Retinomorphic sensor
रेटिनोमोर्फिक संवेदक एक प्रकार का घटना-संचालित ऑप्टिकल संवेदक है जो प्रकाश की तीव्रता के बजाय प्रकाश की तीव्रता में परिवर्तन के जवाब में एक संकेत का उत्पादन करता है। यह पारंपरिक ऑप्टिकल सेंसर जैसे चार्ज कपल्ड डिवाइस (सी. सी. डी.) या पूरक धातु ऑक्साइड अर्धचालक (सी. एम. ओ. एस.) आधारित सेंसर के विपरीत है, जो एक संकेत का उत्पादन करते हैं जो प्रकाश की बढ़ती तीव्रता के साथ बढ़ता है। क्योंकि वे केवल गति के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, रेटिनोमोर्फिक सेंसर से पारंपरिक छवि सेंसर की तुलना में चलती वस्तुओं पर तेजी से नज़र रखने में सक्षम होने की उम्मीद है, और स्वायत्त वाहनों, रोबोटिक्स और न्यूरोमोर्फिक इंजीनियरिंग में संभावित अनुप्रयोग हैं। नाम और इतिहास पहला तथाकथित कृत्रिम रेटिना 1980 के दशक के अंत में कार्वर मीड और उनके डॉक्टरेट छात्रों मिशा महोवाल्ड और टोबियास डेलब्रुक द्वारा रिपोर्ट किया गया था। ये सिलिकॉन-आधारित संवेदक छोटे परिपथों पर आधारित थे जिनमें विभेदक प्रवर्धक, संधारित्र और प्रतिरोधक शामिल थे। संवेदकों ने रोशनी की तीव्रता में एक चरण-परिवर्तन के जवाब में आउटपुट वोल्टेज में एक स्पाइक और बाद में क्षय का उत्पादन किया। यह प्रतिक्रिया पशु रेटिना कोशिकाओं के समान है, जो 1920 के दशक में प्रकाश की तीव्रता में परिवर्तन होने पर स्थिर होने की तुलना में अधिक बार आग लगाने के लिए देखी गई थी। इसलिए इन संवेदक का वर्णन करने के लिए सिलिकॉन रेटिना नाम का उपयोग किया गया है। रेटिनोमोर्फिक शब्द का उपयोग पहली बार 1990 में लेक्स अकर्स द्वारा एक सम्मेलन पत्र में किया गया था। इस शब्द का व्यापक उपयोग स्टैनफोर्ड प्रोफेसर ऑफ इंजीनियरिंग क्वाबेना बोहेन द्वारा किया गया और तब से इसे घटना-संचालित संवेदन रणनीतियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू किया गया है। यह शब्द न्यूरोमोर्फिक के अनुरूप है, जो मस्तिष्क द्वारा जानकारी को संसाधित करने के तरीके को दोहराने के लिए डिज़ाइन किए गए हार्डवेयर तत्वों (जैसे प्रोसेसर) पर लागू होता है। संचालन सिद्धांत कई रेटिनोमोर्फिक संवेदक डिजाइन हैं जो एक समान प्रतिक्रिया देते हैं। पहले डिजाइनों में एक विभेदक प्रवर्धक का उपयोग किया गया था जो एक पारंपरिक संवेदक से इनपुट संकेत की तुलना करता था (जैसे। एक फोटोट्रांसिस्टर) आउटपुट के एक फ़िल्टर किए गए संस्करण में, जिसके परिणामस्वरूप इनपुट स्थिर होने पर धीरे-धीरे क्षय होता है। 