Les technologies CMOS représentent aujourd’hui plus de 90% du marché des capteurs d’images : elles permettent d’intégrer des systèmes intelligents dans une seule puce (SoC = System-On-Chip) et ouvrent la voie à l’intégration d’algorithmes de plus en plus complexes dans les dernières générations de capteurs. Des techniques telles que la reconstruction grande dynamique nécessitent d’acquérir plusieurs images avec un même capteur et de les recombiner. Ces nouvelles contraintes nécessitent d’augmenter drastiquement le débit d’images pour des capteurs de tailles conséquentes (Jusqu'à 30 Mpixels), ainsi que d’augmenter la résolution du convertisseur analogique numérique (jusqu’à 14 bits). Cela crée une demande forte en techniques de conversion analogique-numérique. Ces techniques doivent obéir en même temps aux contraintes de performance notamment la vitesse, la résolution, le faible bruit, la faible consommation et l'intégrabilité mais aussi aux contraintes de qualité d'image impactées directement par la chaine de conversion analogique-numérique en plus de la technologie du pixel. D'ici découle une double problématique pour le sujet:- Etudier et déterminer les limites atteignables en termes de performance sur les différents axes précités.- Gestion du fonctionnement massivement parallèle lié à la structure inhérente des capteurs d'image en vue d'avoir une qualité d'image irréprochable. / CMOS technologies represent nowadays more than 90% of image sensors market given their features namely the possibility of integrating entire intelligent systems on the same chip (SoC = System-On-Chip). Thereby, allowing the implementation of more and more complex algorithms in the new generations of image sensors.New techniques have emerged like high dynamic range reconstruction which requires the acquisition of several images to build up one, thus multiplying the frame rate.These new constraints require a drastic increase of image rate for sensors ofconsiderable size (Up to 30 Mpix and more). At the same time, the ADCresolution has to be increased to be able to extract more details (until 14 bits).With all these demanding specifications, analog-to-digital conversion capabilities have to be boosted as far as possible.These capabilities can be distinguished into two main research axes representing the pillars of the PhD work, namely:+ The study of the reachable limits in terms of performance: Speed, Resolution,Low Noise, Low power consumption and small design pitch.+ The management of the highly parallel operation linked to the structure of animage sensor. Solutions have to be found so as to avoid image artefacts andpreserve the image quality.

Les capteurs d’images CMOS connaissent une croissance rapide vers des applications à fortes valeurs ajoutées. Certains marchés en devenir, comme les applications d’imagerie médicale,sont axés sur la tenue aux rayonnements ionisants. Des solutions de durcissement par dessin existent actuellement pour limiter les effets de ces dégradations. Cependant, ces dernières peuvent contraindre assez fortement certains paramètres du pixel. Dans ce contexte, cette thèse propose une solution novatrice de durcissement aux effets d’ionisation par les procédés.Elle suggère l’utilisation de pixels intégrant une photodiode pincée à collection de trous pour limiter la dégradation du courant d’obscurité : paramètre le plus sévèrement impacté lors d’irradiations ionisantes. Cette étude est donc premièrement centrée sur la modélisation et l’étude du courant d’obscurité sur des capteurs CMOS standards aussi bien avant qu’après irradiation. Ces dernières assimilées, un démonstrateur d’un capteur intégrant des pixels de1.4 μm à détection de trous est proposé et réalisé. Les résultats en courant d’obscurité, induit par la contribution des interfaces, montrent de belles perspectives avant irradiation. Ce capteur a d’ailleurs été utilisé pour effectuer une comparaison directe sous irradiation entre un capteur à détection de trous et d’électrons à design identique. Ces essais montrent une réduction significative du courant d’obscurité aux fortes doses. Des voies d’amélioration sont proposées pour améliorer l’efficacité quantique du capteur, principal point à optimiser pour des applications aussi bien grand public que médicales. / CMOS image sensors are rapidly gaining momentum in high end applications. Some emerging markets like medical imaging applications are focused on hardening against ionizing radiation. Design solutions currently exist to mitigate the effects of these degradations. However, they may introduce additional limitations on pixel performances. In this context, this thesis proposes an innovative solution of hardening by process against ionization effects. It suggests using hole pinned photodiode pixels to mitigate the dark current degradation: one of the most severely impacted parameter during ionizing radiation. This study is first focused on the modeling and understanding of dark current variation on standard CMOS sensors before and after irradiation. Next, a sensor integrating hole-based 1.4 micron pixels is proposed and demonstrated. Dark current performances induced by interfaces contribution are promising before irradiation. A direct comparison under irradiation between hole and electron based sensors with similar design has been carried out. These experiments show a significant reduction in dark current at high doses. Ways of improvement are proposed to enhance the quantum efficiency of this sensor, the main area for improvement as well consumer as medical applications.

