Color image acquisition and image processing have become a key in modern data application. In order to provide high quality images, the field of accurate acquisition is most important in respect to all further processing steps. But a whole variety of current image sensors possess incorrect color rendition due to insufficient accuracy of optical sensor parameters. This is detrimental especially for color sensors, because in these cases specific color information will be incorrectly acquired. Further, traditional color correction methods do not use information on the specific sensor spectral sensitivity, thus losing substantial information for color correction. The problem is investigated by introducing an algorithmic correction method which is capable of correcting dysfunctional sensor properties. The correction method is based on an enhancement of the CIE color perception model. According to this, color perception is modelled as a special integral transformation, where the spectral sensitivities of the photo receptors represent the base functions of the transformation. It is shown that different sets of photo receptors show the same perception, when their spectral sensitivities are linear dependent. On the other hand, photo receptors with no linear dependency show different perception and there is no analytical transformation between them. Thus, a perfect color correction is only possible if photo sensor and human perception show a linear dependency. In case of dissentient sensor characteristics, the correction method of spectral reconstruction can determine an optimal solution using a least square error optimization. Applying sensors with more than three color channels, this correction method can show improved results due to a better approximation. For implementation of the color correction scheme, different sensor designs have been developed. Compared with currently dominating CCD (Charge Coupled Device) technology, a realisation of image sensors based on CMOS technology show a high potential. CMOS technology allow the integration of the sensor together with control and image processing on the same chip, thus enabling the design of sensor systems at low cost. But modern sub-100nm technologies show also substantial disadvantages, such as increased leakage currents. Special circuit designs have been developed to especially reduce the influence of leakage currents. For application of the color correction method, new multi-channel photo sensors using vertically stacked photo diodes have been developed. The work further shows different concepts of multi-channel sensors capable of high quality color rendition. This approach is demonstrated on several new CMOS sensor designs with examples, implemented in a 90nm Infineon technology.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines asynchron arbeitenden, zeitbasierten CMOS–Bildsensors mit erhöhtem Dynamikbereich und Unterdrückung zeitlich redundanter Daten. Aufgrund immer kleinerer Strukturgrößen in modernen Prozessen zur Fertigung von Halbleitern und einer gleichzeitig physikalisch bedingt immer geringeren Skalierbarkeit konventioneller Bildsensoren wird es zunehmend möglich und praktikabel, Signalverarbeitungsansätze auf Pixelebene zu implementieren. Unter Berücksichtigung dieser Entwicklungen befasst sich die folgende Arbeit mit dem Entwurf eines neuartigen CMOS–Bildsensors mit nahezu vollständiger Unterdrückung zeitlich redundanter Daten auf Pixelebene. Jedes photosensitive Element in der Matrix arbeitet dabei vollkommen autonom. Es detektiert selbständig Änderungen in der Bestrahlung und gibt den Absolutwert nur beim Auftreten einer solchen Änderung mittels asynchroner Signalisierung nach außen. Darüber hinaus zeichnet sich der entwickelte Bildaufnehmer durch einen, gegenüber herkömmlichen Bildsensoren, deutlich erhöhten Dynamikbereich und eine niedrige Energieaufnahme aus, wodurch das Prinzip besonders für die Verwendung in Systemen für den mobilen Einsatz oder zur Durchführung von Überwachungsaufgaben geeignet ist. Die Realisierbarkeit des Konzepts wurde durch die erfolgreiche Implementierung eines entsprechenden Bildaufnehmers in einem Standard–CMOS–Prozess nachgewiesen. Durch die Größe des Designs von 304 x 240 Bildelementen, die den Umfang üblicher Prototypen-Realisierungen deutlich übersteigt, konnte speziell die Anwendbarkeit im Bereich größerer Sensorfelder gezeigt werden. Der Schaltkreis wurde erfolgreich getestet, wobei sowohl das Gesamtsystem als auch einzelne Schaltungsteile messtechnisch analysiert worden sind. Die nachgewiesene Bildqualität deckt sich dabei in guter Näherung mit den theoretischen Vorbetrachtungen.

