Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cho CCD camera tốc độ

TRẦN HOÀNG SƠN BỘ GIÁO DỤC VÀĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KIỂN CHO CCD CAMERA TỐC ĐỘ 2014 - 2016 TRẦN HOÀNG SƠN HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KIỂN CHO CCD CAMERA TỐC ĐỘ TRẦN HOÀNG SƠN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.02.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN HOÀNG DŨNG HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu thực tơi phối hợp với nhóm nghiên cứu, thực hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Hoàng Dũng Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Trần Hồng Sơn i LỜI CẢM ƠN Luận văn thực định hướng hướng dẫn TS Nguyễn Hồng Dũng, phối hợp với nhóm gồm bạn Mai Xuân Hòa Tào Tuấn Mạnhsinh viên K56, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội thực Xin chân thành cảm ơn thầy, cô thuộc trường đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Đại học Mở Hà Nội giúp đỡ em hoàn thành luận văn Học viên Trần Hoàng Sơn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .viii MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chương 1: NGHIÊN CỨU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH 1.1 Nghiên cứu cảm biến hình ảnh CCD 1.1.1 Cấu trúc cảm biến hình ảnh CCD 1.1.2 Sai số (nhiễu ) Readout (tín hiệu khơng mong muốn) 1.1.3 Phạm vi quang phổ 10 1.1.4 CCD không gian 10 1.2 Nghiên cứu cảm biến hình ảnh CMOS 11 1.2.1 Cấu trúc cảm biến hình ảnh CMOS 11 1.2.2.Hiệu suất lượng tử 16 1.2.3 Nhiễu readout phạm vi hoạt động 16 1.2.4 CMOS không gian ứng dụng 17 1.3 So sánh đánh giá cơng nghệ cảm biến hình ảnh CCD CMOS 18 1.4 Kết luận chương 21 Chương 2: NGHIÊN CỨU VỀ CCD CAMERA 22 TỐC ĐỘ CAO TẠI BKFET LAB 22 iii 2.1 Nghiên cứu cảm biến hình ảnh CCD tốc độ cao ISIS 22 2.1.1.Mô tả cấu trúc bề mặt 22 2.1.2 Thông số kĩ thuật cảm biến hình ảnh CCD tốc độ cao ISIS 24 2.1.3.Cấu trúc pixel cảm biến hình ảnh ISIS 25 2.1.4.Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên cảm biến hình ảnh ISIS 28 2.1.5 Đánh giá kết thí nghiệm chụp ảnh cảm biến hình ảnh ISIS 31 2.1.5.1 Đánh giá kết thí nghiệm chụp ảnh điều kiện thí nghiệm 31 2.1.5.2 Tỷ lệ khung hình khả điều khiển điện tích 32 2.1.5.3 Đánh giá nhiễu ISIS 36 2.2 Nghiên cứu cảm biến hình ảnh CCD tốc độ siêu cao ISAS [3] 36 2.2.1.Mơ tả tóm tắt cảm biến hình ảnh CCD tốc độ siêu cao ISAS 36 2.2.2.Cấu trúc pixel cảm biến hình ảnh ISAS 37 2.2.3.Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên cảm biến hình ảnh ISAS 38 2.2.3.1 phương pháp điều kiển xung chuyển giao2 giai đoạn 38 2.2.3.2 phương pháp điều kiển xung chuyển giao giai đoạn 40 Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO CCD CAMERA TỐC ĐỘ CAO 45 3.1 Hệ thống điều khiển 45 3.1.1 Đường bus điểu khiển main board 45 3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 46 3.1.3 Khối Decoder 47 3.1.4 Khối Controller 50 3.1.5 Nhóm khối điều khiển VCCD HCCD 