A Biologically Inspired CMOS Image Sensor

سیستم های بیولوژیکی منبع الهام در توسعه گره های حسگر مستقل کوچک هستند. دو نوع عمده از سیستم‌های بینایی نوری که در طبیعت یافت می‌شوند، چشم انسان با دیافراگم منفرد و چشم مرکب حشرات هستند. سنسورهای دوم از جمع و جورترین و کوچکترین حسگرهای بینایی هستند. چشم ترکیبی از لنزهای جداگانه با آرایه های گیرنده نوری خاص خود است. سیستم بینایی حشرات به آنها اجازه می دهد با هوش و قدرت پردازش مغز محدود پرواز کنند. یک حسگر تصویر CMOS که درک بینایی را در حشرات تکرار می‌کند، در این کتاب برای کاربردهای صنعتی (دید ماشینی) و پزشکی مورد بحث و طراحی قرار گرفته است.

لایه فلزی CMOS برای ایجاد یک میکروپلاریزه کننده تعبیه شده که قادر به درک اطلاعات قطبش است استفاده می شود. نشان داده شده است که این اطلاعات قطبش در برنامه هایی مانند طبقه بندی مواد بلادرنگ و ناوبری عامل مستقل مفید است. علاوه بر این، سنسور مجهز به حافظه‌های آنالوگ و دیجیتال پیکسلی است که امکان تغییر دامنه دینامیکی و باینری‌سازی درون پیکسلی را در زمان واقعی فراهم می‌کند. خروجی باینری پیکسل تلاش می کند تا اثر سوسو زدن چشم حشره را تکرار کند تا کوچکترین حرکت ممکن را بر اساس تغییر حالت تشخیص دهد. یک شمارنده داخلی تغییرات حالت ها را برای هر ردیف می شمارد تا جهت حرکت را تخمین بزند. این تراشه از آرایه‌ای 128×128 پیکسل تشکیل شده است، مساحتی معادل 5×4 میلی‌متر مربع را اشغال می‌کند و در فرآیند 180 نانومتری CMOS CIS از UMC طراحی و ساخته شده است.

Biological systems are a source of inspiration in the development of small autonomous sensor nodes. The two major types of optical vision systems found in nature are the single aperture human eye and the compound eye of insects. The latter are among the most compact and smallest vision sensors. The eye is a compound of individual lenses with their own photoreceptor arrays. The visual system of insects allows them to fly with a limited intelligence and brain processing power. A CMOS image sensor replicating the perception of vision in insects is discussed and designed in this book for industrial (machine vision) and medical applications.

The CMOS metal layer is used to create an embedded micro-polarizer able to sense polarization information. This polarization information is shown to be useful in applications like real time material classification and autonomous agent navigation. Further the sensor is equipped with in pixel analog and digital memories which allow variation of the dynamic range and in-pixel binarization in real time. The binary output of the pixel tries to replicate the flickering effect of the insect’s eye to detect smallest possible motion based on the change in state. An inbuilt counter counts the changes in states for each row to estimate the direction of the motion. The chip consists of an array of 128x128 pixels, it occupies an area of 5 x 4 mm2 and it has been designed and fabricated in an 180nm CMOS CIS process from UMC.