Τ.Ε.Ι Λαμίας Τμήμα Ηλεκτρονικής Σ.Τ.ΕΦ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΘΕΜΑ:ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ CCD ΚΑΜΕΡΕΣ

Τ.Ε.Ι Λαμίας Τμήμα Ηλεκτρονικής Σ.Τ.ΕΦ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΘΕΜΑ:ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ CCD ΚΑΜΕΡΕΣ Μπαρμπάκος Δημήτριος Τζούτζης Έλτον-Αντώνιος Διδάσκοντας:Kαραγκούνης Αναστάσιος ΛΑΜΙΑ Ιανουάριος 2013-0 -

Περιεχόμενα 1. Aρχιτεκτονική δομή 1.1. Αρχιτεκτονική δομή CCD αισθητήρα.2 1.2. Τύποι καμερών.5 2. Αρχή λειτουργίας 2.1. Αισθητήρας τύπου μετασχηματισμού γραμμών..8 2.2. Αισθητήρας τύπου μετασχηματισμού πλαισίων..8 3. Εφαρμογές με CCD κάμερες 3.1. Ενδεικτικές εφαρμογές με CCD κάμερες 3.1.1. Acquisition εικόνας χρησιμοποιώντας X-ray scintillator.10 3.1.2. Μελέτη φθορισμού 10 3.1.3. FISH:(Fluoresence in Situ Hybridization) 11 3.1.4. Μέτρηση κατανομής συγκέντρωσης σωματιδίων δοκιμαστικής μηχανής...12 3.1.5. Ανίχνευση ασθενών εκπομπών μέσα σε συσκεύες με ημιαγωγούς..13 3.1.6. Μέτρηση ατμοσφαιρικού φωτός με άτομα οξυγόνου...14 3.1.7. Μέτρηση κατανομής πίεσης σε αεραγωγούς 15 3.1.8. Recovering fluorescent spectra with an RGB digital camera and color filters using different matrix factorizations... 16 3.1.9. Παρακολούθηση...17 3.1.10. Διαχωρισμος hyperspectral-multispectral..17 3.1.11. Εφαρμογές στην γεωργία 18 3.1.12. Φυσική... 19 3.1.13. Χημική ανάλυση...19 3.1.14. Περιβάλλον...19 3.1.15. Οι σημειώσεις του Αρχιμήδη...19 3.1.16. Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα...20 3.1.17. Χαρακτηριστικές εφαρμογές των CCD...21 4. Σύγκριση CCD vs CMOS 4.1. Χαρακτηριστικά απόδοσης CCD-CMOS sensors..22 4.2. Βιντεο, CCD vs CMOS.24 5. Παρουσίαση CCD κάμερας τύπου Flea 2.25 6. Βιβλιογραφία..27-1 -

1. Αρχιτεκτονική Δομή [V] 1.1. Αρχιτεκτονική δομή CCD αισθητήρα Οι κάμερες τεχνολογίας στερεάς κατάστασης χαρακτηρίζονται από τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα τύπου στερεάς κατάστασης που διαθέτουν, όπως ο αισθητήρας τους. Τα ηλεκτρονικά στερεάς κατάστασης, όπως τρανζίστορ, ολοκληρωμένα κυκλώματα, μνήμες φυσαλίδων, βασίζονται εξ ολοκλήρου σε ημιαγωγούς. Σε μία συσκευή στερεάς κατάστασης δεν λαμβάνει χώρα μηχανική δραστηριότητα, αλλά ηλεκτρομαγνητική. Σε ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα στερεάς κατάστασης, το ηλεκτρικό ρεύμα, ροή ηλεκτρικού φορτίου, εγκλωβίζεται σε στερεά στοιχεία και συστατικά κατασκευασμένα ειδικά για να το διακόπτουν και να το ενισχύουν. Το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να υπάρχει είτε ως ροή ηλεκτρονίων (αρνητικό φορτίο) είτε ως έλλειψη ηλεκτρονίων (θετικό φορτίο) γνωστή ως οπή. Σε κάποιους ημιαγωγούς το ηλεκτρικό ρεύμα αποτελείται κυρίως από ηλεκτρόνια, ενώ σε άλλους, από οπές. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές καλούνται φορείς φορτίου. Οι αισθητήρες στερεάς κατάστασης αποτελούνται από έναν αριθμό από διακριτά εικονοστοιχεία ή τοποθεσίες φωτονίων. Κάθε θέση συσσωρεύει φορτίο ανάλογο με τη πυκνότητα φωτεινής ροής, η οποία προσπίπτει επάνω του, ολοκληρωμένη στο χρόνο έκθεσης. Οι αισθητήρες σάρωσης γραμμής είναι μονοδιάστατες διατάξεις εικοστοιχείων, και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου η γραμμική κίνηση ενός αντικειμένου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μίας δισδιάστατης εικόνας κατά την πάροδο του χρόνου. Οι αισθητήρες σάρωσης περιοχής είναι δισδιάστατες διατάξεις εικονοστοιχείων, και αποτελούν τη βάση για τις κάμερες που χρησιμοποιούνται στη τηλεόραση και τις περισσότερες εφαρμογές μηχανικής όρασης. Στη συνέχεια η ανάλυση θα περιοριστεί στους αισθητήρες περιοχής, αν και έχουν υπάρξει εφαρμογές οπτικής οδήγησης με ανάδραση θέσης που έχουν κάνει χρήση αισθητήρων σάρωσης γραμμής. Η καρδιά μιας CCD κάμερας είναι ο CCD αισθητήρας της. Πρόκειται για εναν ειδικό τύπο ολοκληρωμένου που βρίσκεται ακριβώς πίσω απο το φακό. Ο φακός εστιάζει την εικόνα του ειδώλου κατευθείαν πάνω στον αισθητήρα, ο οποίος την σαρώνει και με την βοήθεια κάποιων άλλων ολοκληρωμένων παράγει το πλήρες σήμα βίντεο. Ο αισθητήρας είναι ένα φωτοευαίσθητο στοιχείο (με διαστάσεις 10x5μm). Ένας τυπικός αισθητήρας έχει περίπου 410.000 φωτοευαίσθητα στοιχεία διατεταγμένα σε 720 οριζόντιες γραμμές και 576 κατακόρυφες στήλες. Ένας αισθητήρας τύπου CCD, ή διάταξης ζεύγους φορτίου (Charge Coupled Device), αποτελείται από μία ορθογωνική διάταξη εικονοστοιχείων καθένα από τα οποία συσσωρεύει φορτίο που σχετίζεται με τη στιγμιαία πυκνότητα φωτεινής ροής που προσπίπτει στο στοιχείο ολοκληρωμένη στο χρόνο. Εικόνα 1-2 -

