Ретиноморфный сенсор

Вверху: Ступенчатое изменение интенсивности света, падающего на датчик, как функция времени. В центре: форма выходного сигнала обычного оптического датчика в зависимости от времени. Внизу: Форма выходных данных ретиноморфного датчика в зависимости от времени.

Ретиноморфные датчики — это тип управляемого событиями оптического датчика, , который генерирует сигнал в ответ на изменения интенсивности света, а не на саму интенсивность света. В этом отличие от обычных оптических датчиков, таких как датчики на основе устройств с зарядовой связью (CCD) или дополнительных металлооксидных полупроводников (CMOS), которые выдают сигнал, который увеличивается с увеличением интенсивности света. Поскольку ретиноморфные датчики реагируют только на движение, ожидается, что они позволят быстрее отслеживать движущиеся объекты, чем обычные датчики изображения, и найдут потенциальное применение в автономных транспортных средствах , робототехнике и нейроморфной инженерии .

Именование и история

О первой так называемой искусственной сетчатке сообщили в конце 1980-х годов Карвер Мид и его докторанты Миша Маховальд и Тобиас Дельбрюк . Эти кремниевые датчики были основаны на небольших схемах, включающих дифференциальные усилители , конденсаторы и резисторы . Датчики вызывали всплеск и последующий спад выходного напряжения в ответ на скачкообразное изменение интенсивности освещения. Эта реакция аналогична реакции клеток сетчатки животных, которые в 1920-х годах наблюдали активацию чаще при изменении интенсивности света, чем при постоянной. Поэтому для описания этих датчиков было использовано название «кремниевая сетчатка».

Термин «ретиноморфный» впервые был использован в докладе Лекса Акерса на конференции в 1990 году. Этот термин получил более широкое распространение благодаря Стэнфордскому профессору инженерных наук Квабене Боахену и с тех пор применяется к широкому спектру стратегий сенсорного восприятия, управляемых событиями. Это слово аналогично слову «нейроморфный» , которое применяется к аппаратным элементам (таким как процессоры ), предназначенным для воспроизведения того, как мозг обрабатывает информацию.

Принципы работы

Иллюстрация заряда на обкладках светочувствительного конденсатора, включенного последовательно с резистором . До момента времени t ₀ конденсатор находится в темноте и заряд на обкладках определяется C _dark . В момент времени t ≥ t ₀ конденсатор находится под освещением, и его емкость меняется на C _свет , в результате чего меняется заряд, который могут вместить пластины. Затем избыточный заряд течет по пластинам в течение периода времени, определяемого резистором R.

Существует несколько конструкций ретиноморфных датчиков, которые дают аналогичный ответ. В первых конструкциях использовался дифференциальный усилитель, который сравнивал входной сигнал обычного датчика (например, фототранзистора ) с отфильтрованной версией выходного сигнала. что приводит к постепенному затуханию, если входной сигнал был постоянным. С 1980-х годов эти датчики превратились в гораздо более сложные и надежные схемы.

Более компактная конструкция ретиноморфного сенсора состоит только из фоточувствительного конденсатора и резистора, соединенных последовательно. Выходное напряжение этих ретиноморфных сенсоров, $V_{out}$, определяется как падение напряжения на резисторе. Светочувствительный конденсатор имеет емкость , зависящую от интенсивности падающего света. Если постоянное напряжение $V_{in}$, приложенный к этой RC-цепи, он будет действовать как пассивный фильтр верхних частот , и все напряжение будет падать на конденсаторе (т. е. $V_{out}=0$). Через достаточное количество времени обкладки конденсатора полностью зарядятся зарядом. $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ на каждой тарелке, где $C_{dark}$ это емкость в темноте. С $V_{out}=0$ при постоянном освещении это можно упростить до $Q=\pm C_{dark}V_{in}$.

Если затем к конденсатору приложить свет, его емкость изменится на новое значение: $C_{light}$. Таким образом, заряд, который могут разместить пластины, изменится на $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$, оставляя на каждой пластине избыток/дефицит заряда. Избыточный заряд будет вынужден покинуть пластины, стекая либо на землю, либо на клемму входного напряжения. Скорость потока заряда определяется сопротивлением резистора $R$, и емкость конденсатора. Этот поток заряда приведет к падению ненулевого напряжения на резисторе и, следовательно, к ненулевому напряжению. $V_{out}$. После того, как заряд перестает течь, система возвращается в установившееся состояние, все напряжение снова падает на конденсаторе, и $V_{out}=0$ снова.

Слева: схематическое поперечное сечение светочувствительного конденсатора. В центре: принципиальная схема ретиноморфного датчика со светочувствительным конденсатором вверху. Справа: ожидаемый переходный ответ ретиноморфного сенсора на применение постоянного освещения.

