חיישן ראייה בהשראת רשתית- מותאם יותר לתאורת הסביבה

כדי לנטר את הסביבה ולנווט בעולם האמיתי, הרובוט אמור להיות מסוגל לרכוש תמונות ומדידות סביבתיות בתנאי תאורת רקע שונים. בשנים האחרונות חוקרים ומהנדסים ברחבי העולם פועלים לפיתוח יותר ויותר חיישנים מתקדמים לשילוב ברובוטים, מערכות מעקב או מכשירים אחרים שיכולים לחוש את סביבתם.

לפי Memes Consulting, חוקרים מהאוניברסיטה הפוליטכנית של הונג קונג, אוניברסיטת פקינג, אוניברסיטת יונסאי ואוניברסיטת פודן פיתחו לאחרונה סוג חדש של חיישן ראייה ביוני המשתמש במנגנון המדמה באופן מלאכותי את תפקוד הרשתית וניתן להשתמש בו במגוון של נתונים שנאספו בתנאי אור. חיישן ראייה ביוני זה מבוסס על פוטו-טרנזיסטורים העשויים ממוליבדן דיסולפיד.

תמונה של מערך חיישני הראייה הביומימטי (משמאל); מבנה סכמטי של יחידת חיישן הראייה ותמונת המיקרוסקופ האופטי (מימין)

"Our research team started work on optoelectronic memory five years ago," said Yang Chai, one of the researchers who developed the vision sensor. "This emerging device can output light-dependent and history-dependent signals, enabling image integration. , Weak signal accumulation, spectral analysis and other complex image processing functions, the multi-functional integration of sensing, data storage and data processing into one device."

בשנת 2018, יאנג צ'אי ועמיתיו פרסמו את המאמר הראשון על זיכרון אופטואלקטרוני, בו הציגו התקן זיכרון מיתוג התנגדות שיכול לבצע פעולות חישת אור ופעולות לוגיות. שנה לאחר מכן, הצוות הציג סוג חדש של זיכרון גישה אקראית פוטו-התנגדות עם שלוש פונקציות שונות. באופן ספציפי, המכשיר החדש יכול לחוש את הסביבה, לאחסן את המידע בזיכרון ולבצע פעולות עיבוד חזותי נוירומורפי.

"We studied the concepts of near-sensor and in-sensor computing paradigms in 2020 and published our views in the field." Yang Chai continued, "This new research on biomimetic vision sensors builds on our On top of all previous efforts."

The intensity of ambient natural light varies widely, with a total range of 280 dB. When the human retina senses external light signals, it adjusts the light sensitivity of its photoreceptors (i.e., rods and cones) according to the strength of the signal. This ultimately enables the human eye to gradually adapt to varying levels of lighting, allowing it to see clearly in both dark and bright environments, an ability known as "visual adaptation."

"For example, when you enter a dark cinema from a bright hall, you can hardly see anything at first, but after a while in the cinema, it becomes easier to see things," explains Yang Chai. "This phenomenon is called scotopic adaptation. Conversely, if you go from a dark movie theater to a sunny outdoors, you'll feel very dazzled at first, and it takes a while to get used to seeing what's going on around you. The process The opposite of dark adaptation is called photopic adaptation."

The main goal of Yang Chai and his colleagues' recent work is to build a vision sensor inspired by the structure and function of the human retina. To do this, they first started by studying the human retina and then tried to design perceptual strategies that would allow them to artificially simulate visual adaptations.

חיישני תמונה-מתקדמים-- המבוססים על טכנולוגיית CMOS הם בדרך כלל בעלי טווח דינמי מוגבל של 70 dB. עם זאת, טווח דינמי זה צר בהרבה מטווח התאורה של סצנות טבעיות (280 dB).

"To achieve visual perception over a wide range of light intensities, researchers have explored the use of controlled optical apertures, liquid lenses, adjustable exposure times, and denoising algorithms in post-processing," said Yang Chai. "However, these Methods often require complex hardware and software resources."

Dark and light adaptation of biomimetic vision sensor arrays. (a) Schematic of the dark adaptation test: recognition of low-light images using an 8 x 8 pixel array in a dark environment. (b) Schematic diagram of light adaptation test: recognition of high-illuminance images using an 8 x 8 pixel array in a bright environment. (c) Dark adaptation process to identify the "8" pattern. (d) The photoadaptation process to identify the "8" pattern.