1980 के दशक से ये संवेदक बहुत अधिक जटिल और मजबूत परिपथों में विकसित हुए हैं। रेटिनोमोर्फिक संवेदक के एक अधिक सघन डिजाइन में केवल एक प्रकाश संवेदी संधारित्र और श्रृंखला में एक प्रतिरोधक होता है। इन रेटिनोमोर्फिक सेंसरों के आउटपुट वोल्टेज को प्रतिरोधक के पार गिराए गए वोल्टेज के रूप में परिभाषित किया गया है। प्रकाश संवेदी संधारित्र को एक संधारिता के रूप में डिज़ाइन किया गया है जो आपतित प्रकाश की तीव्रता का एक कार्य है। यदि इस आर. सी. परिपथ में एक स्थिर वोल्टेज लगाया जाता है, तो यह एक निष्क्रिय उच्च-पास फिल्टर के रूप में कार्य करेगा और सभी वोल्टेज संधारित्र के पार गिराए जाएंगे (अर्थात। )। पर्याप्त समय के बाद, संधारित्र की प्लेटें प्रत्येक प्लेट पर एक चार्ज के साथ पूरी तरह से चार्ज हो जाएंगी, जहां अंधेरे में संधारित्रता है। चूंकि निरंतर रोशनी के तहत, इसे सरल बनाया जा सकता है। यदि प्रकाश को संधारित्र पर लगाया जाता है तो यह संधारित्र को एक नए मान में बदल देगाः प्लेटें जिस चार्ज को समायोजित कर सकती हैं, वह बदल जाएगा, जिससे प्रत्येक प्लेट पर चार्ज का अधिशेष/कमी रह जाएगी। अतिरिक्त आवेश को प्लेटों को छोड़ने के लिए मजबूर किया जाएगा, जो या तो जमीन या इनपुट वोल्टेज टर्मिनल में बह जाएगा। आवेश प्रवाह की दर प्रतिरोधक के प्रतिरोध और संधारित्र की धारिता द्वारा निर्धारित की जाती है। इस आवेश प्रवाह से अवरोधक के पार एक गैर-शून्य वोल्टेज गिर जाएगा और इसलिए एक गैर-शून्य। चार्ज बंद होने के बाद प्रणाली स्थिर स्थिति में लौट आती है, सभी वोल्टेज को एक बार फिर संधारित्र के पार छोड़ दिया जाता है, और रोशनी के तहत अपनी धारिता को बदलने के लिए एक संधारित्र, प्लेटों के बीच अवाहक का अस्तरक स्थिरांक, या संधारित्र का प्रभावी आयाम, रोशनी पर निर्भर होना चाहिए। प्रभावी आयामों को प्लेटों के बीच एक द्विस्तरीय सामग्री का उपयोग करके बदला जा सकता है, जिसमें एक अवरोधक और एक अर्धचालक होता है। उचित रोशनी की स्थिति में अर्धचालक प्रकाश के संपर्क में आने पर अपनी चालकता बढ़ाएगा, संधारित्र की प्लेटों को एक साथ करीब ले जाने की प्रक्रिया का अनुकरण करेगा, और इसलिए धारिता में वृद्धि होगी। यह संभव होने के लिए, अर्धचालक में अंधेरे में कम विद्युत चालकता होनी चाहिए, और रोशनी के तहत चार्ज उत्पादन को सक्षम करने के लिए एक उपयुक्त बैंड अंतराल होना चाहिए। उपकरण को एक पारदर्शी प्लेट के माध्यम से अर्धचालक तक ऑप्टिकल पहुंच की अनुमति भी देनी चाहिए (जैसे। एक पारदर्शी संचालन ऑक्साइड का उपयोग करना)। अनुप्रयोग पारंपरिक कैमरे एक छवि के हर हिस्से को पकड़ते हैं, भले ही वह कार्य के लिए प्रासंगिक हो। क्योंकि प्रत्येक पिक्सेल को मापा जाता है, पारंपरिक छवि संवेदक केवल अपेक्षाकृत कम फ्रेम दर पर दृश्य क्षेत्र का नमूना लेने में सक्षम होते हैं, आमतौर पर 30-240 फ्रेम प्रति सेकंड। यहां तक कि मोशन पिक्चर के लिए उपयोग किए जाने वाले पेशेवर हाई स्पीड कैमरों में भी, एक पूर्ण रिज़ॉल्यूशन छवि के लिए फ्रेम दर कुछ 10 के हजारों फ्रेम प्रति सेकंड तक सीमित है। यह सीमा उच्च गति से चलने वाली वस्तुओं की पहचान में एक प्रदर्शन बाधा का प्रतिनिधित्व कर सकती है। यह उन अनुप्रयोगों में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जहां