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A High Dynamic Range CMOS Image Sensor with Adaptive Integration Time Control

Breidenassel, Andreas

German Title: Ein hochdynamischer CMOS Bildsensor mit adaptiver Integrationszeitregelung

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Abstract

The scope of this thesis encompasses the development and testing of a CMOS based image sensor. The imaging process consists of the integration of the photocurrent generated by incident light in each pixel. The implementation of a concept for adaptive regulation of the local integration time allows imaging of high dynamic range scenes without loss of information due to over- or underexposure. Depending on the size of the integrated memory, the proposed concept allows the specification of a freely movable image region within which the integration time is regulated. At a chosen maximum integration time of 33ms the dynamic range of the sensor amounts to 134dB and covers a range of intensities from 1mW/m^2 to 5kW/m^2. The prototype consists of 170x170 pixels with a high dynamic region of 85x85 pixels. The additionally implemented ability to average neighboring pixels allows an expansion of the high dynamic range region over the entire extent of the sensor. An on-chip double sampling circuitry reduces the fixed pattern noise caused by unavoidable device-to-device mismatch.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein auf CMOS-Technologie basierender Bildsensor entwickelt und getestet. Die Bildaufnahme vollzieht sich durch Integration des durch einfallendes Licht generierten Photostromes im jeweiligen Pixel. Die Implementierung eines Konzeptes zur lokal-adaptiven Regelung der Integrationszeit ermöglicht die Aufnahme optisch hochdynamischer Szenerien ohne Informationsverlust aufgrund von Über- oder Unterbelichtung. Das Konzept gestattet es, abhängig von der Größe des implementierten Speichers, eine frei verschiebbare Bildregion zu bestimmen, innerhalb der die Integrationszeitregelung stattfinden soll. Bei einer gewählten maximalen Integrationszeit von 33ms beträgt der dynamische Bereich des Sensors 134dB und umfasst einen Intensitätsbereich von 1mW/m^2 bis 5kW/m^2. Der realisierte Prototyp besitzt eine Auflösung von 170x170 Pixeln mit einer hochdynamischen Region von 85x85 Pixeln. Die eingebaute Möglichkeit der Mittelung benachbarter Pixel erlaubt eine Ausdehnung der hochdynamischen Region über das gesamte Pixelarray. Eine zusätzlich implementierte Schaltung zur Doppelabstastung ermöglicht die Reduktion der durch Prozessschwankungen verursachten Pixel-zu-Pixel Variationen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Meier, Prof. Dr. Karlheinz
Date of thesis defense: 18. May 2005
Date Deposited: 31. May 2005 15:30
Date: 2005
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: CMOS, Bildsensor, Dynamik, Adaptivregelung, Chip
Uncontrolled Keywords: hochdynamischCMOS , APS , high dynamic range , vision , image sensor
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