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"Optische Elektronische Sensortechnologien":
 
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Version vom 5. März 2020, 00:59 Uhr

Grundlagen

In diesem Dokument finden Sie einige Grundlagen zum Thema "Optische Elektronische Sensortechnologien":

Optische Elektronische Sensortechnologieen


Der CCD Zeilensensor

Grundlagen zum CCD Sensor

CCD Sensoren, oder auch Zeilensensoren genannt, sind Sensoren die auf einem Messstreifen in Mikrometergenauer Auflösung die Intensität von Licht messen und speichern können. Die Abkürzung CCD steht für charge-coupled-device. Ursprünglich wollte man diese Bauelemente als Logikspeicher entwickeln, stellte aber aufgrund der Lichtempfindlichkeit schnell fest das diese sich auch hervor- ragend zur Messung von Licht nutzen liessen. Die meisten CCDs haben eine MIS Struktur (metal insulator semiconductor). So besteht zum Beispiel der hier erklärte ILX535K-CCDs aus mehreren Zeilein MOS-caps (metal oxide semiconductor capacitors), bei denen sowohl der Isolator (die Oxyd-Schicht) als auch die Gate-Anschlüsse am Metall transparent sind. Über eine angelegte negative Gate - Body/Bulk Spannung wird ein elektri- sches Feld am Gate erzeugt, welches positiv geladene ”Löcher” verdrängt und zugleich negativ geladene Atome und freie Elektronen anzieht. Die so entstandene Verarmungszone (depletion zone) zwischen der Oxyd-Schicht und dem positiv dotierten Body wird auch als Potentialtopf bezeichnet. Fällt nun Licht auf den MOS-Cap, dessen Energie (also Frequenz) hoch genug ist, um die Metall- und Oxid- Schicht zu durchdringen und dort angelangt noch höher ist als die Bindungsenergie der Elektronen an ihr Atom, so lösen diese Photonen Elektronen aus dem Atom, welche sich dann im Potentialtopf sammeln, während die positiv geladenen Atome im Body zrückbleiben. Dieser Prozess wird auch als innerer Photoeffekt bezeichnet. Durch die Phasenverschobene Taktung der Bias Anschlüsse werden die Ladungen zum Ausgang des CCDs transportiert, wo sie dann ausgewertet werden können.

In dieser Laserharfe wurde ein iC-LF1402 Zeilensensor mit integriertem Shiftregister der Firma IC-Haus verbaut. Ein vorteil diese Sensors ist die Möglichkeit die Werte des letzten Belichtungsvorgangs während dem aktuellen Belichtungsvorgang auszulesen. Um zu wissen an welcher Stelle ein Photon den Zeilensensor getroffen hat wird dieser kurzzeitig belichtet und dann ausgelesen. Die Laserstrahlen dieser Harfe werden nacheinander ein- und ausgeschaltet. Während Laser n+1 eingeschaltet ist wird Laser n ausgelesen.

Hier ein Photo zum Phasenverschobenen Ladungstransport eines CCDs, aus dem Video das leider nicht mehr online ist: 3 Phasen CCD

Der ILX535K Zeilensensor

Zur Verbildlichung hier ein ILX535K Zeilensensor aus einem Scanner:

CCD Sensor CCD Sensor


Vergrößert man den Zeilensensor 230x erkennt man deutlich 3 Farbfilter (rot,grün,blau). Unter diesen Farbfiltern liegen je 5300 MOS-Caps, die die durch einfallendes Licht erzeugten Ladungen speichern.