गति की तेजी से पहचान महत्वपूर्ण है, जैसे कि स्वायत्त वाहनों में। इसके विपरीत, रेटिनोमोर्फिक संवेदक डिजाइन द्वारा गति की पहचान करते हैं। इसका मतलब है कि उनके पास एक फ्रेम दर नहीं है और इसके बजाय वे घटना-संचालित हैं, केवल आवश्यकता पड़ने पर ही प्रतिक्रिया देते हैं। इस कारण से, रेटिनोमोर्फिक सेंसर से पारंपरिक वास्तविक समय की छवि विश्लेषण रणनीतियों की तुलना में बहुत जल्दी चलती वस्तुओं की पहचान करने में सक्षम होने की उम्मीद है। इसलिए उम्मीद की जाती है कि स्वायत्त वाहनों, रोबोटिक्स और न्यूरोमोर्फिक इंजीनियरिंग में रेटिनोमोर्फिक सेंसरों के अनुप्रयोग होंगे। सिद्धांत रेटिनोमोर्फिक संवेदक संचालन को सरल आर. सी. परिपथों के समान तकनीकों का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है, केवल अंतर यह है कि एक रेटिनोमोर्फिक संवेदक में समय के कार्य के रूप में धारिता स्थिर नहीं होती है। यदि इनपुट वोल्टेज को इस प्रकार परिभाषित किया जाता है, तो प्रतिरोधक के पार वोल्टेज गिरता है, और संधारित्र के पार वोल्टेज गिरता है, तो हम किरचॉफ के वोल्टेज नियम का उपयोग यह बताने के लिए कर सकते हैंः अवरोधक के माध्यम से बहने वाली धारा को परिभाषित करते हुए, हम ओम के नियम का उपयोग करके लिख सकते हैंः धारा की परिभाषा से, हम इसे चार्ज के संदर्भ में लिख सकते हैं, जो नीचे की प्लेट से बहती हैः समय कहाँ है। संधारित्र प्लेटों पर आवेश को संधारित्र के गुणनफल और संधारित्र के पार वोल्टेज द्वारा परिभाषित किया जाता है, इसलिए हम कह सकते हैंः क्योंकि रेटिनोमोर्फिक संवेदक में संधारित्र समय का एक कार्य है, इसलिए इसे एक स्थिरांक के रूप में व्युत्पन्न से बाहर नहीं निकाला जा सकता है। उत्पाद नियम का उपयोग करते हुए, हम रेटिनोमोर्फिक संवेदक प्रतिक्रिया का निम्नलिखित सामान्य समीकरण प्राप्त करते हैंः या, आउटपुट वोल्टेज के संदर्भ मेंः तीव्रता में एक चरण-परिवर्तन के लिए प्रतिक्रिया जबकि उपरोक्त समीकरण किसी भी रूप के लिए मान्य है, इसे विश्लेषणात्मक रूप से हल नहीं किया जा सकता है जब तक कि ऑप्टिकल उत्तेजना का इनपुट रूप ज्ञात न हो। ऑप्टिकल उत्तेजना का सबसे सरल रूप एक समय में शून्य से कुछ सीमित ऑप्टिकल शक्ति घनत्व तक जाने वाला एक चरण कार्य होगा। जबकि रेटिनोमोर्फिक संवेदक के वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों को ऐसी घटनाओं द्वारा सटीक रूप से वर्णित किए जाने की संभावना नहीं है, यह रेटिनोमोर्फिक संवेदक के प्रदर्शन को समझने और बेंचमार्क करने का एक उपयोगी तरीका है। विशेष रूप से, हम मुख्य रूप से प्रकाश को चालू करने के तुरंत बाद की अधिकतम ऊंचाई से संबंधित हैं। इस मामले में धारिता का वर्णन इस प्रकार किया जा सकता हैः रोशनी के तहत धारिता इस पर निर्भर करेगी। अर्धचालकों को एक चालकता के लिए जाना जाता है, जो आपतित प्रकाशिक शक्ति घनत्व पर शक्ति-नियम निर्भरता