Retinomorf sensor

Överst: Stegförändring i ljusintensitet som faller in på sensorn som en funktion av tiden. Mitten: Form av utsignal från konventionell optisk sensor som en funktion av tiden. Nederst: Form av utsignal från retinomorf sensor som funktion av tid.

Retinomorfa sensorer är en typ av händelsestyrd optisk sensor som producerar en signal som svar på förändringar i ljusintensiteten, snarare än på själva ljusintensiteten. Detta i motsats till konventionella optiska sensorer som laddningskopplad enhet (CCD) eller komplementära metalloxidhalvledare (CMOS) baserade sensorer, som matar ut en signal som ökar med ökande ljusintensitet. Eftersom de endast reagerar på rörelse hoppas retinomorfa sensorer möjliggöra snabbare spårning av rörliga föremål än konventionella bildsensorer och har potentiella tillämpningar i autonoma fordon , robotik och neuromorfisk teknik .

Namngivning och historia

Den första så kallade konstgjorda näthinnan rapporterades i slutet av 1980-talet av Carver Mead och hans doktorander Misha Mahowald och Tobias Delbrück . Dessa kiselbaserade sensorer var baserade på små kretsar som involverade differentialförstärkare , kondensatorer och resistorer . Sensorerna producerade en spik och efterföljande minskning av utspänningen som svar på en stegvis förändring i belysningsintensitet. Denna reaktion är analog med den hos djurens retinala celler, som på 1920-talet observerades elda oftare när ljusintensiteten ändrades än när den var konstant. Namnet silicon retina har därför använts för att beskriva dessa sensorer.

Termen retinomorphic användes först i ett konferensbidrag av Lex Akers 1990. Termen fick bredare användning av Stanford Professor of Engineering Kwabena Boahen , och har sedan dess tillämpats på ett brett spektrum av händelsedrivna avkänningsstrategier. Ordet är analogt med neuromorphic , som appliceras på hårdvaruelement (som processorer ) utformade för att replikera hur hjärnan bearbetar information.

Funktionsprinciper

₀₀ Illustration av laddning på plattorna av en ljuskänslig kondensator i serie med ett motstånd . Före tid t är kondensatorn i mörker och laddningen på plattorna bestäms av C _mörk . Vid tiden t ≥ t är kondensatorn under belysning och kapacitansen ändras till C _light , vilket resulterar i att laddningen som plattorna kan ta emot ändras. Överskottsladdningen flyter sedan på/av plattorna under en tidsperiod som bestäms av motståndet R.

Det finns flera retinomorfa sensordesigner som ger ett liknande svar. De första designerna använde en differentialförstärkare som jämförde insignalen från en konventionell sensor (t.ex. en fototransistor ) med en filtrerad version av utgången, vilket resulterade i en gradvis avklingning om ingången var konstant. Sedan 1980-talet har dessa sensorer utvecklats till mycket mer komplexa och robusta kretsar.

En mer kompakt design av retinomorf sensor består av bara en ljuskänslig kondensator och ett motstånd i serie. Utspänningen från dessa retinomorfa sensorer, $V_{out}$ , definieras som spänning som faller över motståndet. Den ljuskänsliga kondensatorn är utformad för att ha en kapacitans som är en funktion av infallande ljusintensitet. Om en konstant spänning $V_{in}$ appliceras över denna RC-krets kommer den att fungera som ett passivt högpassfilter och all spänning kommer att falla över kondensatorn (dvs. ${\ displaystyle V_{out}=0}$ ). Efter tillräckligt lång tid kommer plattorna på kondensatorn att vara fulladdade med en laddning $Q=\pm C_{mörk}(V_ {in}-V_{out})$ på varje platta, där $C_{dark}$ är kapacitansen i mörker. Eftersom $V_{out}=0$ under konstant belysning kan detta förenklas till $Q=\pm C_{dark}V_{in }$ .

