망상 센서

상단: 시간 함수로 센서에 입사하는 광도의 단계적 변화.중간:시간의 함수로서 기존의 광학 센서로부터의 출력 형태.하단:시간의 함수로써 변형 센서의 출력 형태.

망상 센서는 광강도 ^[1]자체가 아니라 광강도 변화에 따라 신호를 생성하는 이벤트 구동 광학 센서의 한 종류입니다.기존 광센서인 전하결합소자(CCD)나 상보금속산화물반도체(CMOS) 기반 센서와는 대조적이다.레티모픽 센서는 움직임에만 반응하기 때문에 기존 이미지 센서보다 빠르게 움직이는 물체를 추적할 수 있고 자율주행차, 로봇공학,^[2]^[3]^[4]^[5] 뉴로모픽 공학 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

이름 및 이력

최초의 인공 망막은 1980년대 후반에 Carver Mead와 그의 박사과정 학생인 Misha Mahowald, Tobias Delbruck에 ^[6]^[7]의해 보고되었다.이러한 실리콘 기반 센서는 차동 증폭기, 캐패시터 및 저항을 포함하는 작은 회로를 기반으로 했습니다.이 센서는 조명 강도의 단계적 변화에 따라 스파이크와 그에 따른 출력 전압 감쇠를 발생시켰습니다.이 반응은 동물의 망막 세포와 유사하며, 1920년대에 빛의 강도가 ^[8]일정할 때보다 변화할 때 더 자주 발생하는 것으로 관찰되었다.따라서 실리콘 레티나라는 이름은 이러한 ^[9]센서를 설명하기 위해 사용되어 왔다.

레티모픽이라는 용어는 1990년 ^[10]Lex Akers에 의해 컨퍼런스 논문에 처음 사용되었습니다.이 용어는 스탠포드 공대 Kwabena Bohen 교수에 의해 널리 사용되었으며, 이후 다양한 이벤트 중심 감지 ^[11]전략에 적용되었습니다.이 단어는 뇌가 정보를 처리하는 방식을 복제하도록 설계된 하드웨어 요소(프로세서 등)에 적용되는 뉴로모픽과 유사합니다.

동작 원리

저항기와 직렬로 감광 캐패시터 플레이트의 전하 그림.t시간₀ 전에는 캐패시터가 어두운 상태이며 플레이트상의 전하가 C에 의해_dark 결정된다.시간 tµt에서₀ 캐패시터는 조명되고 캐패시턴스는 C로_light 변화하며, 그 결과 플레이트가 수용할 수 있는 전하가 변화한다.그러면 과도한 전하가 저항기 R에 의해 결정된 기간에 걸쳐 플레이트의 온/오프에 흐릅니다.

유사한 반응을 보이는 몇 가지 레티모픽 센서 설계가 있습니다.첫 번째 설계에서는 차동 증폭기를 사용하여 기존 센서(예: 포토 트랜지스터)의 입력 신호를 필터링된 ^[6]출력 버전과 비교함으로써 입력이 일정할 경우 점진적인 붕괴를 초래했다.1980년대 이후 이 센서는 훨씬 더 복잡하고 견고한 ^[1]회로로 발전해 왔습니다.

레티모픽 센서의 보다 콤팩트한 디자인은 ^[12]감광 캐패시터와 직렬 저항기로 구성되어 있습니다.이러한 변형 센서의 출력 $V_{out}$ 인 V $V_{out}$ t $V_{out}$ \ $displaystyle$ V_ ${out$ 은 저항기 전체에서 전압 강하로 정의됩니다.감광 캐패시터는 입사광 강도의 함수인 캐패시턴스를 갖도록 설계되었습니다.이 RC 회로에 $V_{in}$ $V_{in}$ n { $style V_{in$ 이 인가되면 수동 하이패스 필터로 작동하며 모든 전압이 캐패시터 전체에서 떨어집니다( $V_{out}=0$ : $V_{out}=0$ $V_{out}=0$ $V_{out}=0$ t $V_{out}=0$ 0 $V_{out}=0$ { $style V_{out$ } = $0}).$ 충분한 시간이 지나면 캐패시터의 플레이트는 각 플레이트에서 $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ Q $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ ± $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ a $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ ( $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ n $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ - $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ t $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ ) { $displaystyle$ Q = \ $pm$ C_ ${dark}(V_{in}-V_{out}})$ 로 $Q=\pm C_{dark}(V_{in}-V_{out})$ 완전히 $충전$ 됩니다 $C_{dark}$ . $C_{dark}$ 서 C $C_{dark}$ .지속적인 조명 하에서 V $V_{out}=0$ $V_{out}=0$ $=$ { $displaystyle$ V_ ${out$ }= $0}$ 이므로 $V_{out}=0$ Q $=$ ± $Q=\pm C_{dark}V_{in}$ $Q=\pm C_{dark}V_{in}$ $Q=\pm C_{dark}V_{in}$ r $Q=\pm C_{dark}V_{in}$ $Q=\pm C_{dark}V_{in}$ $Q=\pm C_{dark}V_{in}$ { $displaystyle$ Q=\ $pm$ C_ ${dark}V_{in$ 으로 단순화할 수 있습니다.

