Скоростная матрица LUPA-300

Видео сенсор LUPA-300 производства компании Cypress Semiconductor Corporation сделан на базе CMOS-технологии, имеет формат 1/2" и позволяет получить частоту сканирования до 250 кадров в секунду при разрешении 640 х 480 (10 бит).

Основные характеристики скоростной КМОП-матрицы LUPA-300:

• Общее количество пикселов матрицы: 640 х 480
• Размер одного активного пиксела 9,9 мкм х 9,9 мкм, архитектура 6T (6T-pixel Architecture).
• Размер сенсора 6,3 мм х 4,7 мм (1/2 дюйма)
• Оптический формат 1/2"
• Разрядность аналого-цифрового преобразователя 10 бит
• Частота сканирования 250 кадров в секунду при максимальном разрешении 640 x 480
• Режим выборки с уменьшенным разрешением по вертикали: при сканировании всей матрицы через строку получается частота 500 Гц
• Программная установка окна области интереса. Возможно обратное направление считывания как в направлении X, так и Y
• При уменьшении размера области сканирования можно значительно увеличить максимальную частоту кадров
• 3-проводной последовательно-параллельный интерфейс (Serial-Parallel Interface, SPI)
• Глобальный электронный затвор обеспечивает одновременную экспозицию всех пикселов матрицы и позволяет в это же время производить считывание (при экспозиции текущего кадра считываются данные предыдущего кадра)
• Режим неразрушающего чтения
• Коэффициент заполнения матрицы (fill factor) - 50%
• Чувствительность матрицы (монохромная) - 17 Вольт/Люкс/сек
• Стандартный динамический диапазон матрицы 60,7 дБ
• Расширенный динамический диапазон: возможно регулирование чувствительности в режиме многократного сброса - при этом оптический динамический диапазон может достигать 90 дБ
• Программируемое усиление: диапазон от х1 до х16; 16 шагов с программированием 4-битного регистра
• Программируемое смещение: 256 шагов (8 бит)
• Корпус 44-пин, LCC
• Потребляемая мощность до 190 мВт при частоте 250 кадров в секунду
• Напряжение питания 2,5 В и 3,3 В
• Рабочая температура от -40 до +70°C
• Области применения: анализ движения, робототехника, системы слежения, контроль качества, метрология

Электро-оптические характеристики LUPA-300:

• Шум фиксированного распределения FPN < 2,5% (среднеквадратичное значение)
• Неоднородность светочувствительности PRNU < 2,5% (среднеквадратичное значение)
• Коэффициент преобразования на выходе 34 мкВ/электрон
• Заряд насыщения 35000 электронов
• Чувствительность 3200 В*м²/(Вт*сек); 17 В/(Люкс*сек); только видимый диапазон (180 Люкс = 1 Вт/м²)
• Пиковая квантовая эффективность*коэффициент заполнения (QE * FF) = 45%
• Количество шумовых электронов < 32
• Стандартный динамический диапазон 60,7 дБ
• Модуляционная передаточная функция MTF > 60%
• Рассеиваемая мощность 160 мВт (типичная, без учета выходной нагрузки); 190 мВт (типичная, включая выходную нагрузку 15 пФ)

Архитектура видео сенсора

Компоновочный план архитектуры видео сенсора приведен на рисунке. Ядро получения изображения состоит из массива пикселов, адресных регистров по Х и Y, драйверов массива пикселов и усилителей по столбцам. Видео сенсор размером 640 х 480 пикселов считывается последовательным сканированием. Архитектура сенсора позволяет программировать адресацию в направлении X шагами по 8 пикселов, а в направлении Y – шагами в 1 пиксел. Стартовый адрес загружается через последовательно-параллельный интерфейс (SPI).

Усилители с программируемым коэффициентом передачи (УПКП) усиливают сигнал от столбца и добавляют к нему смещение, чтобы этот сигнал вписался во входной диапазон АЦП. Затем четыре АЦП преобразуют сигнал в цифровую форму. Пикселы выбираются ядрами 4*1. Каждый АЦП считывает сигнал одного из 4 выбранных пикселов. Частота выборки составляет 20 МГц. Цифровые выходы 4 АЦП мультиплексируются на одну выходную шину, работающую с частотой 80 МГц.

6Т (6-транзисторный) пиксел

Для работы функции глобального электронного затвора при высокой чувствительности и низкой чувствительности к паразитному свечению (ЧПС) реализована архитектура пиксела, показанная на рисунке 4. Эта архитектура пиксела вписана в область 9,9 мкм х 9,9 мкм.