Om ljus sedan appliceras på kondensatorn kommer det att ändra kapacitansen till ett nytt värde: $C_{light}$ . Laddningen som plattorna kan ta emot kommer därför att ändras till $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out })$ , vilket lämnar ett överskott/underskott av avgift på varje platta. Överskottsladdningen kommer att tvingas lämna plattorna och strömma antingen till jord eller ingångsspänningsterminalen. Laddningsflödeshastigheten bestäms av motståndet hos motståndet $R$ och kondensatorns kapacitans. Detta laddningsflöde kommer att leda till att en spänning som inte är noll faller över motståndet och följaktligen en icke-noll $V_{out}$ . Efter att laddningen slutat flyta återgår systemet till stabilt tillstånd, all spänning sjunker återigen över kondensatorn och $V_{out}=0$ igen.

Till vänster: schematiskt tvärsnittsdiagram av ljuskänslig kondensator. Mitt: kretsschema för retinomorf sensor, med ljuskänslig kondensator upptill. Höger: Förväntat transient svar från retinomorf sensor på applicering av konstant belysning.

För att en kondensator ska ändra sin kapacitans under belysning måste isolatorns dielektriska konstant mellan plattorna, eller kondensatorns effektiva dimensioner, vara belysningsberoende. De effektiva dimensionerna kan ändras genom att använda ett dubbelskiktsmaterial mellan plattorna, bestående av en isolator och en halvledare . Under lämpliga belysningsförhållanden kommer halvledaren att öka sin konduktivitet när den utsätts för ljus, vilket emulerar processen att flytta kondensatorns plattor närmare varandra och därmed öka kapacitansen . För att detta ska vara möjligt måste halvledaren ha låg elektrisk ledningsförmåga i mörker och ha ett lämpligt bandgap för att möjliggöra laddningsgenerering under belysning. Enheten måste också tillåta optisk åtkomst till halvledaren genom en transparent platta (t.ex. genom att använda en transparent ledande oxid) .

Ansökningar

Huvudartikel: Händelsekamera

Konventionella kameror fångar varje del av en bild, oavsett om den är relevant för uppgiften. Eftersom varje pixel mäts kan konventionella bildsensorer endast sampla synfältet vid relativt låga bildhastigheter , vanligtvis 30-240 bilder per sekund . Även i professionella höghastighetskameror som används för film , är bildhastigheten begränsad till några tiotusentals bilder per sekund för en fullupplöst bild. Denna begränsning kan representera en prestandaflaskhals i identifieringen av höghastighetsrörliga föremål. Detta är särskilt kritiskt i applikationer där snabb identifiering av rörelse är avgörande, såsom i autonoma fordon .

Däremot identifierar retinomorfa sensorer rörelse genom design. Det betyder att de inte har någon bildfrekvens och istället är händelsedrivna och svarar bara när det behövs. Av denna anledning hoppas retinomorfa sensorer möjliggöra identifiering av rörliga föremål mycket snabbare än konventionella bildanalysstrategier i realtid . Retinomorfa sensorer hoppas därför kunna användas i autonoma fordon, robotteknik och neuromorfisk teknik.

Teori

Retinomorf sensordrift kan kvantifieras med liknande tekniker som enkla RC-kretsar , den enda skillnaden är att kapacitansen inte är konstant som en funktion av tiden i en retinomorf sensor. Om inspänningen definieras som $V_{in}$ , sjunker spänningen över motståndet som $V_{out}$ , och spänningen faller över kondensatorn som ${ \displaystyle V_{C}}$ , kan vi använda Kirchhoffs spänningslag för att ange:

$V_{in}=V_{C}+V_{out}$

Genom att definiera strömmen som flyter genom motståndet som $I$ , kan vi använda Ohms lag för att skriva:

$V_{in}=V_{C}+IR$

Från definitionen av ström kan vi sedan skriva detta i termer av laddning, $Q$ , som flyter från bottenplattan:

