm. Průměr (úhlopříčka obdélníku snímacího pole) využívané aktivní fotocitlivé snímací části byl přibližně 16 mm. Senzor CMOS SONY IMX174LQJ – uvedeno Diagonal 13.4mm (Type 1/1.2) 16 mm /1,2 = 13,33 mm foto - vidikon 39 Před. A4M38AVS, 2015 J. Fischer, ČVUT FEL, Praha, kat. měření,

Formáty senzorů CMOS Používané formáty senzorů CMOS Poměr stran senzorů CMOS VGA 640 x480 (4:3), WVGA 720 x 480 (3:2) SXGA 1280 x 960 (4:3) XGA 1024 x 768 SXGA (1,280 x 1,024) (5:4) příklad MT9M001M úhlopříčka 8,523 mm (1/2´´) (HDTV (1280 x 720) 16 :9 (1,777 :1) 1920 x 1080 HDTV Full HD 16:9 (1,777 :1) (UXGA mode) 1600 x 1200 QXGA 2048 x 1536 MT9M001 1/2 – „půlpalcový“ snímač


Spolupráce procesoru s obrazovým senzorem Řada mikrořadičů (s jádrem ARM a jiných výkonných) , výkonné signálové procesory - podpora vstupu obrazové informace Paralelní rozhraní DCMI –(Digital CaMera Interface) Přenos dat do vnitřní SRAM, případně vnější paměti STM32F207, STM32F407 STM32F429 – také přenos do vnější paměti SDRAM


Paralelní rozhraní DCMI Rozhraní DCMI – navázáno na DMA DCMI – připojení obr. sen. CMOS s par. rozhraním bez potřeby dalších obvodů Přenos obrazu do paměti bez zatížení CPU (program - pouze pro inicializaci DCMI pro přenos snímku) Omezená velikost paměti mikrořadičů (bez externí paměťové sběrnice) Přenos DCMI- hod. signál – až k 50 MHz. DCMI - možno využít i pro přenos dat z rychlého externího převodníku ADC (digitální osciloskop) DCMI – vstup dat přivedených na bránu – synchronní přenos do paměti funkce jako „logický analyzátor“ ( časový analyzátor– analogie osciloskop pro logické signály)


Optoelektrické senzory, obrazové senzory CMOS pro vestavné systémy

Recommend Documents