Nghiên cứu thiết kế các hệ thống cảm biến cho hệ thống camera tốc độ cao

- Nguyễn Chí Dũng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHO HỆ THỐNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.
- Nguyễn Hoàng Dũng Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Chí Dũng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHO HỆ THỐNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- CÔNG NGHỆ CMOS VÀ CCD.
- Cảm biến hình ảnh.
- 14 1.2 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh.
- Cảm biến CCD và CMOS.
- Cảm biến CCD [1.
- 18 2.2 Cảm biến CMOS [2.
- CẢM BIẾN CCD CHO CAMERA TỐC ĐỘ CAO – ISIS CCD.
- Cấu hình cảm biến.
- 37 2.1 Cấu trúc tổng thể.
- 37 2.2 Cấu trúc pixel.
- THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN PHÁT HIỆN SỰ KIỆN Ở TỐC ĐỘ CAO VÀ ĐỒNG BỘ VỚI ISIS-V16 CAMERA [6.
- Thiết kế hệ thống.
- 50 2.1 Sơ đồ khối hệ thống.
- 50 2.2 Khối cảm biến.
- 67 4.1 Khối nạp.
- 67 5 4.2 Khối cảm biến và xử lý tương tự.
- 67 4.3 Khối nguồn.
- Sơ đồ tổng quan chip CCD.
- Sơ đồ khối cảm biến CCD.
- Sơ đồ khối cảm biến CMOS.
- Ánh sáng trên bề mặt chip CCD.
- Cấu trúc cảm biến CCD.
- Hoạt động của cảm biến CCD.
- Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS.
- Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel.
- Cấu trúc của ISIS – V16.
- Sơ đồ của các mạch phía trước.
- Mối quan hệ giữa tốc độ bắt hình và sự quay của cánh quạt.
- Mối quan hệ giữa khả năng chứa điện tích tối đa ứng với các tốc độ bắt hình khác nhau.
- Sơ đồ khối hệ thống nhận biết phát hiện sự kiên ở tốc độ cao.
- Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng IC INA118.
- Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến ánh sáng.
- Sơ đồ luồng dữ liệu của khối tạo trễ.
- Luồng dữ liệu vào ra của bộ chốt tín hiệu.
- Kiến trúc của bộ chốt tín hiệu.
- Mô phỏng hoạt động của bộ chốt tín hiệu.
- Sơ đồ luồng dữ liệu của bộ tạo trễ.
- Kiến trúc của bộ tạo trễ.
- Sơ đồ luồng dữ liệu vào ra của bộ chia tần số.
- Kiến trúc của bộ chia tần số 10 lần.
- Hoạt động của bộ chia tần số 10 lần.
- Sơ đồ luồng dữ liệu vào ra của bộ tạo chu kỳ trễ.
- Kiến trúc của bộ tạo chu kỳ trễ.
- Sơ đồ luồng dữ liệu của màn hình LCD 16 x 2.
- Sơ đồ nguyên lý mạch mắc màn hình LCD.
- Kết quả mô phỏng trễ 80ns.
- Kết quả mô phỏng trễ 1 us.
- Khối cảm biến và xử lý tương tự.
- Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị LCD và khối vào ra.
- Sơ đồ mạch 3D sau khi đã thiết kế.
- Bảng mô tả các luồng vào ra.
- Bảng mô tả các luồng vào ra của bộ chốt tín hiệu.
- Bảng mô tả luồng vào ra của bộ tạo trễ.
- Bảng mô tả luồng vào ra của bộ chia tần số.
- Bảng mô tả luồng dữ liệu vào ra của bộ tạo chu kỳ trễ.
- Bảng mô tả chân tín hiệu của LCD.
- 63 10 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của tôi phối hợp cùng với nhóm nghiên cứu, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS.
- Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực.
- Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
- Tổng quan về camera tốc độ cao Trong cuộc sống, sản xuất hay nghiên cứu, có nhiều sự kiện xảy ra trong thời gian cực kỳ ngắn hoặc các chuyển động với tốc độ rất cao và chúng ta không thể quan sát được bằng mắt thường.
- Trước đây, phương pháp cổ điển là dùng một máy quay phim ghi lại các hình ảnh đó và phát chậm lại để quan sát và phân tích.
- Tuy nhiên, các máy quay phim thông thường chỉ đạt tốc độ 24 hình/giây (hệ PAL) hoặc 30 hình/giay (hệ NSTC) do đó nó không thể ghi lại được các chuyển động tốc độ cao và bỏ sót rất nhiều các hình ảnh, sự kiện quan trọng.
- Từ thực tế đó, hệ thống Camera tốc độ cao được nghiên cứu, phát triển để có thể ghi lại các sự kiện hay các chuyển động với tốc độ cao và phát lại ở tốc độ chậm để quan sát cũng như phân tích tỉ mỉ các chuyển động và các vấn đề liên quan khác.
- Hiện nay, hệ thống camera tốc độ cao đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất cũng như trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học.
- Ứng dụng của camera tốc độ cao Hiện nay hệ thống camera tốc độ cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, điển hình như.
- Điều chỉnh và giám sát các dây chuyền sản xuất có tốc độ cao như in ấn, đóng gói, v..v.
- 12 - Nghiên cứu cơ sinh học, hóa học, vật lý, v..v.
- Nghiên cứu và phân tích quá trình cháy nổ, rơi vỡ, đứt gẫy, va chạm, phân tích quỹ đạo v..v.
