Sugárzás érzékelés - Fizikai elv

Átírás

1 Érzékelők

2 Sugárzás érzékelés - Fizikai elv Termikus érzékelők Hőenergia Elektromos energia Termoelem, Termooszlop Kvantum érzékelők Félvezetők Gerjesztés Elektromos energia Vezetési sáv (belső) Kilépés (külső)

3 Típusok Külső fotoelektromos Fotokatód - Fotocella Gáz- vagy vákuum töltés Anyagok: Ag-O-Cs (R-IR) Cs-At (UV-VIS) Cs-Na-K (VIS) GaAs (VIS) hu W ki

4 Típusok Külső fotoelektromos Fotomultiplier Több elektróda sorban (dinódák) Szekunder elektronok Erősítés: akár on

5 Típusok Belső fotoelektromos Fényelem (egyenirányító dióda) Lineáris Külön áramforrás nélküli kapcsolás

6 Típusok Belső fotoelektromos Fotodióda Előfeszítve (záró irányban) Gyorsabb, de zajosabb Avalanche dióda (jelerősítés) Nagyon gyors, nagyon nagy érzékenység

7 Detektorok anyaga

8 DIGITÁLIS KAMERA DETEKTOROK

9 CCD DETEKTOROK Charge-Coupled Device Jelkiolvasás: Soronként Horizontális erősítés Áram vezérelt

10 CMOS DETEKTOROK Complementary Metal- Oxide-Semiconductor Jelkiolvasás: Elemenként (APS) Elemenkénti erősítés Feszültség vezérelt Alacsonyabb Fill Factor Megoldás: Mikrolencsék

11 KIOLVASÁS ÖSSZEFOGLALVA

12 FOTODETEKTOROK TULAJDONSÁGAI Spektrális érzékenység Integrális érzékenység Responsitivity (Válaszkészség) Quantum Efficiency (Kvantum hatásfok) Erősítés (Gain) S/N arány Sötétáram Hőhatás Válaszidő (Response Time) Nemlinearitás

13

14 Item # DCU223M DCU223C DCU224M DCU224C Sensor Sensor Type CCD Exposure Mode Read Out Mode Electronic Global Shutter Progressive Scan Resolution 1024 x 768 Pixels 1280 x 1024 Pixels Optical Sensor Class 1/3" 1/2" Exact Sensitive Area 4.76 mm x 3.57 mm 5.95 mm x 4.76 mm Exact Optical Sensor Dimension (Diagonal) 6.0 mm (0.24") 7.6 mm (0.30") Pixel Size 4.65 µm x 4.65 µm Sensor Name Sony ICX204AL Sony ICX204AK Sony ICX205AL Sony ICX205AK Minimum Opt. Power Density Required 1.4 nw/mm² 1.2 nw/mm² A/D Converter Resolution S/N Ratio Frame Rates Pixel Clock Range a (Allowed/Re commended) 8 Bit 38 db 5-30 MHz/10-20 MHz

15 Frame Rate, Freerun Mode b 30 fps 15 fps Frame Rate, Trigger Mode, 1 ms Exposure 28.7 fps 17 fps Time b Exposure Time in Freerun Mode 30 µs b ms c 66 µs b ms c Exposure Time in Trigger Mode Binning Method Factor, Maximum Resolution, Frame Rate 30 µs b - 10 min c 66 µs b - 10 min c Vertical d V: Monochrome Binning, Additive 2x, 1024 x 384 Pixel, 53 fps 2x, 1280 x 512 Pixel, 23 fps Factor, Maximum Resolution, Frame Rate 4x, 1024 x 192 Pixel, 85 fps 4x, 1280 x 256 Pixel, 31 fps Subsampling - AOI Horizontal, Vertical d Frame Rate at 320 x 240 Pixel (Cif) 78 fps 38 fps

16 Absolute Image Width, Step Width Pixel, Pixel, 4 Absolute Image Height, Step Width Pixels, Pixels, Pixels, Pixels, 2 Position Raster Horizontal Position Raster Vertical Gain Monochrome Model 10.47X (Master) 7.59X/4X (Master/RGB) 13.66X (Master) 8.9X/4.0X (Master/RGB) Offset Control, Mode Auto, Manual, Additive Gain Boost 2x n/a 2x n/a Trigger Hardware Trigger Trigger Delay With Rising Edge, Jitter Trigger Delay With Falling Edge, Jitter Additive Trigger Delay To the Sensor Asynchronous 39.5 µs ± 2.6 µs 39.9 µs ± 2.5 µs 57.9 µs ± 2.6 µs 57.7 µs ± 2.5 µs 15 µs - 4 s Sensor Delay To the Exposure Start <100 µs b

