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Analisi delle caratteristiche richieste al sistema di acquisizione dati

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In questo articolo analizzeremo le caratteristiche richieste al sistema che si andrà a realizzare ed in cui abbiamo già parlato in articoli precedenti. Questo SAD dovra' rispondere a esigenze di semplicità di utilizzo,buona sensibilità e costi ridotti. La frequenza massima di lavoro del sistema non è un parametro fortemente restrittivo, in quanto le dinamiche dei segnali che saranno analizzati saranno molto lente (segnali percettivi della mano, si veda progetto Dexmart).

Elenchiamo di seguito le caratteristiche principali del sistema:

-Economicità;

-Complessità minima di realizzazione e messa in opera;

-Sistema stand-alone;

-Flessibilità nel:

  a. Riutilizzo della strumentazione;

  b. Aggiunta di nuovi componenti o sensori;

  c. Programmazione "User friendly".

 

Descrizione delle caratteristiche richieste al sensore

 

Definite le linee guida del progetto è possibile fissare alcune specifiche che riguardano il sensore di immagine. Partendo dalle caratteristiche precedentemente descritte si richiede, per la nostra applicazione, un sensore che abbia :

1. Pixel size adeguato.

2. Utilizzo nel campo del visibile.

3. Ampio campo di linearità.

4. Ottima sensibilità.

5. QE elevata.

6. Dynamic Range elevato.

7. Costo contenuto.

8. Semplicità nella comprensione delle caratteristiche funzionali e nella messa in opera.

9. Semplicità di interfacciamento con dispositivi programmabili.

 

Minore è il pixel size maggiore sarà il numero di fibre ottiche che possono essere controllate contemporaneamente dal sensore. Bisogna però tenere in conto che essendo la dimensione del raggio luminoso emesso pari al diametro della fibra ottica, allora si ha che lo spot di luce sarà pari a circa 50 μm( per le fibre monomodali è 10 μm senza tener conto della diffrazione).

Scenderemo più in dettaglio riguardo a queste considerazioni nell’ultimo capitolo in cui saranno mostrati i risultati ottenuti in laboratorio. Non si richiedono specifiche restringenti in termini di velocità e numero di pixel quanto di sensibilità, precisione e semplicità di utilizzo visto che, per l’applicazione in esame, è il fattore critico.

 

Opzioni disponibili sul mercato

Il mercato offre le seguenti principali tipologie di sensori :

1. Sensori lineari:

a. CCD(Charge Coupled Device);

b. CMOS CID (Charge Injection Device);

c. CMOS APS(Active Pixel Sensor);

d. CMOS ACS (Active Column Sensor);

 

 

 

2. Sensori a matrice di pixel:

a. Area CCD;

b. CMOS con Line Binning.

 

 

I sensori CCD sono ideali per applicazioni ad alta precisione e bassissima luminosità. La collaudata tecnologia trentennale ha portato alla realizzazione di sensori di quarta generazione. Sono garanzia di qualità e affidabilità.

Nella presente applicazione si scarterà la versione a matrice di pixel che risulta ridondante e di complicata realizzazione circuitale. I sensori CCD sono utilizzati nelle applicazioni IR1 ad alta potenza e moderata precisione quindi esulano dalla nostra trattazione.

La versione APS dei sensori CMOS è, invece, adatta alla spettrometria anche se il ridotto FF influisce sulla QE. Non è adatta per applicazioni a bassa potenza e ad alta precisione a causa dell‘elevato FPN. Si prenderà in considerazioni per la sua caratteristica di basso costo e semplicità di integrazione.

Nei sensori a matrice di pixel CMOS la funzionalità del Line Binning permette di eseguire la somma delle righe in maniera hardware e quindi, a meno di un piccolo aumento della complessità nel controllo, di utilizzarlo come se fossero lineari.

La scelta del sensore, infine, verrà rivolta verso la relativamente “giovane” tecnologia ACS.