Чтобы конденсатор менял свою емкость под действием освещения, необходима диэлектрическая проницаемость изолятора между обкладками, или эффективные размеры конденсатора должны зависеть от освещенности. Эффективные размеры можно изменить, используя между пластинами двухслойный материал, состоящий из изолятора и полупроводника . При соответствующих условиях освещения полупроводник будет увеличивать свою проводимость под воздействием света, имитируя процесс сближения пластин конденсатора и, следовательно, увеличивая емкость . Чтобы это было возможно, полупроводник должен иметь низкую электропроводность в темноте и иметь соответствующую ширину запрещенной зоны , чтобы обеспечить генерацию заряда при освещении. Устройство также должно обеспечивать оптический доступ к полупроводнику через прозрачную пластину (например, с использованием прозрачного проводящего оксида ).

Приложения

Основная статья: Камера событий

Обычные камеры фиксируют каждую часть изображения, независимо от того, имеет ли она отношение к задаче. Поскольку измеряется каждый пиксель, обычные датчики изображения могут измерять поле зрения только при относительно низкой частоте кадров , обычно 30–240 кадров в секунду . Даже в профессиональных высокоскоростных камерах, используемых для видеосъемки , частота кадров ограничена несколькими десятками тысяч кадров в секунду для изображения с полным разрешением. Это ограничение может стать узким местом в производительности при идентификации высокоскоростных движущихся объектов. Это особенно важно в приложениях, где важна быстрая идентификация движения, например, в автономных транспортных средствах .

Напротив, ретиноморфные сенсоры распознают движение по своей конструкции. Это означает, что они не имеют частоты кадров и вместо этого управляются событиями и реагируют только при необходимости. По этой причине ожидается, что ретиноморфные датчики позволят идентифицировать движущиеся объекты гораздо быстрее, чем традиционные стратегии анализа изображений в реальном времени . Поэтому есть надежда, что ретиноморфные датчики найдут применение в автономных транспортных средствах. робототехника, и нейроморфная инженерия.

Теория

Работу ретиноморфного датчика можно количественно оценить, используя методы, аналогичные простым RC-цепям , с той лишь разницей, что емкость в ретиноморфном датчике не является постоянной как функция времени. Если входное напряжение определяется как $V_{in}$, напряжение падает на резисторе как $V_{out}$, и напряжение на конденсаторе упало как $V_{C}$, мы можем использовать закон напряжения Кирхгофа, чтобы утверждать:

$V_{in}=V_{C}+V_{out}$

Определив ток, текущий через резистор, как $I$, мы можем использовать закон Ома , чтобы написать:

$V_{in}=V_{C}+IR$

Из определения тока мы можем записать это через заряд: $Q$, стекающий с нижней пластины:

$V_{in}=V_{C}+R{\frac {dQ}{dt}}$

где $t$ это время. Заряд на обкладках конденсатора определяется произведением емкости $C$, а напряжение на конденсаторе $V_{C}$, мы можем, следовательно, сказать:

$V_{in}=V_{C}+R{\frac {d}{dt}}(CV_{C})$

Поскольку емкость ретиноморфных сенсоров является функцией времени, $C$ нельзя вынести из производной как константу. Используя правило произведения , мы получаем следующее общее уравнение реакции ретиноморфного сенсора:

$V_{in}=V_{C}+R{\bigg [}C{\frac {dV_{C}}{dt}}+V_{C}{\frac {dC}{dt}}{\bigg ]}$

или, в терминах выходного напряжения:

$V_{out}=R{\bigg [}C{\frac {dV_{C}}{dt}}+V_{C}{\frac {dC}{dt}}{\bigg ]}$

Реакция на скачкообразное изменение интенсивности

Хотя приведенное выше уравнение справедливо для любой формы $C(t)$, ее нельзя решить аналитически, если не известна входная форма оптического стимула. Простейшей формой оптического стимула может быть ступенчатая функция, изменяющаяся от нуля до некоторой конечной плотности оптической мощности. $P$ за раз $t=t_{0}$. Хотя такие события вряд ли смогут точно описать реальное применение ретиноморфных сенсоров, это полезный способ понять и оценить эффективность ретиноморфных сенсоров. В частности, нас в первую очередь интересует максимальная высота $V_{out}$ сразу после включения света.

