Sviluppo e Confronto di Strumenti di Prova
per Sensori d'Immagine
Relatori:
Prof. Michele Lanzetta
Prof. Sergio Saponara
Ing. Marcello Mulé
Candidato:
Niccolò Capecci
• Introduzione
• Illuminatore Analogico
• Illuminatore PWM
• Confronto degli illuminatori
• Conclusioni e sviluppi futuri
• Riferimenti
Introduzione
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Obiettivi e finalità
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Sistema A.C.T.
•Illuminatore PWM •Riferimenti Alkeria
Studio e sviluppo di un sistema di
illuminazione artificiale per la
caratterizzazione di sensori d’immagine
Realizzare uno strumento che permetta
un’analisi tecnica dei sensori al fine di
stabilirne proprietà, prestazioni e qualità
• Produttore di telecamere digitali per dispositivi
industriali e biomedici
• Analisi critica dello standard EMVA1288 per verificarne
EMVA 1288
European Machine Vision Association
Standard promosso da un consorzio di produttori di telecamere
Nasce
dall’esigenza di realizzare un protocollo per determinare in
maniera univoca i parametri funzionali significatici delle camere.
Il lavoro di questa Tesi è stato condiviso con il Dott. Gastasini, che
ha curato la realizzazione della parte software dello standard ed il
dimensionamento della sfera di A.C.T.
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Obiettivi e finalità
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Alkeria
Sistema A.C.T.
Telecamera
Convertitore ADC
Software
Illuminatore
Sfera di Ulbricht
Fotodiodo
Sistema A.C.T. – Illuminatore
Motivazioni sulla scelta dei LED:
• Caratteristica corrente/flusso
luminoso lineare
• Emissione luminosa approssimabile
come monocromatica (spettro stretto)
• Circuiteria di controllo molto semplice
LED rosso, verde e blu
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Obiettivi e finalità
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Alkeria
Illuminatore Analogico
Caratteristiche Ricercate
:
• Pilotare l’intensità luminosa da remoto.
• Variazione della luminosità accurata e
ripetibile.
• Caratterizzare la risposta dei LED in
Circuito di alimentazione
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Introduzione
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Modello del circuito di alim.
•Illuminatore PWM •Riferimenti Calibrazione dell’irradianza
Amplificatore sommatore
Tensione generata dal DAC
Convertitore Corrente-Tensione
MOSFET
Simulazione del modello – Risposta al gradino
Impostando una tensione di 2V in ingresso all’amplificatore sommatore, il circuito di alimentazione
raggiunge il valore di regime in circa 20us
Le forti sovraelongazioni sono dovute:
•Elevato guadagno d’anello
•Stadio di uscita asimmetrico a singolo MOSFET
•Limitata velocità di risposta degli amplificatori (slew-rate)
Simulazione del modello – Riduzione delle
sovracorrenti
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Introduzione
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Modello del circuito di alim.
•Illuminatore PWM •Riferimenti Calibrazione dell’irradianza
Al fine di limitare il fenomeno
della sovraelongazione della
corrente è possibile rallentare le
variazioni di tensione ai capi
dell'amplificatore operazionale,
rispettando il limite di:
s
V
Simulazioni del modello – Caratteristica d’uscita
Modello
Reale
Per verificare la linearità dell'uscita del circuito e verificare il range di corrente
generato, è stata inviata una rampa al circuito di amplificazione da 0V a 2.5V che
corrisponde al range di uscita del DAC.
2 supcm
mW
P
Misurare la potenza incidente
sull'unità di superficie (irradianza)
J
c
h
E
p
L’energia associata ad un fotone:
La media dei fotoni che arrivano sulla
superficie di un pixel della telecamera:
p esp px p
E
t
A
P
sup
1
Rilevazione dell’intensità luminosa
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Modello del circuito di alim.
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Calibrazione dell’irradianza
•Illuminatore PWM •Riferimenti Pilotaggio
Il fotodiodo è collocato su un’uscita dedicata, tarata
in modo che il livello di irradianza corrisponda a
quella delle telecamere
Pilotaggio in ciclo aperto
PC
PIC DAC
Circuito di alimentazione
Invio da PC del valore (in count del DAC) al PIC che si
occuperà di inviarlo via bus I2C al DAC.
Il DAC converte il valore in tensione da presentare in
ingresso al circuito di alimentazione.
Dipendenza della Luminosità dalla temperatura
Deriva a regime 30uV ogni 10s
Deriva nel transitorio 2mV ogni 10s
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Modello del circuito di alim.
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Modello del circuito di alim.
Pilotaggio in ciclo chiuso
PC
PIC DAC
Circuito di alimentazione
Compensazione della Luminosità
Algoritmo di bisezione
Riduzione dell’effetto della deriva
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Modello del circuito di alim.