그런 다음 캐패시터에 빛이 인가되면 캐패시턴스가 새로운 $C_{light}$ 인 $C_{light}$ l $C_{light}$ $C_{light}$ t $C_{light}$ { $displaystyle C_{light$ 로 변경됩니다.따라서 플레이트가 수용할 수 있는 전하가 Q $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ ± $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ t ( $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ n $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ - $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ t $Q=\pm C_{light}(V_{in}-V_{out})$ ) { $displaystyle$ Q = \ $pm$ C_ ${light}(V_{in}-V_{out$ 로 변경되어 각 플레이트에 잉여/부족이 남습니다.과도한 전하가 강제로 플레이트를 떠나 접지 또는 입력 전압 단자로 흐릅니다.전하 흐름 속도는 $저항$ R $(\displaystyle$ R $R$ 의 저항과 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정됩니다.이 충전 흐름은 저항기 전체에서 0이 아닌 전압이 강하되어 $V_{out}$ 이 아닌 V $V_{out}$ t { $display$ style $V_{out$ 이(가) 됩니다. 충전 흐름이 중지되면 $V_{out}=0$ 은 다시 캐패시터 전체에서 모든 전압이 강하되고 $V_{out}=0$ $V_{out}=0$ $V_{out}=0$ t $V_{out}=0$ 0 { $displaystyle V_{out$ } $= 0$ }이 $V_{out}=0$ (가) 됩니다.

왼쪽: 감광 콘덴서의 단면도 개략도.중심: 감광 캐패시터를 상단에 배치한 레티모픽 센서의 회로도.우측: 일정한 조명 적용에 대한 레티모픽 센서의 과도 응답 예상.

콘덴서가 조명 하에서 캐패시턴스를 변경하려면 플레이트 간 ^[13]절연체의 유전율 또는 콘덴서의 유효 치수가 조도에 의존해야 합니다.유효 치수는 플레이트 사이에 절연체와 반도체로 구성된 2층 재료를 사용하여 변경할 수 있습니다.적절한 조명 조건 하에서 반도체는 빛에 노출되면 전도성을 증가시켜 캐패시터의 플레이트를 서로 가깝게 이동하는 프로세스를 에뮬레이트하여 캐패시턴스를 증가시킵니다.이를 위해서는 반도체에는 어두운 곳에서 낮은 전기전도율이 있어야 하며 조명 하에서 전하를 발생시킬 수 있는 적절한 밴드 갭이 있어야 한다.또한 장치는 투명 플레이트(예: 투명 전도성 산화물 사용)를 통해 반도체에 광학적으로 접근할 수 있어야 합니다.

적용들

기존 카메라는 작업과 관련이 있는지 여부에 관계없이 이미지의 모든 부분을 캡처합니다.모든 픽셀이 측정되기 때문에 기존 이미지 센서는 상대적으로 낮은 프레임 속도(일반적으로 초당 30~240 프레임)에서만 시야를 샘플링할 수 있습니다.동영상에 사용되는 프로페셔널 고속 카메라에서도, 풀 해상도의 화상에 대해서는, 프레임 레이트가 초당 수10, 수천 프레임으로 제한됩니다.이 제한은 고속 이동 물체를 식별할 때 성능 병목 현상을 나타낼 수 있습니다.이는 특히 자율 주행 차량과 같이 이동의 신속한 식별이 중요한 애플리케이션에서 중요하다.

반면에, 망상 센서는 설계에 의해 움직임을 식별한다.즉, 프레임환율은 설정되어 있지 않고 이벤트 구동이며 필요한 경우에만 응답합니다.이러한 이유로, 레티모픽 센서는 기존의 실시간 영상 ^[4]분석 전략보다 훨씬 더 빠르게 움직이는 물체를 식별할 수 있기를 희망합니다.따라서 망상 센서는 자율 차량,^[14]^[15] 로봇 ^[16]공학 ^[17]및 신경형 공학 분야에서 응용될 것으로 기대된다.

이론.