53 3.2 Thực mô kết mô 54 3.3 Kết luận chương 59 iv KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 62 PHỤ LỤC 63 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt CCD CMOS Tiếng Anh Tiếng Việt Charge Couple Device Comlementary Semiconductor Linh kiện tích điện kép Metal Oxide Cơng nghệ dùng để chế tạo mạch tích hợp ADC Analog to Digital Converter Mạch chuyển đổi tương tự sang số APS Active Pixel Sensor Điểm ảnh chủ động ISIS Insitu Storage Image Sensor Cảm biến hình ảnh lưu chỗ ISAS Image Sensor CCM Charge carrier multiplication Ghép đa kênh mang điện tích VCCD VerticalCharge Couple Device CCD hàng dọc (bộ nhớ tuyến tính theo cột) HCCD HorizontalCharge Couple Device CCD hàng ngang (bộ nhớ tuyến tính theo hàng) BSI Backside illuminated Chiếu phía sau APS Active Pixel Sensor Điểm ảnh chủ động CDS Correlated double sampling Tương quan lấy mẫu đơi Signal Accumulation Cảm biến tích lũy tín hiệu hình ảnh vi DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Bảng 1 So sánh CCD CMOS 19 Bảng Thông số kĩ thuật ISIS-V12 so với ISIS-V16[2] 25 Bảng Chức tín hiệu khối decoder 49 Bảng Trạng thái điều khiển khối Controller 50 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Điểm ảnh, pixel Hình Cấu trúc cảm biến CCD Hình Hoạt động cảm biến CCD Hình Electron điện cực Hình Hai dạng CCD Hình 6.(a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu CCA (b) Tương quan lấy mẫu Hình Cấu trúc cảm biến CMOS 12 Hình Mơ hình CMOS APS (a) cấu trúc mảng (b) 14 Hình Layout CMOS điển hình 15 Hình 10 So sánh cảm biến CCD CMOS 18 Hình 11 Xu hướng phát triển CMOS CCD 20 Hình Cấu trúc bề mặt cảm biến hình ảnh lưu trữ chỗ (ISIS) 23 Hình 2 Sơ đồ mặt trước ISIS 26 Hình Điện cực linear CCD 27 Hình Nguyên lý điều khiển hoạt động ISIS 29 Hình Kỹ thuật truyền four-phase cho linear CCD 30 Hình đánh giá kết thí nghiệm chụp ảnh 31 Hình ngắt quãng chùm laser 200 cánh 32 Hình Một hình ảnh cánh bắt camera V16 33 Hình Tốc độ khung hình so với di động cánh 34 Hình 10 Bốn ảnh liên tiếp xung ánh sáng LED 35 Hình 11 Qmax so với tốc độ khung hình 35 Hình 12.Kiến trúc ISAS mặt trước 37 Hình 13.Giản đồ thay đổi hướng chuyển giao hai giai đoạn 39 Hình 14 Kênh điện chụp nghiêng gấp khúc ISAS truyền hai giai đoạn 40 Hình 15 Giản đồ thay đổi hướng chuyển giao bốn giai đoạn 40 Hình 16 Layouts chuyển giao bốn giai đoạn CCD-ISAS 41 Hình 17 Chương trình hoạt động CCD-ISAS 41 viii Hình 3.4 Tín hiệu khối Controller 52 3.1.5 Nhóm khối điều khiển VCCD HCCD Điều khiển hoạt động VCCD bao gồm khối v_phs_clean, v_inc, v_phs_generator, ab_clk_generator Controller Hình 3.5 V_end V_phs_clean v_start Controller sel[2:1] Mask (a|col|abg|bg) V_clean V_inc V_phs ab_clk_generator V_go V_inc V_phs V_phs Hình 3.5 Sơ đồ khối kết nối khối điều khiển VCCD V_phs_clean có chức làm rỗng readout VCCD sau chu kì hoạt động cảm biến Bên cạnh gửi tín hiệu v_phs đến khối ab_clk_generator.Khối V_inc V_phs tương tác với tạo tín hiệu