Ein 640×512 CMOS-Bildsensor mit ultrawidem dynamischen Bereich und Floating-Point-Pixel-Level-ADC

Die Analyseergebnisse zeigen, dass mehrere Abtastungen ein konsistent höheres Signal-Rausch-Verhältnis bei gleichem oder höherem dynamischen Bereich erreichen können als die Verwendung anderer Verfahren zur Verbesserung des dynamischen Bereichs von Bildsensoren, wie z.B. der Anpassung der Kapazität. Die Implementierung mehrerer Abtastungen erfordert jedoch viel höhere Ablesegeschwindigkeiten als mit typischen CMOS-aktiven Pixelsensoren (APS) erreicht werden können. Diese Arbeit zeigt anhand eines 640/spl times/512 CMOS-Bildsensors mit 8-Bit-seriellem Nyquist-Analog-Digital-Wandler (ADC) pro 4 Pixel, dass der Pixel-Level-ADC eine hochflexible und effiziente Implementierung mehrerer Abtastungen zur Verbesserung des dynamischen Bereichs ermöglicht. Da die Pixelwerte jederzeit dem ADC zur Verfügung stehen, können Anzahl und Zeitpunkt der Abtastungen sowie die Anzahl der Bits, die aus jeder Abtastung erhalten werden, frei gewählt und mit schnellen SRAM-Geschwindigkeiten ausgelesen werden. Durch Abtastung mit exponentiell ansteigenden Belichtungszeiten können Pixelwerte mit binärer Fließkommaauflösung erhalten werden. Der 640/spl times/512-Sensor wird in einer 0,35-/spl mu/m CMOS-Technologie realisiert und erreicht eine Pixelgröße von 10,5/spl times/10,5 /spl mu/m bei 29 % Füllfaktor. Charakterisierungstechniken sowie gemessene Quanteneffizienz, Empfindlichkeit, ADC-Übertragungskennlinie und Fixed-Pattern-Rauschen werden vorgestellt. Eine Szene mit gemessenem dynamischen Bereich von über 10000:1 wird neunmal abgetastet, um ein Bild mit einem dynamischen Bereich von 65536:1 zu erhalten. Es werden Grenzen des erreichbaren dynamischen Bereichs bei Verwendung mehrerer Abtastungen präsentiert.