 

Il mercato

Di solito la scelta di un sensore viene condizionata sia dall’applicazione sia dalla casa produttrice che ne garantisce le specifiche e la qualità. Le principali case produttrici di sensori d’immagine attualmente sono Nec, Atmel, Dalsa, Hamamatsu, Sony, Toshiba.

La maggior parte di queste case producono sensori a matrice di pixel per applicazioni consumer (videocamere, fotocamere, apparecchiature per videosorveglianza, ecc...). Pochi producono sensori lineari e in bianco e nero e le case che realizzano manufatti in tecnologia CCD non offrono quasi mai in alternativa la versione CMOS.

Ciò è giustificabile considerando la specializzazione richiesta dalle catene di produzione dei sensori CCD. Poche case offrono congiuntamente al sensore dei “driver circuits “ per il controllo e Analog Front End (AFE) per la lettura e successiva conversione A/D.

Solo alcune case offrono i loro sensori con raffreddamento integrato (Thermal Cooler) e inscatolati in modo da evitare la condensa.

 

Panavision S.V.I.

La Panavision S.V.I. è una giovane casa produttrice di sensori di immagine lineari sia in bianco e nero che a colori in tecnologia CMOS. Essa raccoglie l’eredità della Photon Vision System Inc. che già dal 1999 commercializzava e operava ricerche sulla tecnologia CMOS e nel campo dei sensori di immagine.

Nel giugno del 2000 la Photon Vision risultò assegnataria, presso l’ufficio brevetti americano(United States Patent Office ), di un brevetto che descrive un nuovo dispositivo di immagine con la denominazione “Complementary Metal Oxide Semiconductor Imaging Device “ ,CMOS.

Questo dispositivo, apportando piccole modifiche ai sensori tradizionali APS, prometteva di “risolvere” i problemi di rumorosità e FPN. Di fatto la tecnologia ACS, utilizzata in questo dispositivo CMOS, sostituisce agli stadi di lettura che funzionano a ciclo aperto un vero e proprio amplificatore retrazionato che risolve il problema della difformità della lettura dei pixel.

La prima versione commerciale, il LIS-64, fu introdotta nel 2000. La Photon Vision da quel momento ha subito numerose variazioni di assetto. Nel 2002 la Panavision S.V.I., intestataria del brevetto, produce e commercializza la linea di sensori LIS (Linear Image Sensor), ampliandola con la gamma ELIS (Enhanced High Performance Linear CMOS Image Sensor ), SLIS (Scanning Linear Image Sensor) e con l’ultimo nato RLIS (Reduce Power Linear Image Sensor).

 

Questo ultimo sensore, commercializzato a partire dal Settembre 2004, presenta sia ingressi analogici che digitali, tecnologia ACS, CDS (Correlated Double Sample) e dynamic range di 63 dB il tutto realizzato in unico chip a 16 pin alimentato a 3V. La gamma di sensori si arricchisce e si completa con il sensore video a matrice di pixel e a colori QuadHDTM che con una risoluzione di 8.3 Megapixel (3840x2192) e una velocità di 30 Frame/s rappresenta un’importante alternativa ai sensori di immagine utilizzati nel campo video.

Le potenzialità della casa e della tecnologia adoperata hanno dato i primi risultati ragguardevoli già nell’Aprile 2002 visto che la JVC ha scelto di utilizzare per le sue videocamere proprio il sensore QuadHDTM. La Panavision S.V.I. è una casa leader nel settore della progettazione, produzione e commercializzazione di apparecchiature e sistemi di acquisizione immagine oltre che di accessori per cinematografia. Utilizzatrici delle sue apparecchiature risultano numerose produzioni cinematografiche di successo(ad esempio “Master and “, “The Last Samurai “,”Could Mountain “ e molte altre ).

 

Articoli precedenti e correlati a questo:

http://it.emcelettronica.com/sviluppo-di-sistema-di-controllo-e-acquisizione-sensori-di-immagine-cmos-su-fpga

 

 

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