17 Trigger Low Level e Trigger High Level e 0 V Min, 2 V Max 5 V Min, 24 V Max Power Consumption W W Housing Lens Connector C-Mount Protective Window, Removable Uncoated Glass (D263) IR Filter D263 with HQ coating Uncoated Glass (D263) IR Filter D263 with HQ coating Interface USB 2.0 Power Supply 1.7 W, via USB 1.1 to 2.1 W Operating 32 to 122 F (0 to 50 C) Temperature Security Labels CE, FCC, Class A Dimention (H x W x D) 1.59" x 1.26" x 1.35" (40.35 mm x 32 mm x 34.4 mm) Weight 0.21 lbs (96 g) Objective Connector C-Mount

18

19 CCD - CMOS PIACI RÉSZESEDÉS (2015)

20 CCD SMEARING [CSÍKOZÓDÁS]

21 CCD BLOOMING [VIRÁGZÁS]

22 SZÍNÉRZÉKELÉSI STRATÉGIÁK

23 BAYER SZENZOR CCD és CMOS detektorokban Szilikon fotodiódák, színsávokra szűrve + IR szűrő Color Filter Array a színérzékeléshez (Bayer) Egy pixel csak egy színt érzékel, % eloszlásban (B-G-R) Demosaicing (CFA interpoláció) szükséges

24 BAYER SZENZOR

25 CFA INTERPOLÁCIÓ 1 KÉP 2 CFA (BAYER) 3 SZENZOR KÉP 4 SZENZOR KÉP, CFA SZÍNEZETTEL 5 INTERPOLÁCIÓ (PL:, NEAREST NEIGHBOUR, BILINEÁRIS)

26

27 KITEKINTÉS RÉTEGZETT SENSOR (FOVEON X3) Foveon X3 (Foveon Inc.) designja A fotodiódák színenként nem a felszínen, hanem vertikálisan vannak elosztva A különböző színeket különböző mélységben érzékeljük, a behatolási mélységük eltér Az egyes pixelek mindhárom színkomponenst tartalmazzák

28 RÉTEGZETT SZENZOR (FOVEON X3)

29 KITEKINTÉS 3CCD SZENZOR Trikroikus prizma segítésével három részre bontjuk a beérkező fényt 3 CCD szenzor érzékeli a színkomponenseket minden pontban

30 MULTISPEKTRÁLIS KAMERA 3 db CCD->7 spektrális csatorna: nm

31 MULTISPEKTRÁLIS KAMERA 3 db CCD->7 spektrális csatorna: nm

32 Házi Feladat

33 Házi feladat Adott paraméterű feladatra tervezzen kamerarendszert Részfeladatok: 1. Kamera objektív és detektor kiválasztása számításokkal alátámasztva 2. Dokumentáció (összeállítási rajz, modellezett (triplet) objektív lencsék foglalásai metszetben, tételjegyzék, optikai sugármenet rajza) 3. Gyakorlati alkalmazási példa felvázolása

34 Object Angle Smallest size Distance Colour Lateral Speed Illumination 0.5 deg bw 0.01m/s RGB LED 2 deg multi 0.1m/s NIR 15 deg m/s 532nm Napfény Xenon NEPTUN kód digitjei alapján: 1digit 2digit 3digit 4digit 5digit 6digit A-I A-I A-I A-O A-I A-G J-Z J-Z J-Z O-No. J-Z H-M no. no. no. no. N-R S-Y Z-No.

35 Feltételezések - Megvilágítás / detektor érzékenység optimumon Pixel telítődés max 80% - Statikus megvilágítás - Optimális expozíció (t exp <10ms) - Homogén tárgy struktúra - Ghosting = 0 - Objektív tripletként modellezve - Nincs axiális irányú lényeges kiterjedés (DoF) - Axiális irányú mozgás nincsen

36 Feltételezések - Megvilágítás / detektor érzékenység optimumon Pixel telítődés max 80% - Statikus megvilágítás - Optimális expozíció (t exp <10ms) - Homogén tárgy struktúra - Ghosting = 0 - Objektív tripletként modellezve - Nincs axiális irányú lényeges kiterjedés (DoF) - Axiális irányú mozgás nincsen

37

38

39 Fókusz?

40

41 Detektor

42

43

44

45 PÉLDA

46

47

48

49

50 A szükséges adatátviteli sebesség 1FPS és 8 bites pixel mélység esetén: 2048*1088*1*8 = 17 Mbit/s A szükséges adatátviteli sebesség 49,5 FPS és 8 bites pixel mélység esetén: 2048*1088*49,5*8 = 841,5 Mbit/s A detektor videó kimenete: GigE, IEEE BASE-T (1000Mbit/s). Ez megfelelő.

51 Összeállítási rajz

52 Objektív demo foglalással (fakultatív)