Τα φωτόνια που προσπίπτουν παράγουν ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων στο ημιαγώγιμο υλικό, και ένα από τα φορτία αυτά, γενικά το ηλεκτρόνιο, συλλαμβάνεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο σε ένα φρεάτιο φορτίου. Μαζί με τους αισθητήρες τεχνολογίας CMOS, οι CCD αποτελούν τους πιο δημοφιλείς αισθητήρες τα τελευταία χρόνια και θα αναλυθούν περισσότερο στη συνέχεια,στην αρχή λειτουργίασς των CCD όπως και στην σύγκριση τών CCD με τούς C-MOS. [I] Η εστίαση μιας κάμερας εξαρτάται από το εστιακό μήκος f (focal length). Πρόκειται για την απόσταση μεταξύ του CCD αισθητήρα και ου φακού. Η γωνία λήψης είναι ανάλογη του εστιακού μήκους. Όσο μεγαλύτερο είναι το εστιακό μήκος τόσο μικρότερη είναι η γωνία λήψης (μακρινή λήψη-λειτουργία telephoto). Αντίστροφα όσο μικρότερο είναι το εστιακό μήκος τόσο ευρεία είναι η γωνία λήψης (κοντινή λήψη). Εικόνα 2 Ωστόσο η γωνία λήψης εξαρτάται και από το μέγεθος του αισθητήρα. Οι διαστάσεις των αισθητήρων κατηγοριοποιούνται βάση της διαγωνίου τους σε,,,,, κτλ.οι πραγματικές διαστάσεις του αισθητήρα τού είναι 4.8 x 3.6mm, ενώ του είναι 3.6 x 2.7mm. Παρατηρείστε ότι ο λόγος πλάτος/ύψους είναι 4/3 (1:33), αντίστοιχο με τον λόγο των συστημάτων PAL. Για παράδειγμα, με ένα φακό 4mm σε μία κάμερα η γωνία λήψης είναι 62 ο, ενώ με τον ίδιο φακό σε μία κάμερα η γωνία λήψης μειώνεται σε 48 ο. Οι περισσότεροι ενσωματωμένοι φακοί έχουν εστιακό μήκος 2.5mm, το οποίο σε συνδυασμό με ενα αισθητήρα προσφέρει γωνία ληψης 90 ο (ή 70 ο με έναν αισθητήρα ). Σε περίπτωση που χρειαζόμαστε μεγαλύτερη γωνία λήψης υπάρχουν ειδικοί φακοί ανάλογα με την περίπτωση, όπως ο ευρυγώνιος φακός 170 ο (fish eye). Μένει λοιπόν να δούμε πως υπολόγιζουμε το κατάλληλο εστιακό μήκος του φακού που χρειαζόμαστε. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τα μεγεθή S (το ενεργό μήκος του αισθητήρα), q (η απόσταση του φακού απο τον αισθητήρα), D (η απόσταση του φακού από την σκηνή) και W (το πλάτος της σκηνής). Σημειώνουμε ότι για αποστάσεις D>1m, το μέγεθος q είναι ίδιο με το εστιακό μήκος f του φακού. - 3 -

Εικόνα 3 Για να υπάρχει σωστή εστίαση θα πρέπει μεταξύ αυτών των μεγεθών να ισχύει:. Αλλά επείδη q=f (όταν D>1m), η σχέση επιλύεται και μα δίνει:f. Επομένως αν θέλουμε να πραγματοποιήσουμε μια λήψη μιας σκηνής πλάτους W=3 μέτρων σε μία απόσταση D=5 μέτρων με μία κάμερα (δηλαδή S=3.6mm), τότε θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε φακό με εστιακό μήκος f=8mm. Ο παρακάτω πίνακας περιέχει τις πιο συνιθισμένες αντιστοιχίες για κάμερες και. Από αυτόν τον πίνακα μπορείτε να προσδιορίσετε τι φακό χρειάζεστε. Βέβαια υπάρχει και η ακριβότερη λύση των φακών με μεταβλητό εστιακό μήκος, με τους οποίους μπορείτε να ρυθμίζετε ακριβώς την εστίαση της κάμερας. Τύπος αισθητήρα Εστιακό μήκος φακού(f) Αντιστοιχίες για κάμερες και. Οριζόντια γωνία λήψης(φ) Πλάτος σκηνής(w) στο 1m στα 2m στα 3m στα 5m στα 10m 2.32mm 92 o 2.1m 4.2m 6.2m 10.3m 20.7m 4mm 62 o 1.2m 2.4m 3.6m 6m 12m 6mm 44 o 0.8m 1.6m 2.4m 4m 8m 8mm 33 o 0.6m 1.2m 1.8m 3m 6m 2.57mm 70 o 1.4m 2.8m 4.2m 7m 14m 4mm 48 o 0.9m 1.8m 2.7m 4.5m 9m 6mm 33 o 0.6m 1.2m 1.8m 3m 6m 8mm 25 o 0.45m 0.9m 1.35m 2.25m 4.5m - 4 -

1.2. Τύποι καμερών Υπάρχουν δύο τύποι καμερών χαμηλού κόστους βασισμένοι σε αισθητήρα τεχνολογίας CCD. α) οι κάμερες πάνω σε πλακέτα με ενσωματωμένο φακό σταθερού ή μεταβλητού εστιακού μήκους και β) οι κάμερες σε κλειστή μετταλική συσκευασία πού δέχονται μία σειρά από φακούς ώστε να διαλέξουμε τον κατάλληλο ανάλογα με την εφαρμογή. Εικόνα 4 Οι κάμερες που διαθέτουν αυτόματη ρύθμιση έκθεσης στο φώς (AES) μπορούν να λειτουργήσουν με μεταβολές φωτός 2000:1 ακόμα και με χαμηλού κόστους σταθερού τύπου φακό. Για μεγαλύτερης κλίμακας μεταβολές φωτός μπορεί να χησιμοποιηθεί ένα ειδικό φίλτρο απόρριψης ενός μέρους της φωτεινότητας χωρίς όμως να επηρεάζει τα χρώματα (neutral-density filter). Σε εσωτερικούς χώρους όπου οι μεταβολές του φωτός δεν ξεπερνούν την αναλογία 2000:1 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα σύστημα φακού αυτόματης εστίασης (auto iris lens). Αυτό αντικαθιστά την λειτουργία του αυτόματου κλείστρου και έχει καλύτερη απόδοση εικόνας, αλλά μπορεί να κοτίζειπερίπου όσο και η κάμερα. Οι κάμερες τύπου pinhole είναι κάμερες πολύ μικρού μεγέθους εξοπλισμένες με χαμηλού κόστους φακό μη ρυθμιζόμενης εστίασης. Έχουν μικρό εστιακό μήκος και γι αυτό συνήθως εστιάζουν σε βάθος πεδίου άνω των δύο μέτρων. Η ποιότητα εικόνας τους είναι χαμηλή και γενικά δέν αποδίδουν σε δυνατά φωτιζόμενους χώρους. Μερικές κάμερες διαθέτουν και ένα μικρόφωνο με ενσωματωμένο προενισχυτή, ώστε να μας δίνουν την δυνατότητα καταγραφής ήχου μαζί με την εικόνα. Αυτή η λειτουργία είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε κρυφές κάμερες εσωτερικού χώρου, όπου για παράδειγμα θέλει ένας διευθυντής να ελέγξει τις συζητήσεις των υπαλλήλων του. Θα πρέπει όμως να δοθεί ιδιαίτερη σημασία στη νομοθεσία περί προστασίας προσωπικών στοιχείων, καθώς απαγορεύεται η βιντεοσκόπηση ή η ηχογράφηση ατόμων εν αγνοία τους. Σε περίπτωση που θέλετε η κάμερα να εγκατασταθεί σε εξωτερικό χώρο, θα πρέπει να την τοποθετήσετε σε ένα μεταλλικό περίβλημα (housing) που θα την προστατεύει από την βροχή, αλλά και από βανδαλισμούς. Οι dome κάμερες έχουν ένα ωραίο σφαιρικό περίβλημα συνήθως με φιμέ τζάμι, μέσα από το οποίο δεν φαίνεται εύκολα που κοιτάζει η κάμερα. Επίσης η κάμερα μπορεί να είναι περιστρεφόμενη 360 ο και να κατευθύνεται από το κέντρο παρακολούθησης μέσω ενός ΡΤΖ(pan tilt zoom) μηχανισμού τηλεχειρισμού. - 5 -