- Nghiên cứu đạn đạo, tên lửa, thuốc nổ v..v.
- Nghiên cứu và phân tích chuyển động của các dòng chất lỏng.
- Nghiên cứu và phân tích các quá trình phun phủ, mối hàn.
- Nghiên cứu và phân tích quỹ đạo chuyển động Chính vì vậy tác giả và nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo sư T.
- Nguyễn Hoàng Dũng đã chọn đề tài Nghiên cứu các hệ thống cảm biến cho camera tốc độ cao.
- Mục đích của đề tài là xây dựng hệ thống cảm biến nhận biết sự kiện xảy ra trong thời gian rất ngắn và đồng bộ với việc bắt hình của camera.
- Định nghĩa, nghiên cứu cấu trúc, phân loại và cách thức hoạt động của các cảm biến, từ đó đề xuất thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện sự kiên ở tốc độ cao và một số kết quả mô phỏng đi kèm.
- Trong chương này tác giả sẽ đề cập đến khái niệm cũng như phân loại các loại cảm biến hình ảnh.
- Sau đó sẽ đi sâu vào tìm hiểu cấu trúc và ưu nhược điểm của từng loại cảm biến dòng CCD hoặc là CMOS.
- Chương 2: Cảm biến CCD cho camera tốc độ cao – ISIS CCD.
- Ở chương hai, tác giả sẽ tập trung toàn bộ vào nghiên cứu cấu trúc của ISIS-CCD.
- Chương 3: Thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện sự kiện ở tốc độ cao và đồng bộ bắt hình với ISIS-V16 camera.
- Trong chương này tác giả cùng với nhóm nghiên cứu sẽ đề xuất thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện sự kiên ở tốc độ cao và một số kết quả mô phỏng đi kèm.
- Đáng tiếc nhất do thời gian có hạn nên nhóm nghiên cứu chưa thể chuyển thể thiết kế ra thành sản phẩm chế tạo để có thể đánh giá, đo lường kết quả thực tế khi so sánh với kết quả mô phỏng.
- CÔNG NGHỆ CMOS VÀ CCD Trong chương này tác giả trình bày về định nghĩa và phân loại các cảm biến hình ảnh.
- Các loại cảm biến hình ảnh như CMOS và CCD cũng sẽ được đề cập cụ thể và có sự so sánh để thấy được ưu nhược điểm của từng loại này.
- Cảm biến hình ảnh 1.1 Định nghĩa Khi một hình ảnh được chụp bởi một camera , ánh sáng đi qua ống kính và rơi vào cảm biến hình ảnh.
- Các cảm biến hình ảnh bao gồm các yếu tố hình ảnh, cũng gọi là điểm ảnh, các hạt photon của ánh sáng rơi vào cảm biến.
- Chúng chuyển đổi tín hiệu nhận được ánh sáng vào một số electron tương ứng.
- Cường độ ánh sáng càng mạnh, các electron được tạo ra nhiều hơn.
- Các tín hiệu số được xử lý bằng các mạch điện tử bên trong máy ảnh và các thiết bị điện tử tạo ra hỉnh ảnh ban đầu đã chụp.
- Chip CMOS và CCD trong thực tế 15 Cảm biến hình ảnh là một thiết bị phần cứng nhỏ, có khả năng thu nhận ánh sáng và chuyển đổi các photon thu nhận được thành các tín hiệu số và phục hồi lại hình ảnh ban đầu trên các thiết bị điện tử.
- Hiện nay, có hai công nghệ chính mà có thể được sử dụng cho các bộ cảm biến hình ảnh trong một máy ảnh là CCD (Charge-coupled Device) và CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor).
- Trong lịch sử, cảm biến CMOS luôn được cho là có chất lượng ảnh chụp thấp hơn so với CCD, nhưng các đột phá về công nghệ mới đã khiến cho chất lượng của CMOS hiện đại trở nên ngang bằng hoặc thậm chí là vượt qua cả tiêu chuẩn của CCD.
- Với nhiều tính năng được tích hợp sẵn hơn là CCD, cảm biến CMOS hoạt động hiệu quả hơn, cần ít điện năng hơn và chụp ảnh tốc độ cao tốt hơn CCD.
- 1.2 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh Đây là bộ cảm biến ánh sáng nằm trong máy ảnh kỹ thuật số có tác dụng chuyển ánh sáng thu nhận từ môi trường bên ngoài sang tín hiệu điện.
- Các tín hiệu điện tử thu được trên mỗi tế bào quang điện sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số nhờ bộ chuyển đổi ADC (Analog to digital converter).
- Vào thời điểm hiện tại có hai loại bộ cảm biến ánh sáng: CCD (Charged Couple Device) và CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) 16 Cả hai bộ phận cảm biến hình ảnh dùng công nghệ CCD và CMOS cùng có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện.
- Một điều đơn giản có thể hiểu dùng trong máy ảnh kỹ thuật số là có mộng mảng 2D gồm hàng nghìn, hàng triệu những tế bào năng lượng mặt trời, mỗi một tế bào có nhiệm vụ chuyển đổi ánh sáng từ một phần trên bức ảnh thành tín hiệu điện Hình 2.
- Sơ đồ tổng quan chip CCD Bước tiếp theo là đọc giá trị tín hiệu điện tại mỗi tế bào quang điện trong hình ảnh

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt