Michael Schanz : Eindimensionale CMOS Bildsensorik mit integrierter Signalverarbeitung

Inhaltsverzeichnis

Naturkonstanten VI
Formelzeichen VII
Weitere Indizes XIII
1.  Einleitung 1
2.  CMOS-kompatible Photosensoren 4
2.1 Physikalische Grundlagen 6
2.2  Parameter von Photosensoren und Photosensorarrays 10
2.3  pn-Photodiode 19
2.3.1  Randbedingungen des Modells 19
2.3.2  Das Stromquellenmodell 20
2.3.3  Spektrale Empfindlichkeit 29
2.3.4  Rauschen, Signal-Rausch-Abstand und Dynamikbereich 31
2.3.5  Temperaturverhalten 34
2.3.6  Zusammenfassung zum Modell der pn- Photodiode 35
2.4  Bipolarer Phototransistor 36
2.4.1  Unbeleuchteter Fall (Normalbetrieb) 36
2.4.2  Beleuchteter Fall 38
2.4.3  Weitere Eigenschaften 41
2.4.4  Zusammenfassung zum Modell des bipolaren Phototransistors 42
2.5  Photo-Feldeffekttransistor 43
2.5.1  Unbeleuchteter Fall (Normalbetrieb) 44
2.5.2  Beleuchteter Fall 46
2.5.3  Rauschen 53
2.5.4  Dynamisches Verhalten 54
2.5.5  Fixed-Pattern-Noise 56
2.5.6  Temperaturverhalten 59
2.5.7  Zusammenfassung zum Photo- MOSFET 60
3.  Ausleseschaltungen für Photosensoren 60
3.1  Stromauslese 64
3.1.1  Stromverstärker 64
3.1.2  Transimpedanzverstärker 66
3.1.3  Signal-Rausch-Abstand bei idealer Stromauslese 68
3.2  Spannungsauslese 69
3.2.1  Spannungsverstärker 69
3.2.2  Transkonduktanzverstärker 72
3.2.3  Signal-Rausch-Abstand bei idealer Spannungsauslese 75
3.3  Spezielle Ausleseschaltungen für den Photo- MOSFET 76
3.3.1  Stromverstärker mit Dunkelstromkompensation 76
3.3.2  Spannungsauslese mit Lasttransistor 77
3.4  Schaltungen zur Signalausgabe 82
3.4.1  Beispiel für serielle sukzessive Signalausgabe 83
3.4.2  Schnelle Signalausgabe mit getakteter Sourcefolgerlast 84
4.  Eindimensionale Bildsignalaufnahme und Bildsignaldarstellung 86
4.1  Makroskopische Bildsignalaufnahme 87
4.2  Mikroskopische Bildsignalaufnahme 89
4.3  Verbesserung der Bildsignalaufnahme 94
5.  Einsatz eindimensionaler Bildsensorik 95
5.1  Optoelektronische Systeme zur Vermessung geometrischer Größen 96
5.1.1  Triangulation 96
5.1.2  Winkelcodierung 98
5.2  Weitere Anwendungen 100
5.2.1  Inspektion mit eindimensionaler Bildsensorik 100
5.2.2  Spektroskopie 100
5.3  Beispiel: Programmierbares integriertes Bildsensorsystem 102
5.3.1  Chiparchitektur 102
5.3.2  Basisoperationen 104
5.3.3  Möglichkeiten der Bildvorverarbeitung 106
5.3.4  Chipdaten 108
5.3.5  Systemimplementierung 110
5.4  Beispiel: Integriertes Autofokus- Bildsensorsystem 111
5.4.1  Benötigtes Auflösungsvermögen 111
5.4.2  Meßverfahren, Kamera und Meßsystem 113
5.4.3  Bildcodierung 116
5.4.4  Meßfehlerwahrscheinlichkeit und Anzahl der Photosensorelemente 117
5.4.5  Chipdaten des integrierten Bildsensorsystems 119
6.  Optische Systeme zur Analyse eindimensionaler zeitlich veränderlicher Bildsignale 121
6.1  Optischer Fluß und Verschiebungsvektorfeld 122
6.2  Geschwindigkeitsmeßverfahren 124
6.2.1  Gradientenverfahren 124
6.2.2  Korrelationsverfahren 124
6.2.3  Ortsfrequenzfilterverfahren 127
6.3  Darstellung von Ortsfrequenzfiltersignalen 131
6.3.1  Orts- und Zeitbereich 131
6.3.2  Frequenzbereich 133
6.4  Beispiel: Integriertes Bildsensorsystem zur Geschwindigkeitsmessung 135
6.4.1  Bestimmung der Filtercharakteristik 135
6.4.2  Architektur des integrierten Bildsensorsystems 141
6.4.3  Meßergebnisse 147
7.  Zusammenfassung und Ausblick 152
Anhang A  Bestimmung der Photostromanteile der pn-Photodiode 155
A.1  Die Diffusionsphotoströme der vertikalen pn- Photodiode 155
A.2  Die Diffusionsphotoströme der lateralen pn- Photodiode 162
A.3  Die Driftphotoströme der vertikalen pn- Photodiode 163
A.4  Die Driftphotoströme der lateralen pn- Photodiode 168
Literaturverzeichnis 170