2. Αρχή λειτουργίας Η τεχνολογία CCD εφευρέθηκε το 1969 από τους Willard Boyle και George E. Smith των AT&T Bell Labs. Η ουσία του σχεδιασμού ήταν η ικανότητα μεταφοράς φορτίου κατά μήκος της επιφάνειας ενός ημιαγωγού. Αρχικά, η τεχνολογία CCD χρησιμοποιήθηκε ως συσκευή μνήμης, αλλά πολύ γρήγορα έγινε ξεκάθαρο ότι μπορούσε να λαμβάνεται φορτίο μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινόμενου για το σχηματισμό εικόνων. Εικόνα 5: CCD αισθητήρας Κάθε φωτοευαίσθητο στοιχείο φορτίζεται ανάλογα με την ποσότητα φωτός που προσπίπτει πάνω του. Το φορτίο κάθε στοιχείου μεταφέρεται μέσω των οριζοντίων καταχωρητών στους κάθετους και από εκεί στούς οριζόντιους καταχωρητές ολίσθησης. Αυτοί τροφοδοτούν έναν ενισχυτή πού μετατρέπει το φορτίο σε τάση, παράγοντας έτσι ένα μεταβαλλόμενο σήμα τάσης, ανάλογο των μεταβολών των φορτίων. Το σήμα αυτό μέσω ενός A/D Converter(Analog to Digital converter) μετατρέπεται από αναλογικό σε ψηφιακό, όπως και το σήμα αυτό αντιστοιχεί στο σήμα prevideo μιας γραμμής. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη λειτουργία του αισθητήρα CCD, ας θεωρήσουμε ένα υπόστρωμα τύπου-p καλυμμένο με ένα λεπτό στρώμα οξειδίου πάνω στο οποίο έχει αποτεθεί μία σειρά απο μεταλλικά ηλεκτρόδια που είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο,απο τα οποία πέντε φαίνονται στην εικόνα 6. Υποθέτουμε ότι η τάση κατωφλίου είναι μηδέν και ότι δέν υπάρχουν ηλεκτρόνια. Θεωρούμε την περίπτωση όπου η τάση στήν πύλη τρία είναι +V και όλα τα άλλα ηλεκτρόδια είναι γειωμένα. Αυτή η θετική τάση αποθεί τις οπές στο υπόστρωμα κάτω από το E 3 και αυτές απομακρίνονται απο το S i O 2 πρως τα κάτω. Κατά συνέπεια βγαίνουν στην επιφάνεια ακίνητα αρνητικά ιόντα και σχηματίζεται ένα στρώμα εκκένωσης κάτω απο το Ε 3. Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου εκτίνονται απο το θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο μέσω του διηλεκτρικού μέσα στη περιοχή εκκένωσης και μέχρι αυτά τα ακίνητα αρνητικά φορτία. - 6 -

Εικόνα 6:Η απλούστερη δομή μιας CCD καναλιού n( υποστρώματος p).tο φρεάτιο δυναμικής ενέργειας σχηματίζεταια κάτω από την πύλη 3 αν το ηλεκτρόδιο αυτό έχει θετική τάση και όλες οι άλλες πύλες έχουν το δυναμικό του υποστρώματος (γη). To σύστημα αισθητήρα που περιγράψαμε είναι τύπου μετασχηματισμού γραμμών (interline transfer type) και χρησιμοποιείται στις κάμερες τις ερασιτεχνικές βιντεοκάμερες και τις ψηφιακές φωτογραφκές μηχανές,oι αισθητήρες μετασχηματισμού γραμμών είναι μονοδιάστατες διατάξεις εικοστοιχείων, και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου η γραμμική κίνηση ενός αντικειμένου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μίας δισδιάστατης εικόνας κατά την πάροδο του χρόνου. Υπάρχουν και οι αισθητήρες τύπου μετασχηματισμού πλαισίων ή συνδυασμού γραμμών και πλαισίων (frame transfer type), αλλά αυτοί οι τύποι είναι περισσότερο πολύπλοκοι και είναι ακριβότεροι. Οι αισθητήρες μετασχηματισμού πλαισίων είναι δισδιάστατες διατάξεις εικονοστοιχείων, και αποτελούν τη βάση για τις κάμερες που χρησιμοποιούνται στη τηλεόραση και τις περισσότερες εφαρμογές μηχανικής όρασης. [VI] - 7 -

Εικόνα 7 : Αισθητήρας τύπου μετασχηματισμού γραμμών και τύπου μετασχηματισμού πλαισίων Αισθητήρας τύπου μετασχηματισμού γραμμών. Στο τέλος του κάθε χρόνου πεδίου, τα περιττά ή τα άρτια φωτοευαίσθητα στοιχεία μεταφέρουν το φορτίο τους σε καταχωρητές κάθετης ολίσθησης (vertical transport registers), και εκείνα αποφορτίζονται. Κατά τη διάρκεια του επόμενου χρόνου πεδίου, οι καταχωρητές κάθετης ολίσθησης μετατοπίζουν μία γραμμή τη φορά προς τον καταχωρητή οριζόντιας ολίσθησης (horizontal transport register) όπου από εκεί μετατίθεται στον ενισχυτή ως ρυθμός φωτοευαίσθητων στοιχείων. Αισθητήρας τύπου μετασχηματισμού πλαισίων. Στο τέλος κάθε χρόνου πεδίου τα περιττά ή άρτια φωτοευαίσθητα στοιχεία μεταφέρονται στους καταχωρήτες κάθετης ολίσθησης και αποφορτίζονται. Στη συνέχεια, το φορτίο μεταφέρεται απότομα, τυπικά 100 φορές το ρυθμό γραμμής, στη περιοχή αποθήκευσης. Κατά τη διάρκεια του επόμενου πεδίου, οι γραμμές διαδοχικά φορτώνονται στον καταχωρητή οριζόντιας ολίσθησης όπου μετατίθενται στον ενισχυτή ως ρυθμός φωτοευαίσθητων στοιχείων. Εάν το φωτοευαίσθητο στοιχείο μείνει πολύ ώρα εκτεθημένο στο φώς τότε θα αποδώσει μια πολύ φωτεινή κουκίδα, ενώ αν εκτεθεί πολύ λίγο θα αποδόσει μια σκούρα. Για να αποδοθεί σωστα η φωτεινότητα θα πρέπει ο χρόνος έκθεσης των φωτοευαίσθητων στοιχείων να διαρκεί ανάλογα με τον φωτισμό του περιβάλλοντος. Αυτό ρυθμίζεται από το αυτόματο ηλεκτρονικό κλείστρο (AES-Automatic Electronic Shutter) καθορίζοντας τον χρόνο έκθεσης απο 10 μsec εώς 0 msec. Όσον αφορά την απόδοση χρώματος από την κάμερα, υπάρχουν 2 συστήματα παραγωγής του. Στις κάμερες χαμηλού κόστους (ερασιτεχνικές κάμερες, βιντεοκάμερες και φωτογραφικές μηχανές) χρησιμοποιείται ένας μόνο αισθητήρας σε συνδυασμό με χρωματικά φίλτρα (R, G, B). Στις επαγγελματικές κάμερες χρησιμοποιούνται τρείς διαφορετικοί αισθητήρες (ένας για κάθε χρώμα) σε συνδυασμό με ένα οπτικό σύστημα διαχωρισμού της εικόνας του ειδώλου σε κάθε αισθητήρα, ώστε να πηγαίνει ακριβώς η ίδια εικόνα σεόλους. Αυτό το σύστημα επιτυγχάνει έγχρωμο σήμα υψηλότερης ποιότητας, αλλά είναι πολυπλοκότερο και ακριβότερο. Η ποιότητα (ευκρίνεια) εικόνας μιας κάμερας CCD εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Ο γνωστότερος παράγοντας,αλλά όχι ο κυριότερος, είναι η ανάλυση του αισθητήρα,καθώς όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση του,τόσο καλύτερη εικόνα αποδίδει. Η ανάλυση του αισθητήρα - 8 -

καθορίζεται απά τον αριθμό των φωτοευαίσθητων στοιχείων που το αποτελούν. Όμως το τελικό αποτέλεσμα δεν εξαρτάται μόνο απο την ποιότητα του αισθητήρα CCD, αλλά και απο τα κυκλώματα μετατροπής της κάθε εικόνας σε σήμα βίντεο,τα οποία θα πρέπει να ανταποκρίνονται στις υψηλές συχνότητες, διαφορετικά θα την αλλοιώνουν. Αυτό μπορεί να ελεγχθεί από την ενεργή οριζόντια ανάλυση,καθώς μία μέση τιμή 480 γραμμών θεωρείται γενικώς ότι αποδίδει εικόνες αρκετά ευκρινείς. Επίσης θα πρέπει να προσέξουμε και την ποιότητα απεικόνισης της τηλεόρασης που θα αναδείξη το σήμα βίντεο,καθώς όσο ευκρινές και αν είναι το σήμα,αν δεν είναι καλής ποιότητας η οθόνη, τότε η τελικήεικόνα θα είναι φτωχή. Μία άλλη πιθανή αιτία εμφάνισης θορύβου στην εικόνα είναι η ευαισθησία των CCD αισθητήρων υπερύθρου (IR) φώς. Παρόλο που η μέγιστη ευαισθησία τους αντιστοιχεί στην περιοχή των 500 έως 550nm, υπάρχει μια ευαισθησία σε ποσοστό 20% στα 780nm (αρχή φάσματος υπέρυθρης ακτινοβολίας). Αυτό το χαρακτηριστικό μπορεί να θεωρηθεί μειονέκτημα στην λήψη κατά την διάρκεια της ημέρας κυρίως στις ασπρόμαυρες κάμερες,καθώς θολώνει κατά ένα ποσοστό την εικόνα. Όμως στις έγχρωμες κάμερες που χρησιμοποιούν χρωματικά φίλτρα το υπέρυθρο φώς φιλτράρεται και δεν επηρεάζει τόσο τον αισθητήρα. Ωστόσο η ευαισθησία στην υπέρυθρη ακτινοβολία είναι πλεονέκτημα για τις νυχτερινές λήψεις όπου ο χώρος μπορεί να φωτίζεται μόνο με υπέρυθρο φώς. Σε αυτή την λογική στηρίζεται η λήψη στο απόλυτο σκοτάδι (0 Lux), όπου ο χώρος ραντίζεται με υπέρυθρη ακτινοβολία. Θα πρέπει να σημειώσουμε ότι ο ενσωματωμένος υπέρυθρος προβολέας που υπάρχει στις βιντεοκάμερες δεν είναι για λήψεις άνω των 2 μέτρων. Συνήθως ο προβολέας αυτός είναι μια συστοιχία απο led υπέρυθρης ακτινοβολίας και άρα χαμηλής σχετικά έντασης. Για μεγαλύτερες αποστάσεις θα χρειαστείτε εξωτερικό υπέρυθρο προβολέα. Οι αισθητήρες CCD στο μέλλον θα αντικατασταθούν από τους αισθητήρες τεχνολογίας CMOS, οι οποίοι προς το παρόν εμφανίζουν κάποια προβλήμτα (π.χ υψηλό θόρυβο, υψηλό κόστος, κτλ.). Όμως μέχρι να καταφέρουν οι μηχανικοί να ξεπεράσουν τα προβλήματα, οι αισθητήρες CCD θα χρησιμοποιούνται κατά κόρον χάριν της ποιότητας σε σχέση με την τιμή τους. - 9 -

3. Εφαρμογές με CCD κάμερες [VII] 3.1.1. Acquisition εικόνας χρησιμοποιώντας X-ray scintillator Μιά εικόνα x-ray μετατρέπεται σε ορατή εικόνα x μέσω του scintillator και ανακτάται από την CCD camera. Έτσι επιτρέπεται σε πραγματικό χρόνο ανάκτηση εικόνας με μεγαλύτερο λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR). Επιπλέον είναι εφικτή πολύ υψηλού επιπέδου ανάλυση εικόνας λόγω της καλής γραμμικότητας. Διάταξη X-ray scintillator Xray με ccd-x-ray scintillator 3.1.2. Μελέτη φθορισμού Εικόνες χρωματισμένες με φθορισμό μπορούν να μελετηθούν εύκολα με μικροσκόπιο. Η υψηλή ανάλυση σε pixel και το μεγάλο δυναμικό εύρος των CCD βελτιστοποιούνται για την ανάλυση έντασης φθορισμού. - 10 -

