Integrando sensores de imagem 2D e 3D na IoT

sensores de imagem 2D e 3D

O white paper ‘Smart Sensors – Habilitando a Internet Inteligente das Coisas‘ discute as principais tendências no desenvolvimento de sensores e como tecnologias de detecção, como radar, LiDAR e imagens de tempo de voo, fornecem ainda mais informações, permitindo que os sistemas percebam objetos no espaço 3D. Este texto em formato de blog é uma extensão disso, focando em como utilizar a abordagem de abertura de pixel para extrair informações de profundidade de um sensor de imagem CMOS e criar imagens 2D normais, bem como circuitos de pixel e como superar os obstáculos de um sistema de detecção de imagem 3D.

Hoje, imagens e vídeos 3D se tornaram populares em nossa vida diária. Como combinar conteúdo 3D com 2D é um tópico muito importante. Em geral, duas imagens bidimensionais de duas perspectivas diferentes podem ser usadas para criar uma imagem tridimensional, pois esse mecanismo imita a percepção do olho humano.

Por exemplo, uma câmera 3D deve gravar duas imagens ao mesmo tempo e exibir duas imagens visíveis aos olhos direito e esquerdo dos humanos para percepção 3D. Essa percepção pode ser vista como uma abordagem passiva. Por outro lado, o modo ativo pode ser usado com a fonte de luz para sentir a profundidade do objeto. Com base nas propriedades da luz refletida, uma imagem tridimensional pode ser criada por meio de cálculos de pós-processamento. Em particular, a atividade de tempo de voo (TOF) é uma estimativa do tempo de viagem da luz paralela que é emitida por uma fonte de luz, atinge um objeto, é refletida por um objeto e atinge um sensor. A profundidade dos objetos pode ser facilmente deduzida dos diferentes tempos de viagem registrados em pixels.

Sensores de imagem bidimensionais e tridimensionais são combinados com base nos mesmos diodos emissores de luz. Nos modos bidimensional e tridimensional, o circuito de amostragem duplex correlacionado (CDS) e o conversor tempo-digital (TDC) são adotados ou alterados. Os circuitos de leitura usam leitura linear e paralela nos modos 2D e 3D, respectivamente. Assim, um TDC multicanal é usado para obter a leitura paralela.

Sensor de imagem integrado 2D/3D

Para integrar efetivamente os sensores de imagem 2D e 3D, o fotodiodo P-diffusion_N-well_P-substrate é adotado e controlado para operar nos modos de detecção de foto 2D e 3D. Em modo 2D, são projetados o circuito CDS e o circuito de leitura CDS, bem como um decodificador de linha, um decodificador de coluna e um controlador. Em um modo 3D, são implementados Amplificadores de Sentido (SA), uma leitura de TDC e um TDC. O SA aumenta um pulso de disparo em um pixel para reduzir o tempo de leitura de um pixel para um TDC. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos do sensor de imagem integrado 2D/3D.

sensores de imagem 2D e 3D
Figura 1: Diagrama de blocos do sensor de imagem integrado 2D/3D

Circuitos de Pixel

Em um modo 2D, o objetivo principal é adquirir informações sobre o nível de cinza e, portanto, a faixa dinâmica é o principal fator. Uma faixa dinâmica maior revela uma faixa maior de correntes de luz que são detectadas. O circuito de pixel de modo 2D, mostrado na Figura 2, tem um caminho adicional para diminuir a saturação de carga. Um desses caminhos fornece alimentação de carga para compensar a foto dissipação atual.

sensores de imagem 2D e 3D
Figura 2: Circuito de pixel 2D

No modo 3D, o circuito de pixel detecta objetos com informações de profundidade. O fotodiodo é inversamente polarizado perto da avalanche. Uma vez que o fotodiodo detecta um fóton, ele induz uma grande corrente. Isso é chamado de modo Geiger. Esse fenômeno faz com que o circuito de pixel detecte fótons rapidamente. A Figura 3 mostra o circuito de pixel 3D.

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Figura 3: Circuito de Pixel 3D

Quando o circuito do pixel aceita um disparo de luz, o fotodiodo gera uma grande corrente de luz que passa pelo transistor PMOS, M1, que atua como um resistor. O nó do fotodiodo N produz uma queda de tensão que é acelerada por um inversor. Durante a reinicialização, o pixel é operado em uma fase de carregamento na qual o nó do fotodiodo N é polarizado para Vdd. O transistor PMOS, M4, que se conecta a um inversor, e o transistor NMOS, M5, que se conecta ao terra formam um caminho de realimentação pull-down. Após a reinicialização, o fotodiodo começa a detectar fotos e executa uma ação de descarga. Enquanto isso, M4 e M5 são ligados para diminuir rapidamente a tensão do inversor para 1/2Vdd. A Figura 4 mostra o circuito integrado de pixel 2D / 3D que pode ser facilmente manipulado e comutado usando sinais de controle 2D e 3D.

sensores de imagem 2D e 3D
Figura 4: Circuito de pixel integrado 2D/3D

TDC multicanal

Um sistema de detecção de imagem 3D enfrenta um problema no número de circuitos de temporização. Para usar circuitos de temporização tradicionais, cada pixel com seu circuito de temporização correspondente para cálculo de profundidade tem várias desvantagens: muitos circuitos de temporização representando uma grande área de hardware e alto consumo de energia. Portanto, o TDC multicanal que consiste em um TDC em anel, um codificador térmico e um contador de 4 bits é usado para resolver as desvantagens acima mencionadas. Um anel TDC de 15 estágios é projetado como o núcleo de um circuito de temporização multicanal. Quando o sinal de partida está ativo, uma porta NAND e 14 inversores formam uma oscilação. 15 saídas de um anel TDC são comprimidas por um codificador térmico para produzir um resultado de 4 bits que é armazenado em uma matriz de latchs. Ao mesmo tempo, o contador produz um resultado aproximado de 4 bits que também é armazenado na matriz de latchs. O cabeçalho de 4 bits e os resultados precisos podem interpretar informações de profundidade.

tdc multicanal
Figura 5: TDC multicanal

Funcionamento do sensor

Durante uma medição 3D, o sinal externo reinicia o circuito do pixel, oscila o TDC e aciona a emissão de luz. O sensor aguarda a luz refletida dos objetos e calcula o tempo de viagem com base no TDC. A profundidade do objeto pode ser determinada com base no tempo de viagem medido.

operação dos sensores de imagem 2D e 3D
Figura 6: Operação do sensor

Essa imagem ilustra uma placa FPGA, que é programada para controlar a escalabilidade do sistema para gravação de imagens 2D e 3D com base no sensor TOF. A profundidade da caixa cilíndrica é calculada com base no tempo de voo medido dos diodos emissores de luz de 850 nm. As imagens 2D/3D são geradas pelo software em execução no PC.

Para saber mais sobre os sensores inteligentes e as principais tendências no desenvolvimento de sensores, leia nosso whitepaper sobre ‘Smart Sensor-habilitando a Internet das Coisas inteligente

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* Texto originalmente publicado em: link

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