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Modello del circuito di alim.
•Illuminatore PWM •Riferimenti Pilotaggio
Gestione del transitorio:
• Algoritmo di bisezione
Compensazione a regime:
• Guadagno unitario • Guadagno dinamico
Compensazione della Luminosità
In condizioni critiche la compensazione a guadagno dinamico risulta più efficiente
Illuminatore PWM
Caratteristiche Ricercate
:
•Pilotare l’intensità luminosa da remoto.
•Variazione della luminosità accurata e
ripetibile.
• Rilevazione della temperatura nella zona
circostante i LED.
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Introduzione
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Pilotaggio
Pilotaggio in ciclo aperto
La CPLD riceve da PC un valore
corrispondente alla “fase on” del
duty-cycle.
Controllo in PWM
PWM generato dal CPLD Luminosità pulsante
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Introduzione •Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Pilotaggio
•Illuminatore PWM •Riferimenti Caratteristica di uscita
Variando il duty-cycle si
parzializza la carica
dell’induttanza, che si riflette sul
livello dell’intensità luminosa
Dipendenza della Luminosità dalla temperatura
Deriva a regime
Deriva nel transitorio
Le temperature raggiunte a
regime risultano ridotte del 25%
rispetto all’illumminatore
analogico.
La riduzione di luminosità a
regime corrisponde a circa 15
uV ogni 10s
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Caratteristiche Tecniche e termiche
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Test EMVA
•Illuminatore PWM •Riferimenti Varianza temporale
Confronto degli illuminatori
• Caratteristiche tecniche e termiche
•Risposta al gradino
•Deriva termica
• Test EMVA
•Linearità
•Deviazione dalla Linearità
•SNR
Risposta al gradino
La risposta ad un gradino di corrente nei circuiti di alimentazione, non permette di
apprezzare eventuali differenze nel transitorio della luminosità
Livello di luminosità registrato
all’uscita della sfera
Deriva termica
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Caratteristiche Tecniche e termiche
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Test EMVA
•Illuminatore PWM •Riferimenti Varianza temporale
Confrontare quanto l’aumento della temperatura influenza l’uscita dei sistemi progettati.
Conversione della tensione misurata in fotoni per pixel:
sup
2
234
.
50
cm
W
P
m
m
A
ms
t
AD
px esp p
13 Fot. ogni 10s 7 Fot. ogni 10sEMVA sintetici
Applicazione dei test EMVA precedentemente sviluppati in [5] relativi alla telecamera
Alkeria Lira 424BW.
Varianza Temporale al crescere del T
esp
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Caratteristiche Tecniche e termiche
•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Test EMVA
•Illuminatore PWM •Riferimenti Varianza temporale
2 1 0 1 0 2 1 22
1
M m N n yy
m
n
y
m
n
MN
Date due immagini di dimensione MxN:
La varianza temporale della
scheda PWM risulta
leggermente più alta rispetto
a quella della scheda
analogica.
Fenomeno dovuto al ripple
presente nella scheda PWM.
Come influisce il fenomeno del ripple sulla varianza temporale
2° frame 1° frame
Date due immagini acquisite ad una certa
distanza temporale con stesso tempo di
S
E
S
E
esp
t
t
t
t
T
1
1
2
2
Confronto degli illuminatori - Conclusioni
Illuminatore
Pregi
Difetti
Analogico – ciclo aperto
• Alta risoluzione
• Poco rumoroso
• Temperature elevate
• Luminosità instabile
• Lentezza
PWM – ciclo aperto
• Termicamente efficiente
• Componentistica ridotta
• Uscità rumorosa
•Bassa risoluzione
Analogico – ciclo chiuso
• Componentistica Complessa
• Alta risoluzione
• Accurato e preciso
• Temperature elevate
•Tempo di risposta migliorabile
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Risultati della comparazione•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Applicazioni Attuali
Applicazioni attuali
Strumento di misura per effettuare test di qualità nella linea di
produzione.
Sistema di misura relativo da utilizzato durante lo sviluppo di nuove
telecamere
Sistema di misura per effettuare confronti tra telecamere di produttori
diversi
Sviluppi Futuri
Realizzazione di un nuovo illuminatore analogico caratterizzato da un nuovo
circuito comprendente l'ADC.
Introdurre un microcontrollore più evoluto che permetta di rendere più veloci gli
algoritmi di conversione e compensazione.
Progettazione di un sistema di test automatizzato per la verifica delle
telecamere della linea di produzione,
•Introduzione •Confronto degli illuminatori Risultati della comparazione •Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Applicazioni Attuali
