Self-powered камера

Этот рисунок показывает структуру трех-транзисторого пикселя, который обыно используется в традиционных сенсорах изображений. В этом случае фотодиод (PD) работает в режиме обратного смещения p-n-перехода (фотодиодная схема включения). При освещении фотодиода, через него протекает ток, а падение напряжения на фотодиоде уменьшается пропорционально силе света и времени экспозиции. Благодаря обратному смещению фотодиода, напряжение на нем изменяется, реагируя даже на малое освещение, даже в темноте (темновой ток).

Эта картинка показывает схему пикселя который был использован в сенсоре изображения с накоплением энергии (power-harvesting sensor). Здесь фотодиод работает в фотогенераторном режиме с нулевым смещением p-n-перехода. Напряжение на аноде возрастает пропорционально освещению фотодиода. В этом случае фотодиод только производит энергию при освещении и, т.к. он не смещен, у него отсутствует темновой ток. Важно, что сток транзистора Q1 может переключаться между землей для сброса пикселя между кадрами и шиной питания для накоплния энергии для питания устройства.

Этот рисунок показывает архитектуру сенсора изображения с самостоятельным питанием. Каждый пиксель имеет структуру, рассмотренную на предыдущем рисунке. В дополнении к двумерному массиву пикселей, сенсор имеет блок питания для захвата энергии с изображения, микроконтроллер, АЦП для каждой строки фотодиодов, транзисторы для сброса пикселей между кадрами и запасания энергии со всех пикселей матрицы.

Это матрица 30x40 фотодиодов. Фотодиоды повернуты под углом 45° для обеспечения боле плотной компоновки пикселей в матрице. На передней поверхности платы располагаются транзисторы для опроса строк и микроконтролер. На задней стороне платы располагается массив транзисторных сборок, по 2 транзистора в каждой, которые используются в соответствующих пикселях. Там же, на задней стороне, расположены ключи межкадрового сброса пикселей и захвата энергии. На плате нет батареи, вместо нее используется суперконденсатор который заряжается для включения камеры, но потом подзаряжается используя только энергию выделенную из изображения.

Готовая камера включает в себя сенсор изображения и линзу с коэффициентом F = 3.5. В камере нет батареи или аккумулятора, вместо них имеется суперконденсатор, который нужно зарядить для запуска камеры, но который потом подзаряжается используя только энергию выделенную из освещения пикселей. Для сцены которая имеет яркость около 300 lux камера может снимать примерно 1 кадр в секунду.

Эксперимент проводился в следующих условиях. Яркость сцены регулировалась путем изменения интенсивности источника освещения используя диммер. Яркость сцены измерялась люксметром котрый размещался рядом с линзой камеры и ориентированным в направлении измеряемой сцены. Камера запускалась подключением суперконденсатора к внешнему источнику питания 2.74 В, затем внешний источник отключался. Каждую секунду производилась запись изображения и измерялось напряжение на суперконденсаторе.

Этот график показывает яркость сцены (оранжевый график) и напряжение на суперконденсаторе (синий график) на протяжении 80 минут. Как показывает оранжевый график, яркость сцены была плавно изменена со 150 lux до 1150 lux за период 20 минут, затем яркость сцены была резко уменьшена до 0 и оставалась такой на протяжении еще 20 минут, затем резко увеличена до 1000 lux на следующие 12 минут, потом резко уменьшена до 200lux на 28 минут. Синий график показывает напряжение на суперконденсаторе за время эксперимента. Благодаря захвату энергии от изображения, напряжение на суперконденсаторе меняется вместе с яркостью сцены и, при постоянной яркости в 200 lux стабилизируется на уровне, примерно 3 В, что достаточно превышает 2,5 В минимально достаточных для функционирования камеры.