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de lentilles planaires nano-structurées dédiées aux capteurs d’images CMOS dans le proche-infrarouge. L’étude des applications et des systèmes d’imagerie optronique mis en jeu ont mis en évidence l’intérêt de l’utilisation des capteurs d’images CMOS dans la bande 800-1100 nm. Les inconvénients liés au silicium et à la structure du pixel justifient l’intégration de lentilles planaires nano-structurées compatibles avec le procédé de fabrication CMOS : une lentille plasmonique, une lentille diffractive métallique dite de Huygens, une lentille diélectrique dite de phase de Fresnel et une lentille à gradient d’indice effectif. Les simulationsélectromagnétiques 2D d’un pixel CMOS complet avec chaque lentille planaire ont démontré l’intérêt de la lentille métallique dans un pixel à faible facteur de remplissage et de la lentille de phase de Fresnel pour un pixel standard. Les simulations électromagnétiques 3D ont permis la conception de ces deux dernières lentilles pour leur fabrication tandis que la lentille à gradient d’indice effectif, susceptible d’approcher le profil de phase idéal, a montré son potentiel pour les pixels CMOS. La caractérisation électro-optique a mis en évidence la performance expérimentale de la lentille de phase de Fresnel fabriquée en "post-process" au LPN-CNRS et de la lentille de Huygens fabriquée "in-process" en fonderie CMOS. Les nombreuses perspectives de ce travail liés à la fabrication et à la marge de progression des lentilles ont été explorées. / This work deals with the design, fabrication and characterization of nanostructuredplanar lenses dedicated to near infrared detection for CMOS image sensors.Applications and optronic systems involved in near infrared imaging have been investigatedin order to highlight the strong interest of CMOS images sensors for the 800-1100 nmspectral band. Limitations of silicon and pixel structure explain the integration of nanostructuredplanar lenses compatible with CMOS fabrication process : a plasmonic lens, a dielectricphase-Fresnel lens, a metallic Huygens lens and a gradient-index lens. 2D electromagneticsimulations of a CMOS pixel with each planar lens have demonstrated the good performanceof the Huygens lens for low fill factor pixels and the phase-Fresnel lens for standard pixels.3D simulations of these lenses have been performed for their integration and fabrication inCMOS image sensors. The 3D design by numerical simulations of a gradient-index lens hasshown its potential interest for CMOS pixels. The experimental performance of a dielectriclens "post-process" integrated/fabricated at LPN-CNRS and a metallic lens "in-process" by aCMOS foundy have been evaluated by electro-optical characterization. Several perspectivesof this work about lens fabrication and potential for improvement have been explored.

Le domaine de l’imagerie a toujours fait l’objet de curiosité, que ce soitpour enregistrer une scène, ou voir au-delà des limites de l’oeil humain grâce aux détecteursinfrarouges. Ces deux types d’imagerie sont réalisés avec différents matériaux. Dans le domainedu visible, c’est le silicium qui domine, car son absorbance spectrale correspond bien au spectrevisible et que ce matériau a été très étudié dans les dernières décennies. Dans le domainede l’infrarouge, plus particulièrement le MWIR (Middle Wave InfraRed), l’InSb est un boncandidat car il s’agit d’un matériau très stable. Cependant, certaines contraintes telles qu’unebande interdite étroite peuvent être limitantes et cela nécessite une température d’opérationcryogénique. Dans ces travaux, un signal parasite commun à ces deux matériaux est étudié : ils’agit du signal des télégraphistes (RTS : Random telegraph Signal) du courant d’obscurité. Cephénomène provient d’un courant de fuite de l’élément photosensible du pixel (photodiode).En effet, même dans le noir, certains pixels des imageurs vont avoir une réponse temporellequi va varier de façon discrète et aléatoire. Cela peut causer des problèmes de calibration, oude la mauvaise détection d’étoiles par exemple. Dans cette étude, deux axes principaux sontétudiés : la caractérisation du signal pour pouvoir mieux l’appréhender, et la localisation dessources à l’origine du RTS dans la photodiode afin d’essayer de l’atténuer. / Imaging has always been an interesting field, all the more so as it is nowpossible to see further than human eyes in the infrared and ultraviolet spectra. For each fieldof application, materials are more or less adapted : in order to capture visible light, Siliconis a good candidate, because it has been widely studied, and is also used in our everydaylife. Concerning the infrared, more particularly the MWIR spectral band, InSb has provedto be stable and reliable, even if it need to operate at cryogenic temperatures because ofa narrow bandgap.. In this work, a parasitic signal called Random Telegraph Signal (RTS)which appears in both materials (and also others, such as HgCdTe or InGaAs) is analyzed.This signal comes from the pixel photodiiode and corresponds to a discrete dark currentfluctuation with time, like blinking signals. This can cause detector calibration troubles, orfalse star detection for example. This study aims at characterizing RTS and localize the exactorigin in the photodiode in order to be able to predict or mitigate the phenomenon.

