Sviluppo e Confronto di Strumenti di Prova per Sensori d'Immagine

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 Alkeria

•Illuminatore PWM •Riferimenti Sistema A.C.T.

Studio e svilupo 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

Equipaggiato con tre LED di colore rosso, verde e blu

Motivazioni sulla scelta dei LED:

• Caratteristica corrente/flusso

luminoso lineare

• Lunghezza d’onda approssimabile

come singola

• Intensità luminosa variabile

•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 funzione

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 Tensione-corrente

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

µ

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.









cm

mW

P

misurare la potenza incidente

sull'unità di superficie (irradianza)

[ ]

J

c

h

E

λ

⋅

=

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

⋅

⋅

⋅

1

=

µ

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 viene collocato su un’uscita dedicata,

tarata in modo che il livello di irradianza

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.

L’aumento della temperatura genera un decadimento del rendimento di conversione del

LED, che produce una diminuzione dell'emissione luminosa

Dipendenza della Luminosità dalla temperatura

Deriva a regime

Deriva nel transitorio

•Introduzione •Confronto degli illuminatori Modello del circuito di alim.

•Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Modello del circuito di alim.

•Illuminatore PWM •Riferimenti Pilotaggio

Segmento iniziale

caratterizzato da un veloce

decadimento del flusso

luminoso, circa 2mV in

10s.

Sezione a regime

caratterizzata da un lento

decadimento, di circa 30

uV ogni 10s

Pilotaggio in ciclo chiuso

PC

PIC DAC

Circuito di alimentazione

ADC Fotodiodo

Il PIC misura la tensione del fotodiodo tramite ADC. Il PC invia un valore

di tensione corrispondente alla luminosità desiderata (setpoint).

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

Algoritmo di bisezione:

Il PIC, ad ogni passo, controlla la lettura dell’ADC e la confronta con il setponit, dopodichè riduce l’intervallo di bisezione inviando al DAC il valore mediano.

Compensazione a regime:

• Guadagno unitario: acquisisce la tensione dall'ADC e la confronta con il setpoint, aumenta o diminuisce di 1 il valore da spedire al DAC.

• Guadagno dinamico: individua la direzione in cui la luminosità sta derivando; superata una soglia di avanzamenti consecutivi nella stessa direzione, raddoppia il guadagno della compensazione. Ogni volta che si inverte direzione, il guadagno viene dimezzato.

Illuminatore PWM

Caratteristiche Ricercate:

•Pilotare l’intensità luminosa da remoto.

•Variazione della luminosità accurata e

ripetibile.

• Rilevazione della temperatura nella zona

Pilotaggio in ciclo aperto

•Introduzione •Confronto degli illuminatori Introduzione •Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Pilotaggio

•Illuminatore PWM •Riferimenti Caratteristica di uscita

Il CPLD riceve da PC un valore

corrispondente alla “fase on” del duty-cycle. Il

PWM è creato per mezzo di un contatore a 10

bit incrementato ogni 50ns. Il periodo è di

19531 Hz.

Regolatore switching è di tipo step-down con

retroazione della corrente.

Controllo in PWM

Fenomeno dovuto all’interdizione del diodo

PWM generato dal CPLD Luminosità pulsante

Variando il duty-cycle si

parzializza la carica

dell’induttanza, che si riflette sul

livello dell’intensità luminosa

Caratteristica di uscita della luminosità

Periodo PWM 10 bit:

Hz

MHz

F

19531

1024

20

1024

=

=

Periodo PWM 12 bit:

Hz

MHz

F

4883

4096

20

4096

=

=

•Introduzione •Confronto degli illuminatori Introduzione •Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Pilotaggio

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

Confronto del comportamento delle due schede all’interno della sfera,

determinare come la differente modalità di pilotaggio dei LED sia in

grado di influenzare l'analisi dei sensori d'immagine

• 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:

[ ]

[ ]

=

⋅

[ ]

⋅

[ ]

⋅









34

.

50

cm

W

P

m

m

A

ms

t

AD

µ

λ

µ

µ

µ

Dipendenza della luminosità dalla temperatura con

dissipazione attiva

Al fine di stabilizzare il transitorio termico è stata introdotta una ventola sul dissipatore. In questo

caso la temperatura tende ad assestarsi più velocemente su una soglia asintotica più bassa della

precedente

EMVA sintetici

•Introduzione •Confronto degli illuminatori Caratteristiche Tecniche e

termiche •Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Test EMVA

•Illuminatore PWM •Riferimenti Varianza temporale

Applicazione dei test EMVA precedentemente sviluppati in [5] relativi alla telecamera

Alkeria Lira 424BW.

Varianza Temporale al crescere del T

esp

[ ][ ]

[ ][ ]

(

)

2

1

∑∑

−

=

y

m

n

y

m

n

MN

σ

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

∫

<

∫

dt

f

dt

f

•Introduzione •Confronto degli illuminatori Caratteristiche Tecniche e

termiche •Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Test EMVA

•Illuminatore PWM •Riferimenti Varianza temporale

1° frame

Date due immagini acquisite ad una certa distanza

temporale, mantenendo costante il duty-cycle, si ottiene:

La varianza tra le due immagini cresce quando il tempo di esposizione non è un multiplo

perfetto del periodo del ripple e quindi la probabilità che si campioni la stessa quantità di

luce varia in base a quando la telecamera inizia e finisce l'esposizione.

Confronto degli illuminatori - Conclusioni

Illuminatore

Pregi

Difetti

Analogico – ciclo aperto

•

Pilotaggio Semplice

•

Alta risoluzione

•

Poco rumoroso

•

Temperature elevate

•

Luminosità instabile

•

Lentezza nel raggiungere un

valore di regime accettabile

PWM – ciclo aperto

•

Efficiente dal punto di vista

termico

•

Componentistica ridotta

•

Pilotaggio Semplice

•

Uscità rumorosa a causa del

ripple

•

Anche se ridotta soffre

comunque di deriva termica

•

Bassa risoluzione

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 per determinare come certi parametri influiscono sul

comportamento della telecamera

•Introduzione •Confronto degli illuminatori Risultati della comparazione •Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri Applicazioni Attuali

•Illuminatore PWM •Riferimenti Sviluppi futuri

Sistema di misura per effettuare confronti con telecamere di terze

parti

Sviluppi Futuri

Realizzazione di un nuovo illuminatore analogico caratterizzato da un nuovo

circuito comprendente l'ADC, che adesso risiede su scheda esterna, al fine di

limitare le connessioni ed i disturbi. Inoltre 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, tale sistema potrà generare una

reportistica dei dati acquisiti insieme ad una validazione delle telecamere del

tipo pass/fail.

Riferimenti Bibliografici

•Introduzione •Confronto degli illuminatori •Illuminatore Analogico •Conclusioni e sviluppi futuri