Ljus- och bildsensorer v 0.01 Text och bild: Patrik Eriksson 2003

Ljus- och bildsensorer v 0.01 Text och bild: Patrik Eriksson 2003

1. Ljussensorer Sensorer gjorda för att reagera på elektromagnetisk strålning inom ett spektrum från infrarött till ultraviolett benämnes vanligen ljussensorer. En ljussensor arbetar i någon form med att absorbera ljusenergi i form av fotoner, och reagera med någon form av fysikalisk förändring. Denna förändring kan delas in i termiska eller kvant-egenskaper. Sensorer som nyttjar kvantförändringar, fotoelektriska eller fotokonduktiva, bygger på interaktionen mellan enskilda fotoner och materialstrukturen i givaren. Detta kallas för den fotoelektriska effekten, och upptäckten av denna gav Albert Einstein nobelpriset 1905. 1.1 Termisk detektor Den engelskspråkiga benämningen är thermopile, och är egentligen en utveckling av termoelementet. Den termiska detektorn är ett större antal termoelement, ihopkopplade för att erhålla en högre utspänning, och den känner av ljuset i form av värme. Dess fördel är att den har en ganska linjär respons över ett mycket brett frekvens(våglängds-)område, men tyvärr är den mycket temperaturkänslig, och påverkas också därigenom av luftrörelser. Till viss del har man minskat dessa problem genom inkapsling och ljusinsläpp genom ett fönster av kvartsglas. 1.2 Fotokonduktiv sensor Den fotokonduktiva sensorn ändrar sin resistans, och därigenom sin ledningsförmåga, beroende på det infallande ljusets intensitet. Vanligt förekommande material är kadmiumsulfid (CdS) och kadmiumselenid (CdSe). Sensorn beter sig mycket likt en NTC-termistor, fast den reagerar på ljus istället för värme. Sensorn är enkel och billig, men lider av olinjär respons i såväl våglängd som ljusstyrka. Vidare har den en viss känslighet för temperaturvariationer och ganska långsam responstid. Fig.? CdS-fotomotstånd (ur ELFA) 2

1.3 Vacuum- och gasfylld fotodiod För den som inte stiftat bekantskap med vacuumröret, och speciellt dioden, kan detta kort beskrivas som en evakuerad kammare med två elektroder i varje ända; en katod och en anod. I den traditionella vaccumdioden hettar man upp katoden, och frigör därigenom elektroner från dess yta. Därigenom kan en ström flyta genom röret genom att de fria elektronerna rör sig i vacuum mot anoden. Fotodioden låter istället ljus frigöra elektroner från katoden, och därigenom möjliggöra en ström genom anordningen. Mängden fria elektroner är proportionell mot ljusstyrkan, och strömmen påverkas därefter. Genom val av lämpliga material till katoden kan man variera diodens känslighet för olika ljusvåglängd. Vacuumfotodioden hör för det mesta till det förgångna, men då den bland annat är oerhört snabb så finns den kvar i vissa vetenskapliga tillämpningar. fig.3 vacuumdiod, vacuum-fotodiod och koppling En variant av fotodioden är gasfylld istället för ett vacuum. I en gasfylld fotodiod kommer elektronerna att kollidera med gasatomerna, och joniserar därigenom gasen. Gasen kommer att leda strömmen bättre, och man uppnår därvid en högre förstärkning. Nackdelen är att den blir avsevärt långsammare än vacuumdioden. Den gasfyllda fotodioden var populär i biografprojektorer för avläsning av det optiska filmljudet. Idag använder vi oss förvisso mestadels av halvledardioder istället för vacuumrör, och givetvis finns det även halvledande fotodioder. Vi återkommer till dem lite senare. 1.4 Fotomultiplikator Fotomultiplikatorn är en vidareutveckling av vacuumfotodioden. När ljuset träffar katoden frigörs ett fåtal elektroner, dessa accelereras mot en ny elektrod, där dessa slår loss ytterligare elektroner, som accelereras vidare till nästa elektrod osv. På detta vis kan man uppnå en oerhört hög förstärkning med lågt brus, och man kan detektera enskilda fotoner. fig.4 fotomultiplikatorrör 3

1.5 Fotoelektriska (Photovoltaic) sensorer Fotoelektriska sensorer är aktiva, det vill säga att de genererar en spänning i proportion till det infallande ljusets intensitet. Exempel på aktiva fotoelektriska sensorer är fotodioden och fototransistorn. Det finns även den s.k. selencellen, men vi väljer att titta på de två förstnämnda som är vanligast förekommande. 1.5.1 Fotodiod Fotodioden kan arbeta på flera olika sätt; främst talar vi om spänningsgenererande (photovoltaic) och fotokonduktivt. Det infallande ljuset frigör elektroner ur halvledarmaterialet, därvid uppstår s.k. hål och fria elektroner. En backspänd diod leder närapå ingen ström, med undantag för en viss läckström. När så pn-övergången i en fotodiod utsätts för ljus, frigörs elektroner, och sålunda uppstår även lediga platser i atomernas valensband, s.k. hål. Förekomsten av positiva och negativa laddningsbärare innebär att en ström kan flyta genom dioden. Detta innebär att fotodioden arbetar fotokonduktivt. När fotodioden arbetar spänningsgenererande är den inte kopplad över någon extern källa, utan litar helt och hållet till dess egen förmåga att omvandla energin från fotonerna till elektriska laddningsbärare. Dessa fördelar sig beroende på p- respektive n-dopning i diodens halvledarmaterial, och en spänning uppstår. En specialiserad variant av spänningsgenererande fotodiod utgörs av den vanliga s.k. solcellen. Denna är optimerad för att kunna leverera hög ström för kraftförsörjningsändamål. fig.6 fotodiod fig.7 fotokonduktiv koppling 1.5.2 Fototransistor Fototransistorn kan betraktas som en vanlig transistor, där basen ersatts av ett fönster som släpper in ljus. På samma sätt som fotodioden så låter fototransistorn energin i fotonerna ge upphov till laddningsbärare i halvledarmaterialet. Till skillnad från fotodioden erhåller man en mycket högre strömförstärkning, och därgenom också högre känslighet. Tillämpning och uppkoppling är mycket likt fotodioden. fig.8 fototransistor fig.9 fototransistor 4

2. Bildsensorer Där en vanlig ljussensor enbart känner av ljusintensiteten i en specifik punkt har bildsensorn en betydligt mer komplex uppgift; den skall känna av intensiteten i ett stort antal punkter över en tvådimensionell yta. Antalet punkter kommer att utgöra den resulterade bildens upplösning, och kommer att variera beroende på applikation och behov. Exempelvis så har författarens ålderdomliga webbkamera en upplösning på 320x240 bildelement, pixlar, men t.ex. en bättre videokamera ståtar med 720x576 pixlar. (CCIR601 PAL-DV) Att skapa en bildsensor bestående av 414720 (720x576) ljussensorer var under väldigt lång tid opraktiskt bortom det möjligas gräns, så man använde sig av endast en sensor, som avsökte den aktuella bildytan radvis i följd. En av de allra första dylika bildläsarna kallades Nipkowskiva efter sin uppfinnare Paul Nipkow, även om skotten John Baird experimenterade med liknande system. Principen går ut på att låta ljuset passera en optik och en spiralformigt perforerad roterande skiva innan det når fotocellen. Bildfältet avsöks då på mekanisk väg. Ganska snart utvecklade man metoder att sköta denna avsökning elektroniskt, och så utvecklades kameraröret, där en elektronstråle fick avsöka en yta på vilken bilden projicerats. Idag finns få rörkameror kvar i drift, och man har löst problemet med att ha 414720 ljussensorer på en gång i och med CCD-kretsen som än idag dominerar bland bildläsarna. fig.? elektromekanisk bildsensor, s.k. Nipkowskiva Fig? kommersiell videokamera och bildsensor-chip 5

2.1 CCD CCD står för Charge-Coupled Device. En CCD-bildläsare består av en matris av ljussensorer, sammankopplade med grindar och analoga s.k. skiftregister. Ljussensorn fungerar så att det infallande ljuset, fotonerna, frigör elektroner, och dessa accumuleras i en hink, som kan betraktas som en kondensator. Med hjälp av yttre kontrollsignaler öppnas en grind, och låter den ansamlade laddningen rinna över i en annan lagringsbehållare, som utgör ett analogt skiftregister. Dessa skiftregister fungerar ungefär som en langningskedja när brandmän langar vattenhinkar; de häller laddningen från en hink till nästa, och för varje klockpuls så pytsas en ny laddning ut i dess bortre ända. I CCDn laddas sensorerna, laddningen överförs till kolumnvis arrangerade skiftregister som i sin tur överför laddningen till ytterligare ett skiftregister, och ur detta skiftas analoga data ut i en följd. Denna dataström kan omvandlas till analog video, eller digitaliseras. Principen för en enkel CCD-bildsensor åskådliggörs i fig.1. fig.? CCD-bildsensor 6

Varje bildelement (pixel) består av en sensoryta, en läsgrind, och en lagringsanordning, som utgörs av ett vertikalt orienterat skiftregister. I praktiken tillkommer anordningar för att hantera överflödiga laddningar osv, men de är utelämnade här. (se fig.2) När bildsensorn är i avkänningsläge byggs laddning upp under varje sensoryta, den tid under vilket detta förlopp tillåts fortgå är analogt med slutartiden hos en vanlig kamera. När sedan sensorn går över i avläsningsläge öppnas grinden, och potentialnivåerna förändras så att laddningen från sensorn överförs till det kolumnvisa skiftregistret. Sedan stängs grinden igen, och processen kan fortsätta genom att på liknande vis överföra laddningarna kolumnvis till det nedre skiftregistret. fig.? bildelementets arbetssätt Observera att i sitt grundutförande lämnar en bildsensor enligt föregående beskrivning endast en monokrom utsignal, enbart beroende på ljusets intensitet. Variationer i våglängd, dvs färg, urskiljes inte. I en elektronisk kamera löser man detta genom att antingen använda sig av tre stycken bildsensorer; en för varje primärfärg röd, grön och blå, eller så kombinerar man på själva chipet tre uppsättningar sensorer med inbyggda färgfilter. Bättre videokameror ni kan finna i detaljhandeln ståtar ibland med påskriften 3CCD, och syftar då på att kameran har separata bildsensorer för varje grundfärg. Detta ger i allänhet bättre bildkvalitet, främst med avseende på färgupplösning. Vi skall dock inte fördjupa oss mer i videoteknik, det faller utom ramen för detta sammanhang. 7

2.2 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CMOS-bildsensorn känner av det infallande ljuset på ungefär samma sätt som CCD-sensorn; ljuset bygger upp en proportionell laddning i varje bildelement. Men istället för att överföra laddningen genom analoga skiftregister är varje bildpunkt försedd med sin egen laddningsförstärkare som omvandlar laddningen till en spänning. Bilddata från CMOS-sensorn läses alltså ut i rader och kolumner på ungefär samma sätt som man läser ett vanligt minne. Skillnaden är förstås att vi fortfarande har en analog signal, en spänning, som utdata. Denna låter sig sedan omvandlas till analog videosignal eller digitaliseras. fig.? CMOS bildsensor 8

3. Tillämpningar Rörelsedetektion Inbrottslarm och passagekontroll av alla de slag utförs ofta med hjälp av infrarött ljus och en ljussensor.variationer i det återkastade infraröda ljuset detekteras och sätter igång ett larm, öppnar en dörr, tänder en lampa eller liknande. Avståndsmätning Ljus, såväl synligt som infrarött och laser anväds för avståndsdetektering av olika slag. Autofokusen på en kamera är ett alldagligt exempel. Vapensikten och backdetektor på bilen är ett par andra. Fjärrkontroll Infraröda ljuskällor och givare är en mycket vanlig metod för fjärrkontroller. Användaren sänder sina önskemål medelst kontrolldosan, som skickar ut kodade pulser. Dessa fångas upp av en infraröd ljussensor, och omvandlar detta till data som den mottagande utrustningen kan reagera på. Ljusstyrkemätning Det mest uppenbara användningsområdet för en ljussensor är att mäta ljusstyrkan, dvs hur ljust det är på en specifik plats. I arbetsmiljösammanhang använder man gärna en s.k. luxmeter för att avgöra om belysningen är av godtagbar styrka. Vid fotografi, film och videoinspelning är också en belysningsmätare behövlig, för att avgöra exponeringstid, bländaröppning och om över huvud taget ljuset är tillräckligt. Vid artificiell belysning kan man avpassa densamma för korrekt exponering och/eller rätt egenskaper hos den resulterande bilden. Vid ljusstyrkemätning gäller det att detektorn är våglängdsmässigt avpassad för tillämpningen. När det gäller t.ex. luxmätning av arbetsmiljö vill vi ju att mätaren reagerar på för människan synligt ljus, och inte infrarött eller ultraviolett. Färgtemperatur (våglängd) Vid t.ex. fotografi och filmning kan det vara av intresse att veta den s.k. färgtemperaturen, dvs ljusets spektrala fördelning. Olika film har olika våglängdskänslighet, och ljuskällan alternativt den efterföljande framkallningsprocessen måste anpassas därefter för att ge korrekt färgåtergivning i slutändan. Spektroskopi En annan tillämpning när man vill mäta ljusets våglängd är vid olika typer av spektroskopi, där man kan avgöra kemiska sammansättningar beroende på det utstrålade ljusets sammansättning. Likaså kan man avgöra t.ex. en avlägsen stjärnas temperatur genom att studera det utstrålade ljusets våglängd. En relativt enkel våglängdsmätare kan realiseras genom ett optiskt gitter med varierande tjocklek monterat ovanpå en linjär ljussensor. 9

Streckkodavläsning Varje dag råkar vi på informationshantering i form av streckkodavläsning. Priset på mjölken i din lokala butik är kopplad till det streckkodade artikelnumret på paketet, och avläsaren i kassan läser av detta med hjälp av en ljuskälla och en sensor. Ibland sker det med infrarött ljus, andra gånger med en laser, men gemensamt är att en ljussensor känner av variationen i intensitet på det reflekterade ljuset. Rörelseavkänning (motion, displacement, prescence) Med infrarött ljus och en sensor kan man enkelt känna av rörelse i sensorns arbetsområde. Idag är rörelsesensorer en självklarhet i olika inbrottslarm och dörröppnare. Betydligt mer exotiska användningsområden finns också, varför inte automatiserad spökjakt eller UFO-fotografering? Bildavkänning Digital bild är en självklarhet idag, och det kemiska fotolabbet är utrotningshotat. En bildläsare, skanner, är var mans egendom idag, och i de fall vi inte redan fotograferar med en digitalkamera så lägger vi våra semesterkort i skannern och läser in dem i datorn. Industri Digital bild har åtskilliga användningar inom industrin. Man kan räkna antal föremål på ett löpande band, och man kan avsyna elektriska kretsar. En bild av kretskortet läses in, och så kan man med lite finurlig bildbehandling avgöra om alla ledare är hela, att de inte etsats av, eller gör kontakt mot intilliggande ledare. Experiment med seende maskiner har pågått i ganska många år, och tillämpningarna är många. Fordon som kan styra sig själva efter en väg, kryssningsrobotar som hittar sitt mål genom att studera terrängen under sig, ansiktsigenkänningssystem som anpassar systemet till användaren osv. Astronomi Bildsensorer har vunnit stor popularitet bland amatörastronomer som modifierar videokameror för montage på sina teleskop, varvid olika former av bildbehandling kan användas för att öka tydligheten på bilderna. Övervakning Snart sitter det en videokamera överallt, på gott och ont. En del prisar tryggheten i övervakningen, andra bekymrar sig över att storebror ser oss. Bilder från övervakningskameror blir allt viktigare för vaktbolag och i polisutredningar. Bildigenkänningssystem som spårar bilnummer är redan i drift. London är ett bra exempel. 10