망상 센서 동작은 단순한 RC 회로와 유사한 기술을 사용하여 정량화할 수 있으며 유일한 차이점은 망상 ^[18]센서에서의 시간 함수로서 정전용량이 일정하지 않다는 것이다.입력전압이 $V_{out}$ n $V_{in}$ { $displaystyle$ V _ { $in$ $V_{out}$ } 로 $V_{in}$ 되고 저항기 전체에서 전압이 $V_{out}$ 된 $V_{out}$ V o t { $V_{C}$ V $V_{out}$ $_ { out$ $V_{out}$ } $V_{C}$ 로 정의되며 캐패시터 전체에서 전압이 강하된 $V_{C}$ Kirchhoff의 전압법칙을 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

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

저항을 통과하는 전류를 I $(\displaystyle$ I $I$ 로 정의하면 옴의 법칙을 사용하여 다음을 기록할 수 있습니다.

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

전류의 정의에서 아래 플레이트에서 흐르는 전하의 관점에서 Q(\ $displaystyle$ Q $Q$ 를 $Q$ 과 같이 쓸 수 있습니다.

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

$t$ 서 t $\displaystyle$ t는 시간입니다 $t$ .캐패시터 플레이트의 전하는 캐패시턴스 $(\displaystyle$ C $)$ 와 캐패시터 전체의 전압 $V$ (\ $displaystyle V_$ C})의 곱으로 정의됩니다.따라서 다음과 같이 말할 수 있습니다.

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

변형 센서의 캐패시턴스는 시간의 $C$ 이므로C {\ $displaystyle$ C $}$ 를 $C$ 도함수에서 상수로 제거할 수 없습니다.곱셈 규칙을 사용하여 다음과 같은 형상 센서 응답의 일반 방정식을 얻을 수 있습니다.

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

또는 출력 전압의 관점에서:

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

강도 변화에 대한 반응

위의 방정식은 C $C(t)$ t $)$ 의 $C(t)$ 형태에 유효하지만, 광학 자극의 입력 형태를 알지 못하면 분석적으로 해결할 수 없습니다.광학 자극의 가장 단순한 형태는 $t=t_{0}$ t $t=t_{0}$ t $t=t_{0}$ ({ $displaystyle$ t $=t_{0$ 에 $P$ 에서 유한 $광출력$ 밀도 P({ $displaystyle P})$ 로 $P$ 가는 단계 함수이다.레티모픽 센서의 실제 적용은 이러한 이벤트로 정확하게 설명될 것 같지 않지만, 레티모픽 센서의 성능을 이해하고 벤치마킹할 수 있는 유용한 방법이다.특히 조명을 켠 $V_{out}$ 의 V $V_{out}$ t $V_{out}$ \ \ $displaystyle$ V _ { $V_{out}$ out $V_{out}$ }의 최대 높이에 주로 관심이 있습니다.

이 경우 캐패시턴스는 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

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

조명 아래에서 그 용량 P{P\displaystyle}에. 반도체는 어떤 사건 광 출력 밀도에를 바로 멱함수 의존도를 증가가 전도도, G{G\displaystyle},:G∝ P({\displaystyle G\propto P^{\gamma}},γ{\displaystyle \gamma}은 dimensio known[19]이 달려 있다.nless 지수G $(\displaystyle$ G $)$ 는 $G$ 전하 밀도에 선형 비례하고 정전용량은 특정 전압의 플레이트 상의 전하와 선형 비례하므로 망상 센서의 정전용량도 P $(\displaystyle$ P $P$ 에 의존합니다.따라서 스텝 함수에 대한 응답 시간의 함수로서의 캐패시턴스는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

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

$\alpha _{0}$ 서 $\alpha _{0}$ 0 $(\$ _ ${0})$ 은 $\alpha_{0}$ 캐패시턴스 프리팩터입니다. $스텝$ 함수의 경우 V의 $V_{in}$ 을 $V_{in}$ 차분 방정식으로 다시 쓸 수 있습니다 $.$

$\displaystyle V_{in}=V_{C}+R{\bigg[}C}{\frac {Delta V_{C}}+V_{C}{\frac {\Delta T}{\bigg}}}$

여기서 $\Delta V_{C}$ $\Delta V_{C}$ C $\Delta V_{C}$ { $display$ style \ $Delta V$ _ { $C$ } 、 $\Delta C$ C { $display$ style \ $Delta$ C $\Delta C$ } 、 δ C { $displaystyle$ \ $Delta$ C $\Delta t$ $}$ 、 $\Delta t$ $\Delta t$ {\ where,,, where where where where as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as where where where where $V_{C}$ $V_{C}$ C $({$ $C$ C $({displaystyle$ C})는 $C$ 조명이 켜진 직후 캐패시터 및 캐패시턴스에서 각각 전압 강하로 정의됩니다. $V_{C}$ , V $({$ $displaystyle V_$ ${C})$ 는 $V_{C}$ V $V_{C}(t_{0})$ $V_{C}(t_{0})$ )의 약자이며 $,$ $({$ $0})$ 는 $C$ C $C(t_{0})$ $C(t_{0})$ 0 $)$ 의 약자이며, C({ $0$ 는 센서가 오랫동안 어두운 곳에 유지되었다고 가정합니다. $V_{C}$ V C $(\$ C $V_{C}$ })는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

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

마찬가지로 C $(\display$ C $)$ 의 $C$ 변경은 다음과 같이 기술할 수 있습니다.

