Integración de la detección de imágenes en 2D y 3D en el IoT

El informe "Los sensores inteligentes hacen posible el internet de las cosas inteligente" analiza las tendencias clave en el desarrollo de sensores, así como la forma en que las tecnologías de detección (como el radar, el LiDAR y las imágenes de tiempo de vuelo) ofrecen aún más información al permitir que los sistemas perciban los objetos en el espacio tridimensional. Este blog complementa el informe centrándose en cómo utilizar el enfoque de apertura de píxeles para extraer la información profunda de un sensor de imágenes CMOS y crear imágenes normales en 2D, así como los circuitos de píxeles y cómo superar los obstáculos de un sistema de detección de imágenes en 3D.

Hoy las imágenes y los vídeos en 3D se han hecho populares en la vida cotidiana. Cómo consumir y combinar contenidos en 3D con contenidos en 2D es un tema de gran importancia. En general, se pueden utilizar dos imágenes bidimensionales desde dos perspectivas diferentes para crear una imagen tridimensional, ya que este mecanismo imita la percepción del ojo humano.

Por ejemplo, una cámara 3D debe grabar dos imágenes al mismo tiempo y mostrar dos imágenes que sean visibles para el ojo derecho y el ojo izquierdo de las personas para la percepción en 3D. Esta percepción puede verse como un enfoque pasivo. Por otro lado, el modo activo se puede usar con la fuente de luz para percibir la profundidad del objeto. Basándose en las propiedades de la luz reflejada, se puede crear una imagen tridimensional mediante cálculos de posprocesamiento. En particular, la actividad de tiempo de vuelo (TOF) es una estimación del tiempo de viaje de la luz paralela que es emitida por una fuente de luz, alcanza un objeto, es reflejada por un objeto y llega a un sensor. La profundidad de los objetos puede deducirse fácilmente a partir de los diferentes tiempos de recorrido registrados en píxeles.

Los sensores de imagen bidimensional y tridimensional se combinan sobre la base de los mismos diodos emisores de luz. En los modos bidimensional y tridimensional, se adoptan o cambian el circuito de muestreo dúplex correlacionado (CDS) y el convertidor de tiempo a digital (TDC). Los circuitos de lectura utilizan la lectura lineal y paralela en los modos 2D y 3D, respectivamente. De conformidad, se usa un TDC multicanal para obtener una lectura paralela.

Sensor de imagen integrado 2D/3D

Para integrar eficazmente los sensores de imagen 2D y 3D, se adopta el fotodiodo de difusión-P_pozo-N_ sustrato-P y se controla para que funcione en los modos de fotodetección 2D y 3D. En un modo 2D, se diseñan el circuito CDS y el circuito de lectura CDS, así como un decodificador de filas, un decodificador de columnas y un controlador. En un modo 3D, se implementan amplificadores de sentido (SA), una lectura de TDC y un TDC. El SA aumenta un pulso de disparo en un píxel para reducir el tiempo de lectura de un píxel a un TDC. La Figura 1 muestra el diagrama de bloques del sensor de imagen integrado 2D / 3D.

Figura 1: Diagrama de bloques del sensor de imagen integrado 2D/3D

Circuitos de píxeles

En un modo 2D, el objetivo principal es adquirir información sobre el nivel gris y, por tanto, el rango dinámico es el factor principal. Un mayor rango dinámico revela una mayor gama de corrientes luminosas que se detectan. El circuito de píxeles en modo 2D, que se muestra en la Figura 2, tiene una vía adicional para ralentizar la saturación de la carga. Una de estas vías proporciona un suministro de carga para compensar la fotodisipación de corriente.

Figura 2: Circuitos de píxeles 2D

En el modo 3D, el circuito de píxeles detecta los objetos con información de profundidad. El fotodiodo está inversamente polarizado cerca de la avalancha. Una vez que el fotodiodo detecta un fotón, induce una gran corriente. Esto se llama modo Geiger. Este fenómeno hace que el circuito de píxeles detecte rápidamente los fotones. La Figura 3 muestra el circuito de píxeles en 3D.

Figura 3: Circuitos de píxeles 3D

Cuando el circuito de píxeles acepta un disparo de luz, el fotodiodo genera una gran corriente de luz que pasa a través del transistor PMOS, M1, que actúa como una resistencia. El nodo N del fotodiodo produce una caída de tensión que es acelerada por un inversor. Durante el reinicio, el píxel funciona en una fase de carga en la que el nodo N del fotodiodo está polarizado a Vdd. El transistor PMOS, M4, que se conecta a un inversor, y el transistor NMOS, M5, que se conecta a tierra, forman una ruta de retroalimentación de reducción. Tras el reinicio, el fotodiodo comienza a detectar las fotos y realiza una acción de descarga. Entre tanto, M4 y M5 se encienden para disminuir rápidamente la tensión del inversor a 1 / 2 Vdd. La figura 4 muestra el circuito integrado de píxeles 2D / 3D que puede ser fácilmente manipulado y conmutado mediante señales de control 2D y 3D.

Figura 4: Circuito integrado de píxeles 2D/3D

TDC multicanal

Un sistema de detección de imágenes en 3D enfrenta el problema del número de circuitos de sincronización. El uso de circuitos de temporización tradicionales, cada píxel con su circuito de temporización correspondiente para el cálculo de la profundidad, presenta una serie de inconvenientes: demasiados circuitos de temporización que representan una gran superficie de hardware y un alto consumo de energía. Por lo tanto, el TDC multicanal, compuesto por un TDC de anillo, un encoder térmico y un contador de 4 bits, se usa para resolver dichos inconvenientes. Se diseña un TDC de anillo de 15 etapas como núcleo de un circuito de temporización multicanal. Cuando la señal de arranque está activa, una puerta NAND y 14 inversores forman una oscilación. 15 salidas de un TDC de anillo son comprimidas por un encoder térmico para producir un resultado fino de 4 bits que se almacena en una matriz de enclavamiento. Al mismo tiempo, el contador produce un resultado aproximado de 4 bits que también se almacena en la matriz de enclavamiento. El cabezal de 4 bits y los resultados finos pueden interpretar información profunda.

Figura 5: TDC multicanal

Funcionamiento del sensor

Durante una medición en 3D, la señal externa reinicia el circuito de píxeles, hace oscilar el TDC y activa la emisión de luz. El sensor espera la luz reflejada por los objetos y calcula el tiempo de recorrido en función del TDC. La profundidad del objeto puede determinarse a partir del tiempo de recorrido medido.

Figura 6: Funcionamiento del sensor

Aquí se programa una placa FPGA para controlar la escalabilidad del sistema de registro de imágenes 2D y 3D basada en el sensor TOF. La profundidad de la caja cilíndrica se calcula a partir del tiempo de vuelo medido de los diodos emisores de luz de 850 nm. Las imágenes 2D/3D son generadas por el software que se ejecuta en el PC.

Para obtener información adicional sobre los sensores inteligentes y las tendencias clave en el desarrollo de los sensores, lea el informe "Los sensores inteligentes hacen posible el internet de las cosas".