Διάταξη μελέτης φθορισμού Φθορισμός μικροσωλήνων σε κύτταρο 3.1.3. FISH:(Fluoresence in Situ Hybridization) Με την μέθοδο αυτή μελετάται η διασπορά των χρωμοσωμάτων. Πολλές εικόνες φθορισμού ανακτώνται ξεχωριστά και έπειτα ή περνούνται σε υπέρθεση ή προβάλλονται και αναλύονται με επεξεργασία των καρυότυπων των χρωμοσωμάτων. - 11 -

Διάταξη FISH Ανάλυση χρωμοσωμάτων-βακτηρίων 3.1.4. Μέτρηση κατανομής συγκέντρωσης σωματιδίων δοκιμαστικής μηχανής Μία CCD κάμερα χρησιμοποιείται για να μετρηθεί η κατανομή σωματιδίων φλόγας σε μια μηχανή. Μία δέσμη laser συντονισμένη στο μήκος κύματος απορρόφησης των σωματιδίων εκπέμπεται στον κύλινδρο για να γίνει η σύλληψη του φθορισμού τους. Η πύλη του κυλίνδρου - 12 -

ανοίγει μόνο κατα τη διάρκεια της εκπομπής επιτρέποντας έτσι την ανάκτηση ποσοστού φθορισμού. Διάταξη για μέτρηση με laser 3.1.5. Ανίχνευση ασθενών εκπομπών μέσα σε συσκεύες με ημιαγωγούς Εδώ η CCD χρησιμοποιέιται για να ανιχνεύσει φαινόμενα εκπομπής μέσα σε ημιαγωγούς. Η υψηλή ευαισθησία της κάμερας επιτρέπει τον εντοπισμό σημείων εκπομπής.το σύστημα θέτει σε υπέρθεση την εικόνα εκπομπής με την εικόνα που χρησιμοποιείται σαν pattern. - 13 -

3.1.6. Μέτρηση ατμοσφαιρικού φωτός με άτομα οξυγόνου Στην εικόνα φαίνεται η έξοδος συστήματος στο οποίο ένα φίλτρο διέλευσης μήκους κύματος 557.7nm σχεδιασμένο για εκπομπή σωματιδίων οξυγόνου χρησιμοποιείται σε συνδιασμό με φακό fish-eye. - 14 -

3.1.7. Μέτρηση κατανομής πίεσης σε αεραγωγούς Η επιφάνεια του δείγματος επενδύεται με υλικά των οποίων η ένταση εκπομπής διακυμαίνεται ως αποτέλεσμα πιέσεων και τοποθετείται έπεται σε εναν αεραγωγό για να μελετηθεί η κατανομή πίεσης. Με την CCD γίνονται ποσοτικές μετρήσεις μεγάλης ευκρίνειας και ευστοχίας. - 15 -

3.1.8. Recovering fluorescent spectra with an RGB digital camera and color filters using different matrix factorizations [II] - 16 -

Ο στόχος ενός πολυφασματικού συστήματος είναι να ανακτήσει τις φασματικές ιδιότητες κάθε pixel σε μια εικόνα. Όταν όμως η λήψη της εικόνας γίνεται κάτω από άγνωστες συνθήκες κατανομής ενέργειας του φωτός (SPD) τα pixel δίνουν ελλιπείς πληροφορίες για τις φασματικές ανακλάσεις αντικειμένων στην εικόνα. Οι αισθητήρες RGB τροποποιούνται με φίλτρα αποκοπής χρωματικών συχνοτήτων. Χρησιμοποιούνται κάποιοι συγκεκριμένοι αλγόριθμοι για απλοποίηση των μετρήσεων: -Μή-αρνητική παραγώγιση πινάκων (NMF) -Ανεξάρτητη ανάλυση των στοιχείων της εικόνας (ICA) -Μέθοδος ψευδοαντιστροφής -Ανάλυση αρχής λειτουργίας των στοιχείων (PCA) 3.1.9. Παρακολούθηση Ο κύριος λόγος χρήσης της υπερφασματικής ανάλυσης για στρατιωτικούς σκοπούς είναι ότι πλέον έχουν αναπτυχθεί τεχνικές για προστασία απο τη εναέρια παρακολούθηση. Πλέον υπάρχουν τρόποι κάποιος να κρύψει τα ίχνη που θα άφηνε σε μία υπέρυθρη κάμερα λόγω θερμοκρασίας. Με την χρήση όμως της υπερφασματικής παρακολούθησης, είναι σχεδόν αδύνατον να μην αφήσει κάποιος ίχνη σε κάποια συχνότητα δεδομένου του τεράστιου εύρους συχνοτήτων σάρωσης. Με αύτο τον τρόπο ανιχνεύτηκε ο Osama bin Laden τον Μάη του 2011. Είναι σύνηθες να απαιτείται σύστημα ψύξης για τις συσκεύες αυτές, κάτι που τις καθιστούσε δύσχρηστες σε πολλές καταστάσεις. Το 2010, η Specim κατασκεύασε μια κάμερα για παρακολούθηση η οποία δεν χρειάζεται καμία πηγή φωτός (ήλιος η φεγγάρι). 3.1.10. Διαχωρισμος hyperspectral-multispectral [VIII] Πολυφασματική εικόνα είναι η εικόνα που λαμβάνεται σε συγκεκριμένες συχνότητες στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.τα μήκη κύματος χωρίζονται με φίλτρα ή με συσκεύες ευαίσθητες σε συγκεκριμένες συχνότητες,συμπεριλαμβανομένων και αυτών πέραν των ορατών στο ανθρώπινο μάτι,π.χ. οι υπέρυθρες.μέσω της υπερφασματικής ανάλυσης εξάγονται συμπεράσματα που η - 17 -

όραση αδυνατεί να συλλάβει. Στο σημείο αυτό να διαχωριστεί ο όρος hyperspectral με τον όρο multispectral. Στο multispectral αναλύονται οι εικόνες σε ένα διακριτό φάσμα από μπάντες στενών συχνοτήτων, ενώ στο hyperspectral πέρνονται δείγματα σε ένα συνεχές εύρος αντιπροσωπεύοντας όλο το spectrum κάθε pixel της εικόνας. Άν και αρχικά αναπτύχθηκε για γεωλογικούς σκοπούς και για εφαρμογές σε μεταλλεύματα (η ικανότητα της υπερφασματικής ανάλυσης να διακρίνει διάφορα ορυκτά την καθιστά ιδανική για τις βιομηχανίες ορυκτών και πετρελαίου) εφαρμόζεται σε ένα μεγάλο εύρος πεδίων όπως η οικολογία, η παρακολούθηση για λόγους ασφάλειας και η αρχαιολογική έρευνα. (για παράδειγμα οι σημειώσεις του Αρχιμήδη που πέρασαν απο υπερφασματική ανάλυση για να γίνουν τελικά αναγνώσιμες). 3.1.11. Εφαρμογές στην γεωργία Αν και το κόστος ανάκτησης υπερφασματικών εικόνων είναι υψηλό, για συγκεκριμένες καλλιέργειες η εφαρμογή τους αυξάνεται ριζικά για την παρακολούθηση της υγείας των καλλιεργειών. Στην Αυστραλία βρίσκεται σε πρώιμα στάδια η ανίχνευση παθήσεων στα χωράφια, καθώς και ο διαχωρισμός ποικιλιών διάφορων καρπών (π.χ. σταφύλια). Επίσης - 18 -

ανιχνεύονται τα θρεπτικά συστατικά στα φυτά,αφού μπορεί να αναλυθεί η χημική τους υπόσταση. Μια άλλη εφαρμογή είναι η ανίχνευση στοιχείων των ζώων στα φυτά για την πρόληψη της νόσου των τρελών αγελάδων χρησιμοποιόντας ανάλυση NIR (near infrared). 3.1.12. Φυσική Οι φυσικοί χρησιμοποιούν μια τεχνική μικροσκοπικής ανάλυσης ηλεκτρονίων συνδιασμένη με X-ray φασματοσκοπεία (EDS), με μελέτη απωλειών ενέργειας ηλεκτρονίων (EELS), με υπέρυθρη φασματοσκοπεία(ir), με φασματοσκοπεία Raman ή με φασματοσκοπεία φθορισμού, κατά την οποία καταγράφεται όλο το φάσμα σε κάθε σημείο μέτρησης. Η EELS πραγματοποιείται με μικροσκόπειο τύπου STEM, όπως επίσης και οι EDS και CL. 3.1.13. Χημική ανάλυση Σε καταστάσεις πολέμου,τα χημικά όπλα θεωρούνται μια από τις χειρότερες απειλές. Οι στρατιώτες μπορεί να είναι εκτεθειμένοι σε πλήθος χημικών τα οποία είναι δύσκολο να ανιχνευθούν λόγω της αόρατης υπόστασης τους. Παρ όλα αυτά με χρήση CCD αισθητήρων υπάρχει η δυνατότητα εντοπισμού απελευθέρωσης χημικών αερίων. Ανίχνευση SF6 και NH3 Από απόσταση 1,5 km Η camera TELOPS (σχήμα) έχει χρησιμοποιηθεί σε καταστάσεις πολέμου σε πολλές μάχες από το 2005 με ικανότητα διάκρισης χημικών μέχρι και από 5km μακριά. 3.1.14. Περιβάλλον Πολλές χώρες απαιτούν συνεχή παρακολούθηση εκπομπής εργοστασίων άνθρακα και γενικά εργοστασίων κατανάλωσης πετρελαίου και παραγώγων αυτού. Η παρακολούθηση αυτή μπορεί να γίνει με συνδιασμό συστημάτων συνεχούς δειγματοληψίας και με αισθητήρες υπέρυθρης φασματοσκοπείας που αναλύουν τα δείγματα. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα η μελέτη αυτή να γίνει απο μεγάλη απόσταση χωρίς να είναι απαραίτητη η φυσική επαφή των ατόμων που κάνουν τις μετρήσεις με τα πιθανώς βλαβερά αέρια. 3.1.15. Οι σημειώσεις του Αρχιμήδη Οι σημειώσεις του Αρχιμήδη(Μαθηματικός, Φυσικός και Μηχανικός, 287 π.χ. 212 π.χ.) είναι χειρόγραφα κείμενα δεμένα σε μορφή βιβλίου. Ο Αρχιμήδης κατέγραψε τις μελέτες του στα έγγραφα αυτά αρχικά, στη πορεία όμως κάποιος άλλος έγραψε πάνω στις σημειώσεις κείμενα θρησκευτικού περιεχομένου. Το αντίγραφο των σημειώσεων αυτών το 1229 λύθηκε, πλύθηκε και κόπικε στη μέση μαζί με τουλάχιστον έξι ακόμα έγγραφα ίσης άξιας. Οι 177 σελίδες κομμένες στη μέση - 19 -

φιλοξένησαν κείμενα Χριστιανικών λειτουργειών.η διαγραφή του αρχικού κειμένου όμως δεν ήταν ολοκληρωμένη και η δουλειά του Αρχιμήδη αποκαλύφθηκε μετά απο 10 χρόνια αναλύσεων με μικροσκόπια, CCD αισθητήρων και άλλων μέσων (σε υπεριώδες, υπέρυθρο και X-ray μήκος κύματος). Στα αριστερά φαίνεται το κείμενο όπως βρέθηκε τελικά,ενώ στα δεξιά φαίνεται το αποτέλεσμα μετά απο χρόνια ανάλυσης φασμάτων της εικόνας. 3.1.16. Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Το βασικό πλεονέκτημα της υπερφασματικής ανάλυσης είναι ότι λόγω της λήψης τεράστιου φάσματος σε όλα τα σημεία ο χρήστης δε χρειάζεται να γνωρίζει εκ των προτέρων στοιχεία για το δείγμα, αφού με την επεξεργασία και την μετά-επεξεργασια εξάγονται όλες οι διαθέσιμες πληροφορίες. - 20 -

Βασικό μειονέκτημα είναι η απαίτηση high-end εξαρτημάτων, κάτι το οποίο μεταφράζεται αρχικά σε πολύ υψηλό κόστος εργασίας. Επίσης λόγω του τεράστιου όγκου δεδομένων απαιτούνται μεγάλες αποθηκευτικές μονάδες αυτών. 3.1.17. Χαρακτηριστικές εφαρμογές των CCD: -Φασματική ανάλυση σε επίπεδο ατόμων -Μελέτη χημειοφωτισμού -BEC-(Bose Einstein condensation) -Comet assay -Μελέτη αποδόμησης με laser -Ραδιογράφημα/τομογραφία νετρονίων -Διάγνωση/μελέτη πλάσματος -Φασματοσκοπεία Raman -Μονομοριακή ανίχνευση - 21 -