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

$V_{in}$ n $V_{in}$ \ $displaystyle V$ _ { $in$ }의 차분 방정식에 대입하면 다음과 같습니다.

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

상단:

광도가 0에서

P({

displaystyle

P

P

로

스텝

변경되었을 때 반응하는 망상

t

의 과도 응답(

V_{out}

V_{out}

V

V_{out}

t {

displaystyle

V_{out

t

그림

V_{out}

.

하단:실험적인 망상 센서 데이터에서 망상 유형상

(\displaystyle\Lambda

를 추출하는 방법.x축의

1/{\sqrt {P}}

1/

({

1

/{\sqrt {P}})

에

1/{\sqrt {P}}

대하여

V_{in}/V_{max}

의 V

V_{in}/V_{max}

m

({

})의 비율을 그린 후 직선으로 맞추면 구배는 1/

({style

1

/\lambda

이 된다

.

이것을 곱하면:

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

조명이 매우 빨리 켜지는 것으로 가정하기 때문에 약 $(\displaystyle \Delta$ t $\약$ 0 $\Delta t\approx 0$ 의 $\Delta t\approx 0$ 을 얻을 수 있습니다.그 결과 다음과 같이 됩니다.

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

$V_{in}=V_{C}+V_{out}$ $V_{in}=V_{C}+V_{out}$ $V_{in}=V_{C}+V_{out}$ $V_{in}=V_{C}+V_{out}$ C + $V_{in}=V_{C}+V_{out}$ $V_{in}=V_{C}+V_{out}$ t $V_{in}=V_{C}+V_{out}$ { { $displaystyle$ V_{ $in$ } = $V_{C}+V_{out$ $V_{in}=V_{C}+V_{out}$ 를 사용하여 출력 전압으로 기록할 수 있습니다.

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

여기서 피크 높이를 V $V_{max}=V_{out}(t_{0})$ $V_{max}=V_{out}(t_{0})$ x $=$ $V_{max}=V_{out}(t_{0})$ $V_{max}=V_{out}(t_{0})$ t $V_{max}=V_{out}(t_{0})$ ( $V_{max}=V_{out}(t_{0})$ $)({displaystyle V_$ {max}= $V_{out}(t_{0$ 로 정의했습니다. 이는 조명이 켜진 직후에 피크가 발생하기 때문입니다.

망상 수치인 $\Lambda$ (\ $displaystyle \Lambda$ 는 ^[18]암중에서의 망상 센서의 망상 프리팩터와 망상 센서의 캐패시턴스의 비율로 정의됩니다.

$({displaystyle\Lambda={0}}{C_{dark}})$

이 파라미터를 사용하면 피크 높이 대 입력 전압의 역비를 다음과 같이 기록할 수 있습니다.

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

γ{\displaystyle \gamma}의 값은 재결합의 semiconductor,[20]은 자연만 band-to-band 재결합하며, 전자와 홀의 전하 밀도가 같다면 γ)0.5{\displaystyle \gamma =0.5}. 그러한 경우 시스템이 abo기 위해 대략 true[21]다음의 간소화 위해 달려 있다.equatveion an 만들기:

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

이 방정식은 실험 데이터로부터 망상적 가치를 평가하기 위한 간단한 방법을 제공합니다.이 작업은 광도가 $P$ 에서P({ $displaystyle$ P $P$ 로 변화한 것에 따라 망상 센서의 $V_{max}$ 높이인 $V_{max}$ m $V_{max}$ {max $}$ 을 $V_{max}$ 를) 측정하여 $P$ 할 수 있습니다 $.$ P {\ $displaystyle$ P $P$ $V_{in}/V_{max}$ V $V_{in}/V_{max}$ { $}$ / V $max}$ a {\ $displaystyle V_max$ } A $V_{in}/V_{max}$ .P $P^{-1/2}$ $P^{-1/2}$ / $P^{-1/2}$ ({ $display P^$ { - $1$ / $2$ } )의 $P^{-1/2}$ n은 1/ ${\$ ( \ $display$ 1/ \ $Lambda$ 의 구배를 갖는 직선을 생성해야 합니다.이 $V_{max}$ 에서는 V $V_{max}$ $V_{max}$ x ( \ $displaystyle$ V_ ${ max$ })는 $V_{max}$ V $V_{in}$ ( \ $displaystyle V_in$ 에 선형 $V_{max}$ 한다고 가정합니다.

「」를 참조해 주세요.

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