Частота кадров и работа с окном

Частота кадров зависит от частоты синхроимпульсов, времени кадровой задержки (ВКЗ) и времени строковой задержки (ВСЗ). Длительность периода кадров можно вычислить следующим образом:

Кадровый период = ВКЗ + Число строк * (ВСЗ + Число пикселов * частота синхроимпульсов)

Пример: считывание изображения при полном разрешении при номинальной скорости (частота пикселов 80 МГц = 12,5 нс, GRAN<1:0>=10):

Кадровый период = 7,8 мкс + 480 * (400 нс + 12,5 нс * 640) = 4,039 мс => 247,6 кадров в секунду

Если видео сенсор работает в режиме выборки с уменьшенным разрешением, то ВСЗ увеличивается на 8 периодов синхроимпульсов. Для расчёта максимальной частоты кадров для произвольного размера окна, нужо в эту формулу подставить требуемые значения X и Y области интереса.

Параметры для расчёта частоты кадров

Работа с окном

Используя интерфейс SPI, можно организовать работу с окном. Через этот интерфейс загружаются начальная точка (координаты X и Y) окна и его размер. Минимальный шаг в направлении X составляет 8 пикселов (только числа, делящиеся на 8 могут быть использованы в качестве адреса начала/остановки). Минимальный шаг в направлении Y составляет одну строку (возможна адресация любой строки) в обычном режиме и две строки в режиме выборки с уменьшенным разрешением. Размер окна в направлении X загружается в регистр NB_OF_PIX, размер окна в направлении Y определяется регистром FT_TIMER.

Характерные значения для частоты кадров при GRAN<1:0> = 10

Аналого-цифровой преобразователь

В видео сенсоре имеется четыре встроенных конвейерных 10-битных АЦП. Эти АЦП работают при номинальной частоте выборки 20 МГц. Входной диапазон АЦП – от 0,75 В до 1,75 В. Выборка аналогового входного сигнала производится через 2,1 нс после нарастающего фронта управляющего строба АЦП. Цифровые данные на выходе появляются через 5,5 периодов синхроимпульса. Это соответствует 6-му спадающему фронту после момента выборки. Данные задерживаются на 3,7 нс относительно этого спадающего фронта.

Параметры АЦП

Усилители с программируемым коэффициентом передачи

Усилители с программируемым коэффициентом передачи выполняют две функции:

• Добавление смещения к сигналу для вписывания его во входной динамический диапазон АЦП. Эта функция контролируется установками Vblack и Voffset интерфейса SPI.
• Усиление сигнала после добавления смещения.

Регулировка смещения

Целью регулировки смещения является смещение сигнала таким образом, чтобы он попал во входной динамический диапазон АЦП. После усилителя столбца сигнал от пиксела попадает в диапазон от 0,1 В (яркий пиксел) до 1,3 В (чёрный пиксел). Входной динамический диапазон АЦП – от 0,75 до 1,75 В. Величина смещения управляется двумя регистрами SPI: Vblack<7:0> и Voffset<7:0>.

Формула прибавления смещения следующая: Vвыходное = Vсигнала + (Voffset - Vblack)

Следует знать, что шум фиксированного распределения (ШФР, FPN) видео сенсора вызывает размытие сигнала примерно на 100 мВ на уровне чёрного. Чтобы сделать возможной коррекцию ШФР при последующей обработке изображения, это размытие уровня чёрного должно попадать во входной динамический диапазон АЦП. По этой причине значения регистров SPI по умолчанию запрограммированы так, чтобы обеспечить смещение 200 мВ. При этом уровень чёрного смещается с 1,3 В до 1,5 В и информация о ШФР всё еще преобразуется АЦП. Для ещё лучшего попадания во входной диапазон АЦП пользователю рекомендуется запрограммировать смещение в 340 мВ. Чтобы запрограммировать это смещение, следует использовать регистры Voffset и Vblack. На рисунке 6 работа регулировки смещения проиллюстрирована на примере. Синим цветом показана гистограмма изображения, взятая после усилителя столбца видео сенсора. Допустим, сенсор имеет уровень чёрного 1,45 В и размах 100 мВ. При таком размахе этот сигнал вписывается во входной диапазон АЦП, но большая часть входного диапазона АЦП при этом не используется. По этой причине в качестве первого шага к сигналу добавляется смещение, выравнивающее уровень чёрного с границей входного диапазона АЦП. В этом первом шаге добавляется смещение 200 мВ – значение, получающееся при величинах по умолчанию в регистрах Vblack и Voffset. Этому соответствует красная гистограмма на рисунке со средним уровнем чёрного 1,65 В. Это означает, что размытие уровня чёрного полностью попадает во входной диапазон АЦП. На втором шаге, которые объясняется ниже, сигнал будет усилен для полного использования входного диапазона АЦП.