v_phs tương tự khối v_clean Tại khối ab_clk_generator, sau nhận tín hiệu v_phs tín hiệu từ controller, khối tạo tín hiệu điều khiển electrons memory CCD VCCD theo tốc độ cấu hình từ khối timer decoder Khi camera thực xong giai đoạn lưu trữ memory CCD readout VCCD, electrons chuyển xuống HCCD điều khiển khối kết nối Hình 3.6 53 mask (adclk|bog|shd|shp) mask_rgnew pcisis_phs [3:0] H_phs_generator c_clk_generator Out h_end h_read; h_shift; c_mode mask (rg|sh) mask (c|ccma) Controller Hình 3.6 Sơ đồ kết nối khối điều khiển HCCD Trong trình thực đọc từ VCCD xuống HCCD (khi h_read = 1), tức giai đoạn không thực việc dịch HCCD (h_shift = 0) nên tín hiệu h_end = (tín hiệu báo kết thúc việc dịch) Trong giai đoạn đọc từ VCCD xuống HCCD, đọc xong có tín hiệu thơng báo đọc xong (mask_rg = 1) Khi h_shift = tức thực việc dịch HCCD, sau dịch hết có tín hiệu báo kết thúc việc dịch (h_end = 1) 3.2 Thực mô kết mô Từ việc hiểu rõ sơ đồ hệ thống cách thức điều khiển electrons ISIS camera, nhóm sử dụng VHDL để triển khai hệ thống phần mềm Quartus hãng Altera viết testbench mô ModelSim nhà sản xuất Mentor Graphics Dưới kết mà nhóm thu 54 Hình 3.7 Kết mơ tổng quan Hình 3.7 cho thấy y tổng t quan hoạt động camera hai lầnn ch chụp hình liên tiếp Ban đầu u electrons lưu trữ memory CCD đượ ợc dịch chuyển xuống VCCD, tín hiệệu mơ tả tín hiệuu màu xanh nh Hình 3.7 Khi HCCD vẫẫn chưa có tín hiệu (được mơ tả ng tín hi hiệu đỏ Hình 3.7).Sau lưu trữ ữ 150 (15x10) phần tử đầu tiền, electrons bắtt đđầu dịch chuyển dần xuống ng HCCD.Khi có tín hiêu điều khiển tạii HCCD cho phép electrons di chuyển n xuống xu 55 Hình 3.8 Mơ chế độ chụp camera Khi camera phát hi bắt kiện, chế độ chụp đượcc kích ho hoạt.Khi đó, camera diễn hoạtt động đ lưu trữ electrons.Tín hiệuu A1a, A2, A3a A4 lưu trữ dịch ch chuy chuyển memory CCD.Tại thời điểểm điểm đó, tín hiệu điều khiểnn A1b, B2, A3b, B4 VCCD ch chưa kích hoạtt nh Hình 3.8 Sau memory CCD llưu trữ đủ tín hiệu, q trình đọcc tín hiệu hi thực hiện.Các n.Các electrons di chuyển chuy xuống VCCD nhờ Switch đượcc kích ho hoạt; electron truyền cặp điệện cực Hình 3.9a.Khi memory CCD VCCD hoạt động 56 Tiếp sau đó, mộtt electrons hoàn thành việc vi truyền từ memory CCD xuống ng VCCD memory CCD tr trở nên trống rỗng.Lúc có VCCD ho hoạt động (Hình 3.9b) Trong pha tiếp ti theo, electrons dịch chuyển từ VCCD xuống HCCD cách liên tụcc tuyến tính Hình ình 3.9c Memory CCD VCCD trở tr nên trống rỗng.Cùng mộột thời điểm có hai electrons truyền n K Kỹ thuật fourphase áp dụng ng hầu h hết pha ISIS bao gồm m lưu tr trữ truyền electrons, thể hiệnn qua Hình 3.8 Hình 3.9 Tín hiệu hi từ HCCD khuếch đại ngồi cảm biếến, kết thúc chu kì làm việc a Transfer from memory CCD to VCCD 57 b Readout VCCD c Readout HCCD Hình 3.99 Mơ hoạt động readout ISIS 58 3.3 Kết luận chương Tồn chương III trình bày chi tiết sơ đồ hệ thống, cách thức điều khiển hoạt động khối điều khiển camera đưa mô theo nguyên lý