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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Ein lokal autokompensierender Bildsensor
Authors: Friedrich, Nils 
Institute: Fachbereich 12, Elektrotechnik und Informatik 
Free keywords: lokal autokompensierender Bildsensor, LACS, CMOS-Bildsensor
Dewey Decimal Classification: 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
GHBS-Clases: YFBK
Issue Date: 2006
Publish Date: 2006
Abstract: 
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung und Implementierung des lokal
autokompensierenden Bildsensors LACS ( L ocally A uto C ompensating I mage S ensor).

Eine der größten Herausforderungen beim Entwurf von CMOS-Bildsensoren ist prinzipiell
die Kombination einer hohen Empfindlichkeit mit einem weiten Dynamikbereich.
Beide Attribute sind Voraussetzungen für die Detektion schwacher Lichtsignale in der
Umgebung starker optischer Störsignale, die daher zu widersprüchlichen Anforderungen
an einen Bildsensor führen. Detaillierte Untersuchungen verschiedener hochdynamischer
Sensorsysteme zeigen, daß zusätzliche Rauschbeiträge die erzielte Dynamikerweiterung
stark einschränken.

Der intelligente Bildsensor LACS blendet auftretende Störbeleuchtung aus, indem der
entsprechende Anteil des Photostroms pixelweise automatisch kompensiert wird. Auf
diese Weise steht eine hohe Empfindlichkeit zur Verfügung, ohne daß der Dynamikumfang
reduziert wird. Die Eigenschaften der Pixel- sowie Peripherieelektronik des LACS
werden mit Hilfe von numerischen Simulationen und analytischen Modellen beschrieben.
Die Untersuchung von zeitlichem und örtlichem Rauschen sowie die Analyse von
Nichtidealitäten des LACS-Pixels stehen dabei im Vordergrund. Während sich das Photonenrauschen
als dominante Quelle zeitlichen Rauschens herausstellt, bestimmen die
räumlichen Schwankungen des Kompensationsstroms die physikalischen Grenzen des
Sensors.

Die mit der ersten lokal autokompensierenden Kamera aufgenommenen Bilder bestätigen
die Funktionalität des autokompensierenden Konzepts sowie die Ergebnisse der
theoretischen Betrachtungen. Die Kamera generiert die erforderlichen Steuersignale und
transferiert die aufgenommenen Bildsignale an einen Rechner. Der LACS-Prototyp wurde
in einem 0,35 µm-CMOS-Prozeß realisiert und besteht aus 32 × 32 Pixeln. Die Pixelelektronik
umfaßt neun Transistoren und zwei Kapazitäten. Die Pixelfläche beträgt
insgesamt (38 µm) 2 . Die Peripherieelektronik des LACS verfügt über eine Schaltung zur
korrelierten Doppelabtastung ( C orrelated D ouble S ampling, CDS), die eine Reduzierung
von Fixed Pattern Noise (FPN) ermöglicht.

This Ph.D. thesis describes the development and implementation of the image sensor
LACS ( L ocally A uto C ompensating I mage S ensor).

One of the most challenging problems in designing CMOS image sensors is the combination
of high sensitivity and wide dynamic range. Both are required for the detection
of weak optical signals that are surrounded by bright ambient light, which principally
leads to contradictory demands on the image sensor design. Various dynamic range enhancing
concepts are analysed. It can be shown, that the apparently achieved dynamic
range enhancement is largely limited by additional noise contributions.

The intelligent image sensor LACS suppresses ambient light by automatically compensating
the corresponding part of the photo current. Thus, a high sensitivity is provided
for the detection of weak signals without limiting the dynamic range of the captured
scene.

The characteristics of the LACS-pixel and the sensor’s periphery are described using
numerical simulations and analytical models. Emphasis is placed on the analysis of noise
and fixed pattern noise (FPN) as well as the deviation of the compensating current from
ideal behaviour. While photon shot noise turns out to be the dominant noise source, the
sensor’s performance is mainly determined by the FPN of the compensation current.

Sample images taken by the first autocompensating camera validate the functionality
of the locally autocompensating concept as well as the results from calculations and
simulations. The camera provides the control signals and transfers the achieved data
to a computer. The LACS-prototype was realized using a 0.35 µm-CMOS process and
consists of 32 × 32 pixels. Each pixel measures (38 µm) 2 and includes nine transistors
and two capacitances. Random access is provided as well as correlated double sampling
(CDS) to reduce fixed pattern noise.
URN: urn:nbn:de:hbz:467-2172
urn:nbn:de:hbz:467-2172
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/217
License: https://dspace.ub.uni-siegen.de/static/license.txt
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