התקנים אופטו-אלקטרוניים עם ראייה-מותאמת לאור וטווח חישה רחב במסופים חושיים יכולים להיות בעלי ערך רב. לדוגמה, הם יכולים לעזור לשפר את הביצועים של כלי ראייה ממוחשבת, להפחית את מורכבות החומרה הנדרשת לבניית רובוטים או מערכות חישה אחרות, ולשפר את הדיוק של מערכות זיהוי תמונות.

אמנם, צוותי מחקר אחרים פיתחו מכשירים אופטו-אלקטרוניים שיכולים להסתגל לתנאי תאורה שונים בעבר. עם זאת, רוב המכשירים שהוכחו בעבר יכולים רק לחקות את מנגנון הסתגלות האור של הרשתית. תהליך ההסתגלות האפל הוכיח עד כה קשה יותר לדמות.

"There is still a long way to go to fully replicate the visual adaptation function of the retina," explains Yang Chai. "To achieve this, we designed a phototransistor-based vision sensor using ultra-thin semiconductors that can The degree of dark adaptation and light adaptation in the same device was controlled by applying different gate voltages. In this way, we simulated photoreceptors and horizontal cells in the retina and successfully achieved a sensing range of 199 dB. Vision-adaptive devices in biomimetic sensors."

הדמיה מלאכותית של קולטני אור ותאים אופקיים ברשתית להסתגלות חזותית (הסתגלות לחושך והתאמת אור)

חיישן הראייה הביומימטי שפותח על ידי יאנג צ'אי ועמיתיו מבוסס על פוטוטרנזיסטורים העשויים מחומר מוליכים למחצה דק במיוחד המכונה מוליבדן דיסולפיד. לפוטוטרנזיסטורים שבהם השתמשו יש מצבי מלכודת מטען מרובים שיכולים ללכוד או לשחרר אלקטרונים בתוך הערוץ במתחי שער שונים.

Ultimately, these states allow researchers to dynamically tune the conductance of their devices. This, in turn, allowed them to artificially simulate the dark- and light-adaptive mechanisms of the human retina, thereby expanding the range of their sensor's perception of different lighting conditions.

"Our bionic vision sensor has several advantages and features," said Yang Chai. "First, the visual adaptation function is implemented in a single device, which greatly reduces the footprint. Second, multiple functions can be implemented on a single device. , including light sensing, memory, and processing. Finally, dark and light adaptation under different light intensities can be achieved by controlling its gate voltage."

יאנג צ'אי ועמיתיו העריכו את חיישן הראייה הביונית בסדרה של בדיקות ומצאו שהוא יכול לחקות ביעילות את תפקוד הרשתית האנושית, ולהשיג תוצאות יוצאות דופן בהסתגלות לחושך וגם לאור. יתר על כן, יש לו טווח תפיסתי גבוה משמעותית (199 dB) בהשוואה לפתרונות שהוצעו בעבר.

"Our vision sensor can enrich machine vision functions, reduce hardware complexity, and achieve high image recognition efficiency," said Yang Chai, "All these advantages are available in areas such as autonomous driving, face recognition, and industrial manufacturing in complex lighting environments. great application prospects."

במחקרים עתידיים, החוקרים מתכננים לשפר עוד יותר את הביצועים של חיישן הראייה, תוך שימוש בו גם לייצור מערכות בקנה מידה גדול- המורכב ממערכי חיישנים. באופן אידיאלי, הם רוצים לבנות את מערך החיישנים הזה על מצע גמיש או חצי כדורי כדי לאפשר שדה ראייה רחב יותר.

"One area that needs improvement is the adaptation time of our vision sensor, as it is still not enough to support machine vision applications." Yang Chai added, "Our goal is to reduce the adaptation time to the microsecond level. In addition, the vision sensor array scale Further improvements are also needed. Our near-term target for array size is greater than 100 x 100 pixels. Finally, the heterogeneous integration of vision sensors and post-processing units, including silicon-based control circuits, is a very important step toward practical applications."

טכנולוגיית GMKJ עוסקת עמוקות במקורות אור בריאים וחכמים, ומספקת מגוון שלם של מוצרי UVA UVB UVC LED, אינפרא אדום IR LED VCSEL מוצרים ופתרונות לשוק. יש לה מאות שותפים- באיכות גבוהה בשווקים מקומיים וזרים כדי לקדם במשותף את השימוש בטכנולוגיית האור כדי ליצור חיים בריאים וחכמים. .