Hauschild, Ralf

Integrierte CMOS-Kamerasysteme für die zweidimensionale Bildsensorik

Abstract

Today the development of industrial CMOS processes with respect to minimum structure size allows the realisation of CMOS image sensors with a spatial resolution comparable to CCD image sensors. While CCD's still provide images of higher quality, CMOS sensors can take advantage of the possibility of monolithic integration of optical sensor devices with analog and digital signal processing as well as high flexibility with respect to sensor readout. CMOS technology allows the realisation of low-cost single-chip camera electronics with very low power consumption and application specific properties. As a basis for future developments of CMOS imaging systems frequently used concepts for optical sensor devices and sensor readout circuits are analysed with respect to noise, dynamic range, linearity and speed. It is shown, how to optimise sensor circuits with respect to these properties. To demonstrate the advantages of CMOS technology compared with CCD technology, two integrated image sensors are presented. The imagers provide a very high input dynamic range and perform on-chip image processing inspired by the funcionality of the human retina.

Die in bezug auf realisierbare minimale Strukturgrößen schnell fortschreitende Weiterentwicklung industrieller CMOS-Prozesse erlaubt heute die Herstellung von CMOS-Bildsensoren mit an CCD-Bildsensoren heranreichender örtlicher Auflösung. Während CCD-Bildsensoren heute noch bezüglich der erzielbaren Bildqualität überlegen sind, ergeben sich für die CMOS-Technologie klare Vorteile aus der Möglichkeit zur gemeinsamen monolithischen Integration von optischer Sensorik mit analoger und digitaler Signalverarbeitung sowie aus einem hohen Maß an Flexibilität bei der Sensorauslese. Der Einsatz der CMOS-Technologie ermöglicht die Realisierung kostengünstiger und kompakter Ein-Chip-Kamerasysteme mit sehr geringer Leistungsaufnahme und auf die jeweilige Anwendung zugeschnittenen Eigenschaften. Als Basis für zukünftige Sensor- und Schaltungsentwicklungen werden die wichtigsten Schaltungskonzepte für CMOS-Photosensoren und deren Auslese auf ihre Eigenschaften bezüglich Rauschen, Dynamikbereich, Linearität und Geschwindigkeit hin analytisch untersucht. Dabei wird insbesondere geklärt, durch welche schaltungstechnischen Maßnahmen eine Optimierung dieser Eigenschaften möglich ist. Anhand zweier integrierter CMOS-Bildsensoren, die im Rahmen des Promotionsvorhabens entwickelt und gefertigt wurden, werden die Vorteile, die sich gegenüber einer Realisierung in der CCD-Technologie ergeben, verdeutlicht. Die Sensoren weisen einen sehr hohen Eingangsdynamikbereich und eine an der Funktionalität der menschlichen Netzhaut angelehnte Signalverarbeitung auf.