Color image acquisition and image processing have become a key in modern data application. In order to provide high quality images, the field of accurate acquisition is most important in respect to all further processing steps. But a whole variety of current image sensors possess incorrect color rendition due to insufficient accuracy of optical sensor parameters. This is detrimental especially for color sensors, because in these cases specific color information will be incorrectly acquired. Further, traditional color correction methods do not use information on the specific sensor spectral sensitivity, thus losing substantial information for color correction. The problem is investigated by introducing an algorithmic correction method which is capable of correcting dysfunctional sensor properties. The correction method is based on an enhancement of the CIE color perception model. According to this, color perception is modelled as a special integral transformation, where the spectral sensitivities of the photo receptors represent the base functions of the transformation. It is shown that different sets of photo receptors show the same perception, when their spectral sensitivities are linear dependent. On the other hand, photo receptors with no linear dependency show different perception and there is no analytical transformation between them. Thus, a perfect color correction is only possible if photo sensor and human perception show a linear dependency. In case of dissentient sensor characteristics, the correction method of spectral reconstruction can determine an optimal solution using a least square error optimization. Applying sensors with more than three color channels, this correction method can show improved results due to a better approximation. For implementation of the color correction scheme, different sensor designs have been developed. Compared with currently dominating CCD (Charge Coupled Device) technology, a realisation of image sensors based on CMOS technology show a high potential. CMOS technology allow the integration of the sensor together with control and image processing on the same chip, thus enabling the design of sensor systems at low cost. But modern sub-100nm technologies show also substantial disadvantages, such as increased leakage currents. Special circuit designs have been developed to especially reduce the influence of leakage currents. For application of the color correction method, new multi-channel photo sensors using vertically stacked photo diodes have been developed. The work further shows different concepts of multi-channel sensors capable of high quality color rendition. This approach is demonstrated on several new CMOS sensor designs with examples, implemented in a 90nm Infineon technology.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines asynchron arbeitenden, zeitbasierten CMOS–Bildsensors mit erhöhtem Dynamikbereich und Unterdrückung zeitlich redundanter Daten. Aufgrund immer kleinerer Strukturgrößen in modernen Prozessen zur Fertigung von Halbleitern und einer gleichzeitig physikalisch bedingt immer geringeren Skalierbarkeit konventioneller Bildsensoren wird es zunehmend möglich und praktikabel, Signalverarbeitungsansätze auf Pixelebene zu implementieren. Unter Berücksichtigung dieser Entwicklungen befasst sich die folgende Arbeit mit dem Entwurf eines neuartigen CMOS–Bildsensors mit nahezu vollständiger Unterdrückung zeitlich redundanter Daten auf Pixelebene. Jedes photosensitive Element in der Matrix arbeitet dabei vollkommen autonom. Es detektiert selbständig Änderungen in der Bestrahlung und gibt den Absolutwert nur beim Auftreten einer solchen Änderung mittels asynchroner Signalisierung nach außen. Darüber hinaus zeichnet sich der entwickelte Bildaufnehmer durch einen, gegenüber herkömmlichen Bildsensoren, deutlich erhöhten Dynamikbereich und eine niedrige Energieaufnahme aus, wodurch das Prinzip besonders für die Verwendung in Systemen für den mobilen Einsatz oder zur Durchführung von Überwachungsaufgaben geeignet ist. Die Realisierbarkeit des Konzepts wurde durch die erfolgreiche Implementierung eines entsprechenden Bildaufnehmers in einem Standard–CMOS–Prozess nachgewiesen. Durch die Größe des Designs von 304 x 240 Bildelementen, die den Umfang üblicher Prototypen-Realisierungen deutlich übersteigt, konnte speziell die Anwendbarkeit im Bereich größerer Sensorfelder gezeigt werden. Der Schaltkreis wurde erfolgreich getestet, wobei sowohl das Gesamtsystem als auch einzelne Schaltungsteile messtechnisch analysiert worden sind. Die nachgewiesene Bildqualität deckt sich dabei in guter Näherung mit den theoretischen Vorbetrachtungen.