L'acquisition de la profondeur d'une scène en plus de son image est une caractéristique souhaitable pour de nombreuses applications qui dépendent de l'environnement proche. L'état de l'art dans le domaine de l'extraction de profondeur propose de nombreuses méthodes, mais très peu sont réellement adaptées aux systèmes embarqués miniaturisés. Certaines parce qu'elles sont trop encombrantes en raison de leur système optique, d'autres parce qu'elles nécessitent une calibration délicate, ou des méthodes de reconstructions difficilement implantables dans un système embarqué. Dans cette thèse nous nous concentrons sur des méthodes a faible complexité matérielle afin de proposer une solution algorithmique et optique pour réaliser un capteur permettant à la fois d'extraire la profondeur de la scène, de fournir une évaluation de pertinence de cette mesure et de proposer des images focalisées en tout point. Dans ce sens, nous montrons que les algorithmes du type Depth from Focus (DfF) sont les plus adaptés à ces contraintes. Ce procédé consiste à acquérir un cube d'images multi-focus d'une même scène pour différentes distances de focalisation. Les images sont analysées afin d'annoter chacune des zones de la scène d'un indice relatif à sa profondeur estimée. Cet indice est utilisé pour reconstruire une image nette en tout point.Nous avons travaillé sur la notion de netteté afin de proposer des solutions peu complexes, uniquement basées sur des additions et comparaisons, et de fait, facilement adaptables pour un portage sur une architecture matérielle. La solution proposée effectue une analyse bidirectionnelle de contraste local puis combine les meilleures estimations de profondeur en fin de traitement. Elle se décline en trois approches avec une restriction de la complexité de plus en plus forte et ainsi une aptitude de plus en plus marquée pour l'embarqué. Pour chaque méthode, des cartes de profondeurs et de confiances sont établies, ainsi qu'une image totalement focalisée constituée d'éléments issus de l'ensemble du cube multi-focus. Ces approches sont comparées en qualité et en complexité à d'autres méthodes de l'état de l'art de complexité similaire. Une architecture est proposée pour une implantation matérielle de la solution la plus prometteuse. La conception de ces algorithmes soulève le problème de la qualité d'image. Il est en effet primordial d'avoir une évolution remarquable du contraste ainsi qu'une invariance de la scène lors de la capture du cube multi-focus. Un effet très souvent négligé dans ce type d'approche est le zoom parasite provoqué par la lentille responsable de la variation de focus. Ce zoom de focalisation fragilise l'aspect invariance de la scène et provoque l'apparition d'artefacts sur les trois informations Profondeur, Image et Confiance. La recherche d'optiques adaptées au DfF constitue donc un second axe de ces travaux. Nous avons évalué des lentilles liquides industrielles et des lentilles modales expérimentales à cristaux liquides nématiques conçues durant cette thèse. Ces technologies ont été comparées en termes de rapidité, de qualité d'image, d'intensité de zoom de focalisation engendré, de tension d'alimentation et enfin de qualité des cartes de profondeur extraites et des images totalement focalisées reconstruites.La lentille et l'algorithme répondant le mieux à cette problématique DfF embarqué ont ensuite été évalués via le portage sur une plateforme de développement CPU-GPU permettant l'acquisition d'images et de cartes de profondeurs et de confiances en temps réel. / Acquiring the depth of a scene in addition to its image is a desirable feature for many applications which depend on the near environment. The state of the art in the field of depth extraction offers many methods, but very few are well adapted to small embedded systems. Some of them are too cumbersome because of their large optical system. Others might require a delicate calibration or processing methods which are difficult to implement in an embedded system. In this PhD thesis, we focus on methods with low hardware complexity in order to propose algorithms and optical solutions that extract the depth of the scene, provide a relevance evaluation of this measurement and produce all-in-focus images. We show that Depth from Focus (DfF) algorithms are the most adapted to embedded electronics constraints. This method consists in acquiring a cube of multi-focus images of the same scene for different focusing distances. The images are analyzed in order to annotate each zone of the scene with an index relative to its estimated depth. This index is then used to build an all in focus image. We worked on the sharpness criterion in order to propose low complexity solutions, only based on additions