В этом случае емкость можно описать следующим образом:

$C(t)={\begin{cases}C_{dark},&{\text{for }}t<t_{0}\\C_{light},&{\text{for }}t\geq t_{0}\end{cases}}$

Емкость при освещении будет зависеть от $P$. Полупроводники известны. иметь проводимость, $G$, которая возрастает по степенной зависимости от плотности падающей оптической мощности: $G\propto P^{\gamma }$, где $\gamma$ является безразмерным показателем. С $G$ линейно пропорциональна плотности заряда , а емкость линейно пропорциональна зарядам на обкладках при заданном напряжении, емкость ретиноморфного сенсора также имеет степенную зависимость от $P$. Таким образом, емкость как функцию времени в ответ на ступенчатую функцию можно записать как:

$C(t)={\begin{cases}C_{dark},&{\text{for }}t<t_{0}\\C_{dark}+\alpha _{0}P^{\gamma },&{\text{for }}t\geq t_{0}\end{cases}}$

где $\alpha _{0}$ является префактором емкости. Для ступенчатой ​​функции мы можем переписать наше дифференциальное уравнение для $V_{in}$ в виде разностного уравнения:

$V_{in}=V_{C}+R{\bigg [}C{\frac {\Delta V_{C}}{\Delta t}}+V_{C}{\frac {\Delta C}{\Delta t}}{\bigg ]}$

где $\Delta V_{C}$ - изменение напряжения, упавшего на конденсаторе в результате включения света, $\Delta C$ – изменение емкости в результате включения света, а $\Delta t$ это время, необходимое для включения света. Переменные $V_{C}$ и $C$ определяются как падение напряжения на конденсаторе и емкости соответственно сразу после включения света. Т.е. $V_{C}$ отныне является сокращением от $V_{C}(t_{0})$, и $C$ отныне является сокращением от $C(t_{0})$. Если предположить, что датчик находился в темноте достаточно долго, прежде чем включился свет, изменение $V_{C}$ следовательно, можно записать как:

$\Delta V_{C}=V_{C}-V_{in}$

Аналогично, изменение в $C$ можно записать как

$\Delta C=\alpha _{0}P^{\gamma }$

Подставляя их в разностное уравнение для $V_{in}$:

$V_{in}=V_{C}+R{\bigg [}C{\frac {V_{C}-V_{in}}{\Delta t}}+V_{C}{\frac {\alpha _{0}P^{\gamma }}{\Delta t}}{\bigg ]}$

Вверху: Иллюстрация переходного процесса (выходное напряжение $V_{out}$ как функция $t$) ретиноморфного сенсора в ответ на ступенчатое изменение интенсивности света от 0 до $P$, для увеличения значений $P$. Внизу: Иллюстрация того, как можно извлечь ретиноморфную добротность. $\Lambda$, по экспериментальным данным ретиноморфного сенсора. Построив соотношение $V_{in}/V_{max}$ по оси Y против $1/{\sqrt {P}}$ по оси X, а затем совместить с прямой линией, градиент даст $1/\Lambda$.

Умножая это:

$V_{in}\Delta t=V_{C}\Delta t+R{\bigg [}C(V_{C}-V_{in})+V_{C}\alpha _{0}P^{\gamma }{\bigg ]}$

Поскольку мы предполагаем, что свет включается очень быстро, мы можем приблизительно $\Delta t\approx 0$. Это приводит к следующему:

$V_{C}=V_{in}{\frac {C_{dark}+\alpha _{0}P^{\gamma }}{C_{dark}+2\alpha _{0}P^{\gamma }}}$

Использование отношений $V_{in}=V_{C}+V_{out}$, то это можно записать через выходное напряжение:

$V_{max}=V_{in}{\frac {\alpha _{0}P^{\gamma }}{C_{dark}+2\alpha _{0}P^{\gamma }}}$

Где мы определили высоту пика как $V_{max}=V_{out}(t_{0})$, так как его пик возникает сразу после включения света.

Ретиноморфная добротность , $\Lambda$, определяется как отношение префактора емкости и емкости ретиноморфного сенсора в темноте:

$\Lambda ={\frac {\alpha _{0}}{C_{dark}}}$

С помощью этого параметра обратное отношение высоты пика к входному напряжению можно записать следующим образом:

${\frac {V_{in}}{V_{max}}}=2+{\frac {1}{\Lambda P^{\gamma }}}$

Стоимость $\gamma$ будет зависеть от характера рекомбинации в полупроводнике, но если доминирует межзонная рекомбинация и плотности заряда электронов и дырок равны, $\gamma =0.5$. Для систем, где это примерно верно можно сделать следующее упрощение приведенного выше уравнения:

${\frac {V_{in}}{V_{max}}}=2+{\frac {1}{\Lambda P^{1/2}}}$

Это уравнение обеспечивает простой метод оценки качества ретиноморфизма на основе экспериментальных данных. Это можно сделать, измерив высоту пика. $V_{max}$, ретиноморфного сенсора в ответ на ступенчатое изменение интенсивности света от 0 до $P$, для диапазона значений $P$. Построение графика $V_{in}/V_{max}$ как функция $P^{-1/2}$ должна получиться прямая линия с градиентом $1/\Lambda$. Этот подход предполагает, что $V_{max}$ линейно пропорциональна $V_{in}$.

См. также

• Датчик активных пикселей
• Устройство с зарядовой связью
• Камера событий
• Нейроморфная инженерия
• Оптический датчик
• Фотодиод