4. Σύγκριση CCD vs CMOS [IX] Οι digital cameras εξελίσσονται ραγδαία με ένα μεγάλο πεδίο εφαρμογών και μια συνεχώς φθίνουσα πορεία όσον αφορά το κόστος. Δύο είναι οι τεχνολογίες αισθητήρων που επικρατούν: - CCD cameras (charged-coupled device) - CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) Τόσο οι CCD όσο και οι CMOS ξεκινούν απ το ίδιο σημείο,πρέπει να μετατρέψουν το φώς σε ηλεκτρόνια. Μια απλοποιημένη προσέγγιση είναι να σκεφτεί κάποιος μια παράταξη (array) δύο διαστάσεων αποτελούμενη από δισεκατομμύρια ηλιακά κελιά πολύ μικρού μεγέθους, καθένα από τα οποία μετασχηματίζει το φως απ το κομμάτι της εικόνας που του αντιστοιχεί σε ηλεκτρόνια(με διάφορες τεχνολογίες). Το επόμενο βήμα είναι να γίνει η ανάγνωση της τιμής ( του συσσωρευμένου φορτίου) κάθε κελιού της εικόνας. Στους CCD το φορτίο μεταφέρεται μέσω του chip και διαβάζεται σε μία γωνία της διάταξης. Ακολουθεί μετατροπή της αναλογικής τιμής σε ψηφιακή (ADC). Στους CMOS υπάρχουν αρκετά transistor σε κάθε pixel που ενισχύουν και μεταφέρουν το φορτίο χρησιμοποιόντας πιο παραδοσιακές καλωδιώσεις. Οι CCD είναι κατασκευασμένοι ώστε να μεταφέρουν το φορτίο κατα μήκος του chip χωρίς παραμορφώσεις. Η διαδικασία αυτή οδηγεί σε πολύ υψηλής ποιότητας αισθητήρια όσον αφορά στην πιστότητα και στην φωτοευαισθησία. Στον αντίλογο, οι CMOS κατασκευάζονται με διαδικασίες παρόμοιες με εκείνες της κατασκευής μικροεπεξεργαστών. Διακρίνουμε λοιπόν τις εξής βασικές διαφορές μεταξύ των CCD και των CMOS : - Οι CCD παράγουν υψηλής ποιότητας και πολυ χαμηλού θορύβου εικόνες ενώ οι CMOS είναι πιο ευαίσθητοι σε φαινόμενα θορύβου. - Λόγω της ύπαρξης πολλών transistor στους CMOS πολλά φωτόνια προσκρούουν στα transistor αντί της φωτοδιόδου που θα έπρεπε. Ετσι οι CMOS είναι λιγότερο ευαίσθητοι στο φως. - Οι CCD καταναλώνουν μέχρι 100 φορές παραπάνω ενέργεια απ τους CMOS λόγω της πίο απαιτητικής διαδικασίας επεξεργασίας τους. - Οι CMOS παράγονται σε γραμμές παραγωγης γενικής χρήσης έτσι είναι φθηνότεροι από τους CCD. - Οι CCD παράγονται μαζικά περισσότερα χρόνια και αυτό τους καθιστά πιό εξελιγμένους και ώριμους. Με βάση τις παραπάνω διαφορές εξάγεται το συμπέρασμα ότι οι CCD χρησιμοποιούνται σε πιο απαιτητικές εφαρμογές με υψηλής ανάλυσης, πολλών pixel και άριστης φωτοευαισθησίας cameras. Οι CMOS κατασκευαστικά έχουν χαμηλότερες αναλύσεις, χαμηλότερη ποιότητα και ευαισθησία (βρισκόμενοι όμως σε ραγδαία εξέλιξη και με χαμηλότερη κατανάλωση μπαταρίας προβλέπεται τα επόμενα χρόνια εξίσωση των δύο τεχνολογιών). 4.1. Χαρακτηριστικά απόδοσης CCD-CMOS sensors [III] - Responsivity (Σχέση ηλεκτρικής εξόδου-εισόδου camera). Το πόσο αποδίδει ο αισθητήρας στην έξοδό του ανά μονάδα οπτικής ενέργειας εισόδου. Γενικά οι CMOS είναι ανώτεροι των CCD λόγω της ευκολίας τοποθέτησης στοιχείων κέρδους ισχύος. Τα transistor στους CMOS επιτρέπουν υψηλά κέρδη ισχύος με χαμηλή κατανάλωση ενώ στους CMOS το κόστος κατανάλωσης είναι σχετικά μεγάλο. - 22 -

-Δυναμικό εύρος: Ο λόγος saturation / signal threshold για κάθε pixel. Τα CCD εδώ έχουν ενα πλεονέκτημα λόγω του ελάχιστου θορύβου στις εικόνες χρησιμοποιώντας τα transistor σε γεωμετρικές διατάξεις και εξωτερικά συστήματα ψύξης οι CCD θεωρούνται πολύ πιο αθόρυβοι αισθητήρες από τους CMOS. -Ομοιομορφία: Σε ένα ιδανικό σύστημα η απόκριση του κάθε pixel σε καταστάσης όμοιας φωτεινότητας θα ήταν παρόμοια αλλά στην πράξη δεν έχουν όλα τα pixel ίδια συμπεριφορά. Είναι σημαντικό να γίνει η διάκριση μεταξύ της λειτουργείας σε φως και σε πλήρες ή σχεδόν πλήρες σκότος. Οι CMOS είναι ανέκαθεν κατώτεροι και στις δύο καταστάσεις. Λόγω της ενίσχυσης σε κάθε pixel χωριστά, εμφανίζονται διαφορετικά φαινόμενα σε κάθε pixel καθιστώντας τους CCD ανώτερους λόγω αρχιτεκτονικής. -Shuttering: Η ταχύτητα εναλλαγής μεταξύ εκκίνησης και διακοπής της έκθεσης στο φως. Είναι πολύ σημαντικός παράγοντας σε όλες τις εφαρμογές των αισθητήρων. Οι CCD είναι και σε αυτόν τον τομέα ανώτεροι. Η ενσωμάτωση ηλεκτρονικού shuttering στους CMOS απαιτεί transistors σε κάθε pixel το οποίο κοστίζει σε fill-factor (η μέγιστη απόδοση κάθε pixel) διότι η τοποθέτηση τους καταλαμβάνει τον χώρο που προοριζόταν για έκθεση στο φως. -Ταχύτητα: Μια παράμετρος στην οποία οι CMOS είναι εν δυνάμει καλύτεροι των CCD λόγω της τοποθέτησης όλων των λειτουργιών πάνω στον αισθητήρα. Αυτο συνεπάγεται μικρότερες διαδρομές του σήματος με λιγότερες καθυστερήσεις εξ αιτίας φαινομένων χωρητικότητας και εμπέδησης. Οι CMOS προσφέρουν πιο μεγάλες ταχύτητες, πράγμα που σε επιστημονικές εφαρμογές των CCD είναι αρκετές φορές χαμηλής σημασίας. -Windowing: Μια μοναδική ικανότητα των CMOS αφού μπορούν να λάβουν δεδομένα απο ένα κομμάτι της εικόνας επιτρέποντας επιλογή πιό συγκεκριμένης περιοχής ενδιαφέροντος (ROE- Region Of Interest).Οι CCD έχουν γενικώς περιορισμένες δυνατότητες στο Windowing. -Antiblooming : Η ικανότητα απορρόφησης μερικής υπερέκθεσης συγκεκριμένων pixel απο την συνολική εικόνα. Η συνολική εικόνα μένει σχετικά αναλλοίωτη ακόμα και αν μερικά Pixel έχουν τιμές που ξεπερνούν τα αποδεκτά όρια για σωστή απεικόνιση. Οι CMOS λόγω ανεξαρτησίας των pixel μεταξύ τους έχουν φυσικά καλύτερη ποιότητα antiblooming ενώ οι CCD πρέπει να προσεγγίζουν το θέμα με δίαφορες τεχνικές για την επίλυση της υπερέκθεσης μερικών σημείων. -Biasing-clocking: Οι CMOS λειτουργούν με κοινό επίπεδο τάσεων σε όλο το κύκλωμα ενώ οι CCD απαιτούν υψηλότερες τάσεις στους διαδρόμους τους και διαφορετικές στα clock τους. Παρ όλα αυτά στους καινούργιους CCD επικρατεί απλοποίηση απαιτήσεων όσον αφορά στη κατανάλωση. -Αξιοπιστία: Χωρίς αμφιβολία και οι δύο τεχνολογίες προσφέρουν με άριστα κριτήρια καλές αποδόσεις και επιστημονικά αποδεκτά αποτελέσματα. Οι CMOS έχουν το πλεονέκτημα της ολοκλήρωσής τους σαν chip. Όλα τα στοιχεία τους μπορούν να ενσωματωθούν σε μορφή ενιαίου ολοκληρωμένου κερδίζοντας έτσι πολύ στον τομέα της εξοικονόμησης χώρου και στην αποφυγή πολλών καλωδίων και κολλήσεων τα οποία είναι βασικοί παράγοντες κακής λειτουργείας σε ακραίες συνθήκες. Οι CMOS σχεδιάζονται για μια συγκεκριμένη εφαρμογή ή για ένα μικρό εύρος εφαρμογών. Οι CCD σχεδιάζονται με συγκεκριμένες προδιαγραφές, μπορούν όμως να προσαρμοστούν σε διαφορετικές ανάγκες με προσθήκη των απαραίτητων περιφερειακών. [IV] - 23 -