and comparisons, easily adaptable on a hardware architecture. The proposed solution uses bidirectional local contrast analysis and then combines the most relevant depth estimations based on detection confidence at the end of treatment. It is declined in three approaches which need less and less processing and thus make them more and more adapted for a final embedded solution. For each method, depth and confidence maps are established, as well as an all-in-focus image composed of elements from the entire multi-focus cube. These approaches are compared in quality and complexity with other state-of-the-art methods which present similar complexity. A hardware implementation of the best solution is proposed. The design of these algorithms raises the problem of image quality. It is indeed essential to have a remarkable contrast evolution as well as a motionless scene during the capture of the multi-focus cube. A very often neglected effect in this type of approach is the parasitic zoom caused by the lens motion during a focus variation. This "focal zoom" weakens the invariance aspect of the scene and causes artifacts on the depth and confidence maps and on the all in focus image. The search for optics adapted to DfF is thus a second line of research in this work. We have evaluated industrial liquid lenses and experimental nematic liquid crystal modal lenses designed during this thesis. These technologies were compared in terms of speed, image quality, generated focal zoom intensity, power supply voltage and finally the quality of extracted depth maps and reconstructed all in focus images. The lens and the algorithm which best suited this embedded DfF issue were then evaluated on a CPU-GPU development platform allowing real time acquisition of depth maps, confidence maps and all in focus images.

Ce travail vise à étudier l’apport des technologies d’intégration 3D à l’imagerie CMOS ultra-rapide. La gamme de vitesse d’acquisition considérée ici est du million au milliard d’images par seconde. Cependant au-delà d’une dizaine de milliers d’images par seconde, les architectures classiques de capteur d’images sont limitées par la bande passante des buffers de sortie. Pour atteindre des fréquences supérieures, une architecture d’imageur burst est utilisée où une séquence d’une centaine d’images est acquise et stockée dans le capteur. Les technologies d’intégration 3D ont connu un engouement depuis une dizaine d’années et sont considérées comme une solution complémentaire aux travaux menés sur les dispositifs (transistors, composants passifs) pour améliorer les performances des circuits intégrés. Notre choix s’est porté sur une technologie où les circuits intégrés sont directement empilés avant la mise en boitier (3D-SIC). La densité d’interconnexions entre les différents circuits est suffisante pour permettre l’implémentation d’interconnexions au niveau du pixel. L’intégration 3D offre d’intéressants avantages à l’imagerie intégrée car elle permet de déporter l’électronique de lecture sous le pixel. Elle permet ainsi de maximiser le facteur de remplissage du pixel tout en offrant une large place aux circuits de conditionnement du signal. Dans le cas de l’imagerie burst, cette technologie permet de consacrer une plus grande surface aux mémoires dédiées au stockage de la séquence d’image et ce au plus proche des pixels. Elle permet aussi de réaliser sur la puce la conversion analogique numérique des images acquises. / This work aims to study the inflows of the 3D integration technology to ultra-high speed CMOS imaging. The acquisition speed range considered here is between one million to one billion images per second. However above ten thousand images per second, classical image sensor architectures are limited by the data bandwidth of the output buffers. To reach higher acquisition frequencies, a burst architecture is used where a set of about one hundred images are acquired and stored on-chip. 3D integration technologies become popular more than ten years ago and are considered as a complementary solution to the technological improvements of the devices. We have chosen a technology where integrated circuits are stacked on the top of each other (3D-SIC). The interconnection density between the circuits is high enough to enable interconnections at the pixel level. The 3D integration offers some significant advantages because it allows deporting the readout electronic below the pixel. It thus increases the fill factor of the pixel while offering a wide area to the signal processing circuit. For burst imaging, this technology provides more room to the memory dedicated to the image storage while staying close to the pixel. It also allows implementing analog to digital converter on-chip.