hoạt động camera 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua thời gian thực luận văn, hướng dẫn thày Nguyễn Hồng Dũng, nhóm nghiên cứu hồn thành đề tài đáp ứng yêu cầu đặt liên quan đến điều khiển cảm biến CCD công nghệ ISIS Hơn nữa, nhóm hiểu nguyên lý với cách thức điều khiển tín hiệu chạy mơ tín hiệu với nguyên lý hoạt động thực tế ISIS-camera Qua trình nghiên cứu, tác giả luận văn với tư cách thành viên nhóm nghiên cứu nhận thấy luận văn làm số cơng việc sau: - Nghiên cứu tìm hiểu cảm biến hình ảnh CCD CMOS với ưu nhược điểm chúng - Đi sâu nghiên cứu loại cảm biến CCD đặc biệt ISIS-CCD Loại cảm biến nghiên cứu phòng thí nghiệm Hydraulic, trường Kinki hướng dẫn Giáo sư T G Etoh cộng - Bên cạnh nghiên cứu thêm hướng phát triển biến hinh ảnh tốc độ cao siêu cao Đó cảm biến tích lũy tín hiệu hình ảnh tốc độ siêu cao ISAS (Image Signal Accumulation Sensor) - Nghiên cứu thiết kế điều khiển cảm biến CCD với cơng nghệ ISIS Nhóm hy vọng thời gian tới đạt cải thiện đáng kể mặt tốc độ, hạn chế độ nhiễu từ việc kế thừa kết đạt từ nghiên cứu trước đề tài liên quan 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nick Waltham, CCD and CMOS sensors (2013), Volume of the series ISSI Scientific Report Series pp 423-442 [2].H D Nguyen, T G Etoh, V T S Dao, C.Vo-Le, M Tanaka, 16-Mfps extremely-high-sensitivity video camera [3].Takeharu Goji Etoh, Dao Vu Truong Son, Toshiaki Koike Akino, Toshiro Akino, Kenji Nishi, Masatoshi Kureta, Masatoshi Arai, Ultra-High-Speed Image Signal Accumulation Sensor (2010) [4].T G Etoh, V T S Dao, H D Nguyen, K Fife, M Kureta, M Segawa, M Arai and T Shinohara, Progress of Ultra-high-speed Image Sensors with In-situ [5].T Goji Eto, D Poggemann et al, A CCD Image Sensor of 1Mframes/s for Continuous Image Capturing of 103 Frames (2002), IEEE International SolidState Circuits Conference 2002/ Session 2/ Image sensor/2.7 61 PHỤ LỤC Bảng lệnh tín hiệu CAin (input of Decoder Block) từ máy tính Lệnh mã hóa Ý nghĩa 00000 camera start command 00001 frame rate1 high command 00010 frame rate1 middle command 00011 frame rate1 low command 00100 frame rate2 high command 00101 frame rate2 middle command 00111 frame rate2 low command 01000 trigger delay1 command 01001 trigger delay2 command 01010 trigger delay3 command 01011 frame number after trigger command 01100 frame number after frame speed chage point command 01101 type(illumination,trigger) command 10110 illumination start-stop command 10111 AD9824 select command 11000 CCM MODE command 11001 CCM GAIN A command 62 PHỤ LỤC Bảng chuyển trạng thái khối Controller State Condition s0 = State s54 = (start_a = – ON) s0 = s55 = s54 = s55 = s56 = (start_b = – ON) s55 = s56 = s57 = s56 = s57 = s58 = (start_c = – ON) s57 = s58 = s59 = s58 = s59 = s1 = s59 = s62 = (v_clean_ena = 1) s1 = s63 = ; s62 = v_end_clean = s4 = (v_start = 1) s63 = s_expwait = s5 = (trig_ena = 1; mask_ena s4 = else s54 = s1 = t_endb = (timer 6ms) n_wait = s62 = s63 = s4 = = 1) trig_mode = 01 & c_md t_safe_start = ~ usedoubletrig =1 t_safe_start = s5 = t_safe_end = & c_md = s_reset_req = s5 = s30 = v_end = s30 = h_end = or c_md = s6 = (t_startb = 1) - wait s30 = shutter close s6 = s7 = s29 = s7 = s6 = t_endb = or c_md = s29 = s7 = h_end = or c_md = s8 = (v_start = 1) : start 20VCCDs dummy 63 s29 = State Condition s8 = s9 = s9 = s8 = s23 = (t_startc = ) s9 = s24 = s23 = t_endc = s32 = (loop_cntd = ) s24 = ccm_md(2) = s33 = (v_start = 1; v_num = v_end = s23 = s24 = State 5) s32 = ccm_md(2) = s32 = s47 = loop_cntb = ccm_md(2) = s10 = (loop_cnta = 0, loop_cntb # loop_cnte = ) s33 = s34 = s33 = s35 = (t_startc = ) s34 = s36 = s35 = s37 = (mask_bs = ) s36 = s37 = s60 = (start_c = – ON) s37 = s60 = s64 = s60 = s34 = v_end = s35 = s36 = s64 = t_endc = set_end = s38 = (v_start = 1; v_num = s64 = ) s38 = s39 = v_end = s40 = s41 = t_endc = s42 = s39 = (mask_bg = ) s38 = s40 = (t_startc = ) s39 = s41 = s40 = s42 = s41 = s43 = (v_start = 1; v_num = s42 = 1) s43 = s44 = (mask_ccmb = s43 = ccm_md(2) ) s44 = s45 = v_end = s45 = (t_startc = 1) s44 = s46 = s45 = 64 State s46 = Condition t_endc = s47 = State s47 = s46 = s48 = (h_read = 1; mask_rg = s47 = 1) s48 = s49 = s48 = mask_ccma = s49 = h_end = s50 = (t_startc = 1; mask_rg s49 = =0) s50 = s51 = s51 = t_endc = s50 = s10 = (loop_cnta = 0; s51 = loop_cnte = ) s10 = s11 = (h_shift = 1; mask_rg = s10 = 1) s11 = s12 = h_end = s31 = s12 = s11 = s31 = (mask_rg = ) s12 = s13 = (v_start = 1) - start s31 = transfer data from VCCD to HCCD s13 = s14 = v_end = s25 = s26 = t_endc = s15 = s14 = (mask_c = 1) s13 = s25 = (t_startc = ) s14 = s26 =1 s25= s15 = s26 = s16 = (h_read = 1; mask_rg = s15 = 1) s16 = s17 = (w_ena = 1; mask_ad s16 = =0) s17 = h_end = s27 = (t_startc = 1; mask_rg s17 = =0) s27 = eq(4) = s28 = 65 s27 = State Condition eq(4) = State s11 = (h_shift = ) mask_rg = s28 = s52 = t_endc = s52 = ccm_md(2) = s53 = s28 = s52 = ccm_md(2) = and eq(3) s53 = =1 ccm_md(2) = s53 = s18 = s19 = s37 = s18 = s53 = eq(1) = s19 = s18 = eq(1) = s32 = c_md = s20 = (v_start = 1) c_md = s0 = (lreset = ) s20 = s19 = s21 = s20 = s21 = v_end = s22 = s21 = s22 = eq(2) = s61 = & mem_start = s22 = eq(2) = s8 = (v_start = ) & mem_start = s61 = tr_end = s2 = s3 = t_endd = s2 = (t_startd = 1) s61 = s3 = (cpu_end = - OFF ) s2 = s0 = s3 = 66 ... pháp điều kiển xung chuyển giao giai đoạn 40 Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO CCD CAMERA TỐC ĐỘ CAO 45 3.1 Hệ thống điều khiển 45 3.1.1 Đường bus điểu khiển. .. khiến cho cảm biến CCD có bất lợi tốc độ xử lý hoàn thiện ảnh chậm Với công nghệ đời cảm biến hình ảnh CCD Camera tốc độ cao nhằm tăng tốc độ đọc thông tin điểm ảnh Do việcthiết kế mạch điều khiển. .. Sơ đồ khối kết nối khối điều khiển VCCD 53 Hình Sơ đồ kết nối khối điều khiển HCCD 54 Hình Kết mô tổng quan 55 Hình Mô chế độ chụp camera 56 Hình Mơ hoạt động readout