के साथ बढ़ता हैः, जहां एक आयामहीन घातांक है। चूँकि यह आवेश घनत्व के लिए रैखिक रूप से आनुपातिक है, और किसी दिए गए वोल्टेज के लिए धारिता प्लेटों पर आवेशों के लिए रैखिक रूप से आनुपातिक है, इसलिए एक रेटिनोमोर्फिक संवेदक की धारिता पर भी एक शक्ति-नियम निर्भरता होती है। एक चरण फलन के जवाब में समय के एक फलन के रूप में धारिता को इस प्रकार लिखा जा सकता हैः धारिता पूर्व कारक कहाँ है। एक चरण फलन के लिए हम अपने विभेदक समीकरण को एक अंतर समीकरण के रूप में फिर से लिख सकते हैंः प्रकाश को चालू करने के परिणामस्वरूप संधारित्र में वोल्टेज में परिवर्तन कहाँ होता है, प्रकाश को चालू करने के परिणामस्वरूप धारिता में परिवर्तन होता है, और प्रकाश को चालू करने में लगने वाला समय होता है। चर और प्रकाश को चालू करने के तुरंत बाद क्रमशः संधारित्र और धारिता के पार गिराए गए वोल्टेज के रूप में परिभाषित किए जाते हैं। आई. ई. यह अब से इसके लिए संक्षिप्त नाम है, और अब से इसके लिए संक्षिप्त नाम है। मान लीजिए कि प्रकाश को चालू करने से पहले संवेदक को अंधेरे में पर्याप्त समय तक रखा गया है, इसलिए परिवर्तन को इस प्रकार लिखा जा सकता हैः इसी तरह, परिवर्तन को अंतर समीकरण में डालने के रूप में लिखा जा सकता हैः इसे गुणा करनाः चूंकि हम मान रहे हैं कि प्रकाश बहुत जल्दी चालू हो जाता है तो हम अनुमानित कर सकते हैं। यह निम्नलिखित की ओर ले जाता हैः संबंध का उपयोग करते हुए, इसे आउटपुट वोल्टेज के संदर्भ में लिखा जा सकता हैः जहां हमने शिखर ऊंचाई को परिभाषित किया है, क्योंकि वह शिखर प्रकाश को चालू करने के तुरंत बाद होता है। योग्यता के रेटिनोमोर्फिक आंकड़े को धारिता पूर्व कारक और अंधेरे में रेटिनोमोर्फिक संवेदक के धारिता के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया हैः इस पैरामीटर के साथ, शिखर ऊंचाई और इनपुट वोल्टेज का व्युत्क्रम अनुपात निम्नानुसार लिखा जा सकता हैः का मूल्य अर्धचालक में पुनर्संयोजन की प्रकृति पर निर्भर करता है, लेकिन यदि बैंड-टू-बैंड पुनर्संयोजन हावी होता है और इलेक्ट्रॉनों और छेदों का आवेश घनत्व बराबर होता है। जिन प्रणालियों में यह लगभग सच है, उनके लिए उपरोक्त समीकरण का निम्नलिखित सरलीकरण किया जाना चाहिएः यह समीकरण प्रयोगात्मक डेटा से योग्यता के रेटिनोमोर्फिक आंकड़े का मूल्यांकन करने के लिए एक सरल विधि प्रदान करता है। यह मूल्यों की एक श्रृंखला के लिए प्रकाश की तीव्रता में 0 से एक चरण परिवर्तन के जवाब में एक रेटिनोमोर्फिक संवेदक की चरम ऊंचाई को मापकर किया जा सकता है। के एक कार्य के रूप में प्लॉटिंग से एक ढाल के साथ एक सीधी रेखा प्राप्त होनी चाहिए। यह दृष्टिकोण मानता है कि यह रैखिक रूप से आनुपातिक है। ऑप्टिकल सेंसर इवेंट कैमरा न्यूरोमोर्फिक इंजीनियरिंग चार्ज कपल्ड डिवाइस फोटोडायोड एक्टिव-पिक्सेल सेंसर संदर्भ छवि सेंसर अर्धचालक सेंसर भी देखें।