Die gemeinsame Integration von Bildsensor und analoger hochparalleler Verarbeitungseinheit stellt eine Möglichkeit zur Realisierung von leistungsfähigen ein-chip Bildaufnahmesystemen dar. Die vorliegende Arbeit liefert Beiträge zum systematischen Entwurf von derartigen Systemen und analysiert bekannte und neuartige Schaltungstechniken bezüglich ihrer Eignung für deren Implementierung. Anhand des vom Autor mitentwickelten CMOS-Bildsensors mit hochparalleler analoger Bildverarbeitungseinheit werden die vorgestellten Methoden und Schaltungstechniken demonstriert. Die Problematik beim Entwurf hochparalleler analoger Systeme besteht in der im Vergleich zu digitalen Systemen geringen Automatisierbarkeit. Es ist kein top-down-Entwurf möglich, da nicht jede beliebige Funktion mit beliebiger Genauigkeit realisierbar ist. Um die jeweilige Genauigkeit der Funktionsblöcke bei der Analyse des hochparallelen Systems berücksichtigen zu können, sind rechenaufwendige Simulationen nötig. Um diesen Rechenaufwand zu senken, wird vorgeschlagen, für die Simulation des Gesamtsystems einen angepaßten Simulator und für die Analyse der schaltungstechnischen Realisierung der Funktionsblöcke konventionelleWerkzeuge für elektrische Netzwerke zu verwenden. Die beiden Simulationsdomänen werden mit Hilfe von numerischen Verhaltensmodellen verbunden. Durch diese Trennung wird die Simulation des Gesamtsystems als Bestandteil des Entwurfsflusses praktikabel. Für die Bewertung, inwieweit die zufälligen Schwankungen der Bauelementeparameter das Verhalten von Baublöcken beeinflussen, wird die Varianzanalyse als Alternative zur konventionellen Monte-Carlo-Analyse vorgeschlagen. Die Varianzanalyse ist wesentlich weniger rechenaufwendig und liefert genaue Resultate für alle Schaltungseigenschaften mit hinreichend glatten Parameterabhängigkeiten, wenn die Bauelementeparameter als normalverteilt und statistisch unabhängig angenommen werden können. Sie hat darüberhinaus den Vorteil, das Schaltungsverständnis für den Entwerfer zu erhöhen, da sofort die Bauelementeparameter mit dem größten Einfluß auf das Schaltungsverhalten identifiziert werden können. Der Vergleich verschiedener Schaltungstechniken hat gezeigt, daß zeitdiskrete wertkontinuierliche Verfahren, bei denen die Information als Strom repräsentiert wird, für die Realisierung von hochparallelen analogen Systemen besonders geeignet sind. Als besonderer Vorteil ist die weitestgehende Unabhängigkeit des Verhaltens derartiger Schaltungen von Bauelementeparametern hervorzuheben.Weitere Schaltungstechniken, deren Verhalten von zufälligen Parameterabweichungen nur wenig beeinflußt werden, sind in einer Taxonomie zusammengefaßt. Es wurde ein CMOS-Bildsensor mit hochparalleler analoger Bildverarbeitungseinheit und digitaler Ausgabe realisiert. Der current-mode-Bildsensor ist separat von der Verarbeitungseinheit angeordnet. Es wurden vier verschiedene Realisierungsmöglichkeiten untersucht und eine konventionelle integrierende voltage-mode Pixelzelle mit nachfolgendem differentiellen Spannungs- Strom-Wandler realisiert. Das Rechenfeld ist für die räumliche Faltung oder lineare Transformation von Bilddaten mit digital bereitzustellenden Koeffizienten ausgelegt. Dessen Operation basiert auf einer bit-weisen analogen Verarbeitung. Der Schaltkreis wurde erfolgreich getestet. Die nachgewiesene Bildqualität deckt sich in guter Näherung mit den bei der Simulation des Gesamtsystems getroffenen Vorhersagen / The joined implementation of an image sensor and a highly parallel analog processing unit is an advantageous approach for realizing efficient single-chip vision systems. This thesis proposes a design flow for the development of such systems. Moreover known and novel circuit techniques are analysed with respect for their suitability for the implementation of highly parallel systems. The presented methodologies and circuit techniques are demonstrated at the example of a CMOS image sensor with an embedded highly parallel analog image processing unit in whose design the author was involved. One of the major problems in designing highly parallel analog circuits is the low automation compared to the design of digital circuits. As not every function can be realized with arbitrary accuracy top-down-design is not feasible. So, when analysing the system behaviour the respective precision of each function block has to be considered. As this is a very demanding task in terms of computing power, it is proposed to use a dedicated tool for the simulation of the system and conventional network analysis tools for the inspection of the circuit realizations. Both simulation domains are combined by means of numerical behavioural models. By using separate tools system-simulations of highly parallel analog systems as a part of the design flow become practicable. Variance analysis basing on parameter sensitivities is proposed as an alternative to the conventional Monte-Carlo-analysis for investigating the influence of random device parameter variations on the system behaviour. Variance analysis requires much less computational effort while providing accurate results for all circuit properties with sufficiently smooth parameter dependencies if the random parameters can be assumed normally distributed and statistically