CMOS-Bildsensoren mit Kurzzeitverschluss zur Tiefenerfassung nach dem Lichtlaufzeit-Messprinzip

Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2009 Thema der Arbeit ist die Untersuchung, der Entwurf und die Realisierung von Bildsensoren in Standard-CMOS-Technologie mit schnellen CMOS-Schaltungen, die zur Erfassung von 3D-Bildern geeignet sind. Als Grundlage für die Entwicklung dient ein optisches Puls-Laufzeit-Messverfahren ("Multiple Double Short Time Integration" - MDSI), das robust gegen Hintergrundlichteinflüsse und weitgehend unabhängig von der Refflektivität der erfaßten Oberflächen eine besonders kostengünstige Realisierung auch im Hinblick auf eine spätere Serienfertigung verspricht. Hierzu wird das entwickelte Messprinzip sowohl auf Systemebene wie auch im Hinblick auf prinzipbedingte und technologische Einflüsse diskutiert und analysiert. Eine Randbedingung ist der avisierte Einsatz für vielerlei Anwendungen im menschlichen Umfeld. Hierdurch ist die erlaubte Leistung der Pulslichtquelle sehr eingeschränkt. Weil die Laufzeit (~10ns) von Lichtpulsen auf geringen Distanzen von einigen Metern bei begrenzter Beleuchtungsstärke nach Maßgaben der Augensicherheit vermessen wird sind in den Bildsensoren entsprechend schnelle und gleichzeitig empfindliche Akquisitions-schaltungen notwendig. In dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie basierend auf der o.g. Analyse mit schaltungstechnischen Mitteln den verschiedenen Störeinflüssen begegnet werden kann und eine effiziente Umsetzung des Messverfahrens in integrierte Bildsensoren möglich ist. Die Realisierbarkeit wird anhand von drei im Rahmen dieser Arbeit in einer 0,5µm Standard CMOS-Technik entwickelter Zeilen- bzw. Bildsensoren demonstriert, die abschließend diskutiert und mit den erreichten Leistungsdaten vorgestellt werden.