CCD Sensor CCD Sensor CCD Sensor CCD Sensor

Datenblatt ILX535K

Der iC-LFL1402 Zeilensensor

Beim iC-LFL1402 handelt es sich um einen Zeilensensor der Firma ICHaus, welcher über ein zugehöriges Evaluationsboard (iC-LF EVAL LF2D) direkt angesteuert werden kann. Im Unterschied zum ILX535K wurden bei diesem Sensor Photodioden verbaut, welche aufgrund des inneren Photoeffekts Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband heben. Diese Ladungen werden hier in einem so genannten Integrationskondensator gespeichert. Dank einer zusätzlichen integrierten Steuerungslogik kann dieser CCD Sensor mit nur einem Takteingang und einem Eingang für den Startimpuls (SI - Start of Integration) betrieben werden.

Aufbau des CCD Sensors

Der CCD Sensor auf einem Breakout Board:

ic-lfl-eval-lf1m.jpg


Wie im Chip Layout des Datenblatts zu sehen hat der Sensor nur 8 Pins.

Chip_Layout


Der Sensor wird als OBGA (Organic Ball Grid Array) Package hergestellt:

ic-lfl-obga-lfl1c.jpg


Der Sensor besteht aus 256 Photodioden.

CCD_Single_Pixel

Hier einige Nahaufnahmen, auf denen die Photozellen (schwarze Rechtecke), Kondensatoren und vermutlich die sample and hold Schaltkreise zu sehen sind, von denen es je 256 Stück gibt.

CCD_Single_Pixel.gif


256 Analoge Pixelwerte

Mit nur 256 Takten können alle 256 Pixel ausgelesen werden. Dank integrierten sample and hold Schaltkreisen können die analogen Werte des vorheringen Zyklus ausgegeben werden, während die Photozellen neue Werte messen. Die 2 Impulse von Kanal 1 (grün) zeigen den Start der Integration des CCD Sensors (Vgl. Timing Diagramm 'SI' Start of Integration) Kanal 2 (gelb) zeigt 256 Analogwerte zwischen den zwei SI Impulsen von Kanal 1. Fällt weniger Licht auf die Einzelnen Photodioden, werden geringer Spannungen gespeichert und ausgegeben.

CCD_Test


Optische Charakteristik des iC-LFL1402

Die Photodioden des iC-LFL1402 liefern bei einer Wellenlänge von 700nm (sichtbares Licht) die höchsten Spannungswerte. Dennoch ist der CCD Sensor für die verwendeten 532nm Laserdioden bei ausreichend niedriger Frequenz (100 kHz) ohne Shutter brauchbar:

CCD_Optische_Charakteristik.gif

Das MIDI Protokoll

MIDI (Musical Instruments Digital Interface) ist ein Steuerungsprotokoll zur Übertragung von Steuerbefehlen zwischen Musikinstrumenten. In diesem Protokoll können beispielsweise Informationen darüber gesendet, welche Note mit welchem Pitch und welcher Lautstärke ein Empfängergerät abspielen soll. MIDI-Befehle bestehen aus 1 bis 3 Bytes:

  • 1. Statusbyte
  • 2. erstes Datenbyte
  • 3. zweites Datenbyte

MIDI Byte

(Quelle: http://home.snafu.de/hoeldke/Text/MHOnl_MIDI-Datenformat.pdf)


Der MIDI Anschluss ist sehr simpel aufgebaut. Der MIDI Ausgang (linke Seite) benötigt lediglich einen Vorwiderstand zur Begrenzung des Stroms (bei 5V - 200 Ohm, bei 3V3 - 33 Ohm). Der MIDI Eingang (rechte Seitet) trennt zum Schutz des Instruments das Signal galvanisch über einen Optokoppler und stellt zudem keine Masseverbindung zum Sender her, um Brummschleifen zu vermeiden.

Midi Pinout

(Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=0L7WAMFWSgY&t=303s)

Elektrische Beschaltung des MIDI Ports

Midi ist eine strombasierte Übertragungstechnik. Laut Spezifikation sollten die Signale mit 5 mA übertragen werden.

(Siehe auch https://mitxela.com/other/ca33.pdf, für weitere Details zur Elektrischen Spezifikation von MIDI.)

MIDI3V3

OUT Pin = TX Pin.