Программирование усиления

Коэффициент усиления УПКП управляется тремя регистрами SPI:

• Выбор коэффициента усиления УПКП. Настройка коэффициента усиления имеет 16 положений и осуществляется установкой значения регистра GAIN_PGA<3:0>. Загрузка слова 0000 соответствует усилению 1,32; загрузка слова 1111 соответствует коэффициенту усиления 15,5. Все 16 настроек усиления приведены в таблице.
• Возможен единичный коэффициент усиления, устанавливаемый битом UNITY_PGA. Если этот бит установлен, то значения GAIN_PGA игнорируются.
• Возможно использование настройки SEL_UNI для увеличения числа настроек усиления. Если этот бит не установлен, то сигнал делится пополам перед подачей на УПКП. Затем применяются настройки GAIN_PGA и UNITY_PGA. Если бит SEL_UNI установлен, то сигнал подаётся на УПКП напрямую без деления. Это позволяет иметь для настройки 32 значения полного коэффициента передачи с величинами от 0,5 до 16.

Таблица коэффициентов усиления

Усиление в УПКП осуществляется относительно рабочей точки, устанавливаемой с помощью Vcal. Это проиллюстрировано на рисунке 7. С помощью встроенного ЦАПа значение VCAL<7:0> используется для получения напряжения рабочей точки Vcal.

На рисунке 8 изображено продолжение предыдущего примера. Синяя гистограмма – это гистограмма изображения на выходе усилителей столбцов. С помощью регулировки смещения этот сигнал вписан в диапазон АЦП добавлением смещения 200 мВ. Уровень чёрного смещён с 1,45 В до 1,65 В.

Синяя и красная гистограммы имеют размах 100 мВ. Это означает, что входной диапазон АЦП используется не полностью. Усилив этот сигнал в 10 раз с помощью УПКП, можно использовать входной диапазон АЦП полностью. В этом примере Vcal установлен в 1,75 В (максимальное входное значение АЦП), чтобы обеспечить попадание размытия уровня чёрного во входной диапазон АЦП после усиления. В результате усиления получается фиолетовая гистограмма.

Стеклянное окно

Монохромный и цветной видео сенсоры LUPA-300 защищены сверху стеклянным окном–крышкой, сделанным из стекла D263. На рисунке показана кривая пропускания стекла D263 в зависимости от длины волны света.

Как видно из рисунка, используемое стекло не отфильтровывает инфракрасное излучение. Это означает, что при использовании цветных видео сенсоров введение такой фильтрации на оптическом пути является обязанностью пользователя.

Цветной светофильтр

Возможно введение дополнительного цветного светофильтра. Также возможна поставка видео сенсора LUPA-300 с цветным светофильтром Байера (RGB). При этом пиксел (0,0) имеет красный фильтр.

Меры предосторожности при обращении

При монтаже видео сенсоров с цветными светофильтрами (цветными RGB светофильтрами) на печатную плату, следует соблюдать специальные меры предосторожности, поскольку цветные светофильтры чувствительны к высокой температуре. Продолжительное нагревание при повышенной температуре может привести к ухудшению характеристик видео сенсора. Чтобы характеристики видео сенсора не ухудшились при его монтаже конечным пользователем, следует соблюдать следующие меры предосторожности.

Монтаж платы

Установка устройства на плату должна осуществляться в строгом соответствии с мерами защиты устройств от электростатического разряда для модели человеческого тела JESD22 Класс 0, и машинной модели JESD22, Класс A. Монтажники должны всегда носить все предназначенные и одобренные средства заземления; рекомендуется использование заземляющих браслетов, рабочих мест с защитой от электростатического разряда и обдув ионизированным воздухом. Все инструменты должны быть защищены от электростатического разряда.

Ручная пайка

При использовании паяльника следует использовать паяльник с управлением температурой жала.

Меры предосторожности при чистке

Старайтесь не проливать паяльный флюс на стеклянное окно. Чистое стекло и, особенно, стекло с просветляющими фильтрами могут ухудшить свои характеристики при взаимодействии с флюсом. Избегайте механического или абразивного повреждения стеклянного окна. В качестве растворителя для очистки стеклянного окна видео сенсора рекомендуется использовать изопропиловый спирт. При использовании других растворителей, следует заранее проверить, растворяет данный растворитель корпус и/или стеклянное окно или нет.

Полную спецификацию видео сенсора LUPA 300 на английском языке можно получить здесь.