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Integrierte CMOS-Bildsensorik für Hochgeschwindigkeitskinematographie - Integrated CMOS Image Sensors for High Speed Imaging

by Stevanovic, Nenad

Abstract (Summary)
The most recent trend in the development of integrated image sensors has been characterized by the use of the standard CMOS processes. Numerous advantages of a standard CMOS process such as high integration density and its huge possibilities for flexible circuit design are used to find solutions for the modern high speed imaging and therefore replace the expensive and complex CCD based solution. The proposed pixels with global electronic shutter enable synchronous exposure of the whole array, simple adjustment of the integration times, decoupling of integration and readout as well as the excellent blooming and smearing suppression. Two realized high speed CMOS image sensors with active pixel implementing global electronic shutter represent different approaches to the realization of internal architecture, data readout, noise reduction and image enhancement. Both solutions i.e. an image sensor with 128x128 pixel and current readout as well as an image sensor with 256x256 pixel and voltage readout implement integration times in low microsecond range and frame rates of more than 1000 fps. On the other hand image enhancement including temporal and spatial (FPN) noise suppression is realized for the first imager using an external algorithm and for the second one using an on chip method namely correlated double sampling (CDS). Beside the aimed application of recording the fast moving scenes, the realized CMOS image sensors are suitable for machine vision, optical 3D measurement with active illumination and surveillance applications. Ein allgemeiner Trend in der Entwicklung von integrierten Bildsensoren ist in den letzten Jahren durch den Einsatz der Standard-CMOS-Technologie geprägt worden. Die zahlreichen Vorteile der hohen Integrierbarkeit und Flexibilität der Standard-CMOS-Technologie werden ausgenutzt, um Lösungen für neue moderne Hochgeschwindigkeitskinematographie als Alternative zu den existierenden CCD-Sensoren anzubieten. Die für neue CMOS-Bildsensoren vorgeschlagenen aktiven Pixel mit elektronischem Shutter ermöglichen eine synchrone Beleuchtung der gesamten photoempfindlichen Matrix, eine einfache Regelung der Integrationszeit und die Entkopplung von Integration und Datenauslese, sowie eine gute Blooming- und Smearingunterdrückung. Zwei realisierte und gefertigte schnelle CMOS-Bildsensoren mit aktiven Pixeln mit elektronischem Shutter stellen unterschiedliche Konzepte bezüglich der internen Architektur, der Signalauslese, der Rauschunterdrückung und der Bildverbesserung dar. Während die Integrationszeiten im unteren Mikrosekundenbereich und Bildwiederholraten von mehr als 1000 Bildern/s sowohl vom CMOS-Bildsensor mit Stromauslese und einer Auflösung von 128x128 Pixeln als auch vom anderen CMOS-Bildsensor mit Spannungsauslese und einer Auflösung von 256x256 Pixeln erreicht werden, wird eine Verbesserung der Bildqualität, d.h. eine Unterdrückung von zeitlichem Rauschen und FPN bei der ersten Lösung extern und bei der zweiten Lösung direkt On-Chip mittels des Verfahrens der korrelierten Doppelabtastung (CDS) implementiert. Über die Anwendung der Aufzeichnung schnell ablaufender Ereignisse hinaus eignen sich die entwickelten CMOS-Bildsensoren auch für den Einsatz im Maschinellen Sehen, oder in Kombination mit aktiver Beleuchtung in schneller optischer 3D-Meßtechnik und Überwachungstechnik.
Bibliographical Information:

Advisor:Prof. Bedrich Hosticka

School:Universität Duisburg-Essen, Standort Essen

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:elektrotechnik gerhard mercator universitaet

ISBN:

Date of Publication:06/18/2001

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