4.2. Βιντεο, CCD vs CMOS εδω - 24 -

5. Παρουσίαση CCD κάμερας τύπου Flea 2 Για την πειραματική διάταξη θα χρησιμοποιήσουμε κάμερες τύπου Flea 2 (δύο μοντέλα:fl2-08s2c-c-έγχρωμη και FL2-08S2M-C-ασπρόμαυρη) οι οποίες έχουν αισθητήρα Sony ICX204 CCD, 1/3", 4.65 µm στα 0.8Μpixel. Η κάμερες συνδέονται με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω FireWire 800 Mbit/s διεπαφής. [X] Ο αισθητήρας και ο φακός της κάμερας βρίσκεται σε μία Ultra-compact μεταλλική θήκη με διαστάσεις (Μ x Π x Υ) 29mm x 29mm x 30mm και έχει βάρος 58 γραμμάρια. Η τροφοδοσία γίνεται μέσω μίας Vext GPIO pin ή μέσω 9-pin 1394b, ενώ η κατανάλωση κυμαίνεται από 8 εως 30V και όχι παραπάνω απο 2W. Η μοντούρα του φακού(lens Mount) είναι τύπου C-mount. Επίσης η θερμοκρασία λειτουργίας είναι 0-45 o C, ενώ η θερμοκρασία αποθήκευσεις δεδομένων -30-60 ο C. H εταιρία Pointgrey παρέχη δύο χρόνια εγγύηση. Σχέδιο-διαστάσεις κάμερας σε mm Ο μετατροπέας που κάνει στο σήμα απο αναλογικό σε ψηφιακό είναι ένας 12-bitος ADC(Analog-to-Digital Converter). Η ψηφιακή μετάδοση γίνεται μέσω μιας κάρτας IEEE 1394b αν και ο ρυθμός μετάδοσης (Transfer Rates) μπορεί να είναι 100, 200, 400, 800 Mbit/s.H έξοδος των δεδομένων (data) μπορεί να είναι 8, 12, 16 ή 24-bit ψηφιακό σήμα. Οι μορφές των δεδομένων τις εικόνας μπορεί να είναι Y8, Y16, Mono8, Mono12, Mono16 για το ασπρόμαυρο και RGB, YUV411, YUV422, Raw8, Raw12, Raw16 για το έγχρωμο. - 25 -

Σχέδιο-διαστάσεις φακού και βάσης σε mm Για την πραγματοποίηση φασματικής απεικόνισης με CCD κάμερα χρειάζεται wheel στο οποίο τοποθετούνται πέντε φασματικοί φακοί με μήκος κύματος απο εώς 900 nm. To wheel περιστρέφεται μέσω stepper motor το οποίο καθοδηγείται απο μικροελεγκτή τύπου Arduino Uno. Το Arduino(σχήμα) είναι ένας μικροελεγκτής βασισμένος στο ολοκληρωμένο Atmega328 της ATMEL. Προγραμματίζεται σε περιβάλλον Processing, μια γλώσσα με στοιχεία C++ και Java. Υπάρχει η δυνατότητα φορτώνοντας ένα πρόγραμμα στο Αrduino να περιμένει commands από το Matlab, λειτουργεί δηλαδή σαν serial device κάνοντας listen στο USB port του υπολογιστή με αποτέλεσμα τον προγραμματισμό του Arduino μέσα απ το GUI του Matlab. - 26 -

Το Arduino Λίγα λόγια για τα stepper motors(σχήμα). Αποτελούνται απο 4 πηνία τα οποία όταν τα διαπερνά ρεύμα παράγουν μαγνητικά πεδία ανάλογα του ρεύματος και της φοράς του. Στο σχήμα φαίνεται με το βέλος ο άξονας του μοτέρ και οι δυνάμεις που ασκούνται από τα πηνία. Εφαρμόζουμε 5 volt στα Pins 1a, 1b, 2a, 2b με συχνότητα εναλλαγής που ορίζουμε απ το Matlab και στέλνουμε απ τους ακροδέκτες του Arduino. Επιλέξαμε stepper motor λόγω της μεγάλης ανάλυσης κίνησης. Το stepper μπορεί να περιστραφεί με ευκρίνεια μοίρας, το οποίο είναι απαραίτητο για το πείραμα που απαιτεί ακρίβεια κίνησης ώστε το wheel να κουμπώνει ακριβώς μπροστά στην CCD. Stepper motor Στο πείραμά μας θα ανιχνεύσουμε ένα κείμενο γραμμένο με χρώμα συγκεκριμένου μήκους κύματος και επικαλυμμένο με άλλα χρώματα κάνοντάς το μή-διακριτό στο ανθρώπινο μάτι. - 27 -

6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: [I] Μεταπτυχιακή Eργασία «ΑΝΑΔΡΑΣΗ ΘΕΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΟΠΤΙΚΗ ΟΔΗΓΗΣΗ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΟΥ ΡΟΜΠΟΤ», Ιωάννη Γ. Κοντολάτη, ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ M.K. & A.E. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου, Αθήνα 2008 [II] Juan L. Nieves, Eva M. Valero, Javier Hernández-Andrés and JavierRomero,Applied Optics, Vol. 46, Issue 19, pp. 4144-4154 (2007) [III] DAVE LITWILLER DALSA PHOTONICS SPECTRA 2001 CCD VS CMOS [IV] DAVE LITWILLER DALSA PHOTONICS SPECTRA 2001 CCD VS CMOS, rev b 2005 ιστοσελίδες [V] http://www.andor.com/ [VI] http://www.high-techdigital.com/ [VII]http://www.hamamatsu.com/ [VIII] http://www.wikipedia.com/ [IX]http://electronics.howstuffworks.com/cameras-photography/digital/question362.htm [X]http://ww2.ptgrey.com/ - 28 -