$V_{in}=V_{C}+R{\frac {dQ}{dt}}$

där $t$ är tid. Laddningen på kondensatorplattorna definieras av produkten av kapacitansen, $C$ och spänningen över kondensatorn, $V_{C}$ , vi kan därför säga:

$V_{in}=V_{C}+R{\frac {d}{dt}}(CV_{C})$

Eftersom kapacitansen i retinomorfa sensorer är en funktion av tiden, kan $C$ inte tas ut ur derivatan som en konstant. Med hjälp av produktregeln får vi följande allmänna ekvation för retinomorfisk sensorrespons:

$V_{in}=V_{C}+R{\bigg [}C{\frac {dV_{C }}{dt}}+V_{C}{\frac {dC}{dt}}{\bigg ]}$

eller, i termer av utspänningen:

$V_{out}=R{\bigg [}C{\frac {dV_{C}}{dt}}+ V_{C}{\frac {dC}{dt}}{\bigg ]}$

Svar på en stegvis förändring i intensitet

Även om ekvationen ovan är giltig för alla former av $C(t)$ , kan den inte lösas analytiskt om inte ingångsformen för den optiska stimulus är känd. Den enklaste formen av optisk stimulans skulle vara en stegfunktion som går från noll till någon ändlig optisk effekttäthet $P$ vid en tidpunkt $t=t_{0}$ . Även om verkliga tillämpningar av retinomorfa sensorer sannolikt inte kommer att beskrivas korrekt av sådana händelser, är det ett användbart sätt att förstå och jämföra prestandan hos retinomorfa sensorer. I synnerhet är vi främst oroade över den maximala höjden på $V_{out}$ omedelbart efter att lampan har tänts.

I detta fall kan kapacitansen beskrivas med:

$C(t)={\begin{cases}C_{dark},&{\text {för }}t<t_{0}\\C_{light},&{\text{för }}t\geq t_{0}\end{cases}}$

Kapacitansen under belysning kommer att bero på $P$ . Halvledare är kända för att ha en konduktans, $G$ , som ökar med ett effektlagsberoende på infallande optisk effekttäthet: ${\displaystyle G\propto P^{\gamma }} ,$ där ${ \displaystyle \gamma }$ är en dimensionslös exponent. Eftersom $G$ är linjärt proportionell mot laddningstätheten och kapacitansen är linjärt proportionell mot laddningarna på plattorna för en given spänning, har kapacitansen för en retinomorf sensor också ett effektlagsberoende av $P$ . Kapacitansen som funktion av tid som svar på en stegfunktion kan därför skrivas som:

$C(t)={\begin{cases}C_{mörk},& {\text{för }}t<t_{0}\\C_{mörk}+\alpha _{0}P^{\gamma },&{\text{för }}t\geq t_{0}\end {fall}}$

där $\alpha _{0}$ är kapacitansprefaktorn. För en stegfunktion kan vi skriva om vår differentialekvation för $V_{in}$ som en differensekvation:

$V_{in}=V_{C}+R{\bigg [}C{\frac {\Delta V_ {C}}{\Delta t}}+V_{C}{\frac {\Delta C}{\Delta t}}{\bigg ]}$

där $\Delta V_{C}$ är förändringen i spänning som faller över kondensatorn som ett resultat av att lampan tänds, $\Delta C$ är förändringen i kapacitans som ett resultat av tända ljuset, och $\Delta t$ är den tid det tar för ljuset att tändas. Variablerna $V_{C}$ och $C$ definieras som den spänning som faller över kondensatorn respektive kapacitansen omedelbart efter att lampan har tänts. Dvs $V_{C}$ är hädanefter förkortning för ${\displaystyle V_{C}(t_{0})} ,$ och $C$ är hädanefter förkortning för $C(t_{0})$ . Förutsatt att sensorn har hållits i mörker tillräckligt länge innan ljuset tänds, kan förändringen i $V_{C}$ därför skrivas som:

$\Delta V_{C}=V_{C}-V_{in}$

På samma sätt kan ändringen i $C$ skrivas som

$\Delta C=\alpha _{0}P^{\gamma }$

Att lägga in dessa i differensekvationen för $V_{in}$ :

$V_{in}=V_{C}+R{\bigg [}C{\frac {V_{C}-V_{in}}{\Delta t}}+V_{C}{\frac {\alpha _{0}P^{\gamma }}{\Delta t}}{\bigg ]}$

Överst: Illustration av transientsvar (utgångsspänning $V_{out}$ som en funktion av $t$ ) av retinomorf sensor som svar på en stegvis förändring i ljusintensitet från 0 till ${\ displaystyle P}$ , för ökande värden på $P$ . Nederst: Illustration av hur man kan extrahera den retinomorfa meritfiguren, $\Lambda$ , från experimentella retinomorfa sensordata. Genom att plotta förhållandet $V_{in}/V_{max}$ på y-axeln mot $1/{\sqrt {P}}$ på x-axeln, och sedan med en rät linje, kommer gradienten att ge $1/\Lambda$ .

Multiplicera ut detta:

$V_{in}\Delta t=V_{C}\Delta t+R{ \bigg [}C(V_{C}-V_{in})+V_{C}\alpha _{0}P^{\gamma }{\bigg ]}$

Eftersom vi antar att ljuset tänds mycket snabbt kan vi approximera $\Delta t\approx 0$ . Detta leder till följande:

$V_{C}=V_{in}{\frac {C_{mörk}+\alpha _{ 0}P^{\gamma }}{C_{mörk}+2\alpha _{0}P^{\gamma }}}$

Med hjälp av förhållandet $V_{in}=V_{C}+V_{out}$ kan detta sedan skrivas i termer av utspänningen:

$V_{max}=V_{in}{\frac {\alpha _{0}P^{\gamma }} {C_{mörk}+2\alpha _{0}P^{\gamma }}}$

Där vi har definierat topphöjden som ${\displaystyle V_{max}=V_{out}(t_{0})} ,$ eftersom toppen inträffar omedelbart efter att ljuset har varit påslagen.

Den retinomorfa siffran av merit , $\Lambda$ , definieras som förhållandet mellan kapacitansprefaktorn och kapacitansen för den retinomorfa sensorn i mörker:

$\Lambda ={\frac {\alpha _{0}}{C_{mörk}}}$

Med denna parameter kan det omvända förhållandet mellan topphöjd och inspänning skrivas enligt följande:

${\frac {V_{in}}{V_{max}}}=2+{\frac {1}{\Lambda P^{\gamma }}}$

Värdet på $\gamma$ kommer att bero på typen av rekombination i halvledaren, men om band-till-band rekombination dominerar och laddningstätheten för elektroner och hål är lika, $\gamma = 0,5$ . För system där detta är ungefär sant, görs följande förenkling av ekvationen ovan:

${\frac {V_{in}}{V_{max}}}=2+{\frac {1}{\Lambda P^{ 1/2}}}$

Denna ekvation tillhandahåller en enkel metod för att utvärdera den retinomorfa siffran av merit från experimentella data. Detta kan utföras genom att mäta topphöjden, $V_{max}$ , för en retinomorf sensor som svar på en stegvis förändring i ljusintensiteten från 0 till $P$ , för ett intervall av värden $P$ . Att plotta $V_{in}/V_{max}$ som en funktion av $P^{-1/2}$ bör ge en rak linje med en gradient på $1/\Lambda$ . Detta tillvägagångssätt antar att $V_{max}$ är linjärt proportionell mot $V_{in}$ .

Se även

• Optisk sensor
• Händelsekamera
• Neuromorf ingenjörskonst
• Laddkopplad enhet
• Fotodiod
• Active-pixel sensor