independent. Additionally, variance analysis increases the designer’s knowledge about the circuit, as the device parameters with the highest influence on the circuit performance can immediately be identified. The comparison of various circuit techniques has shown, that sampled-time continuous-valued current-mode principles are the best choice for realizing highly parallel analog systems. A distinctive advantage of such circuits is their almost independence from device parameters. A selection of further circuit techniques with low sensitivity to random device parameter variations are summarized in a taxonomy. A CMOS image sensor with embedded highly parallel analog image processing unit has been implemented. The image sensor provides a current-mode output and is arranged separate from the processing unit. Four different possibilities for realizing an image sensor have been analysed. A conventional integrating voltage-mode pixel cell with a succeeding differential voltage- to-current-converter has been selected. The processing unit is designed for performing spatial convolution and linear transformation with externally provided digital kernels. It operates in bit-wise analog manner. The chip has been tested successfully. The measured image quality in good approximation corresponds with the estimations made with system simulations.

Malfunctions on loom machines are the main causes of faulty fabric production. An on-loom fabric inspection system is a real-time monitoring device that enables immediate defect detection for human intervention. This dissertation presented a solution for the on-loom fabric defect inspection, including the new hardware design—the configurable contact image sensor (CIS) module—for on-loom fabric scanning and the defect detection algorithms. The main contributions of this work include (1) creating a configurable CIS module adaptable to a loom width, which brings CIS unique features, such as sub-millimeter resolution, compact size, short working distance and low cost, to the fabric defect inspection system, (2) designing a two-level hardware architecture that can be efficiently deployed in a weaving factory with hundreds of looms, (3) developing a two-level inspecting scheme, with which the initial defect screening is performed on the Raspberry Pi and the intensive defect verification is processed on the cloud server, (4) introducing the novel pairwise-potential activation layer to a convolutional neural network that leads to high accuracies of defect segmentation on fabrics with fine and imbalanced structures, (5) achieving a real-time defect detection that allows a possible defect to be examined multiple times, and (6) implementing a new color segmentation technique suitable for processing multi-color fabric defects. The novel CIS-based on-loom scanning system offered real-time and high-resolution fabric images, which was able to deliver the information of single thread on a fabric. The algorithm evaluation on the fabric defect datasets showed a non-miss-detection rate on defect-free fabrics. The average precision of defect existed images reached above 90% at the pixel level. The detected defect pixels' integrity—the recall scored around 70%. Possible defect regions overestimated on ground truth images and the morphologies of fine defects similar to regular fabric pattern were the two major reasons that caused the imperfection in defect pixel locating. The experiments showed the defect areas on multi-color fabrics could be precisely located under the proposed color segmentation algorithm.

This thesis concerns with the introduction to the problematics of images with high dynamic range (HDR) and possibilities of HDR images compression options for display on devices with a low dynamic range (LDR). In the introduction is described historical evolution of recording of reality. It is focusing towards point of view of physics, human visual perception and digital recording. There are described the ways of generating and holding of HDR images. The thesis is corncerned to the techniques of HDR compression, it means the tone-mapping. The different techniques of tone-mapping are explained and specific aproach is targeted to the gradient domain high dynamic range compresion.

The field of infrared (IR) detector technology has shown vast improvements in terms of speed and performance over the years. Specifically the dynamic range (DR) and sensitivity of detectors showed significant improvements. The most commonly used technique of implementing these IR detectors is the use of charge-coupled devices (CCD). Recent developments show that the newly investigated bipolar complementary metal-oxide semiconductor (BiCMOS) devices in the field of detector technology are capable of producing similar quality detectors at a fraction of the cost. Prototyping is usually performed on low-cost silicon wafers. The band gap energy of silicon is 1.17 eV, which is too large for an electron to be released when radiation is received in the IR band. This means that silicon is not a viable material for detection in the IR band. Germanium exhibits a band gap energy of 0.66 eV, which makes it a better material for IR detection. This research is aimed at improving DR and sensitivity in IR detectors. CCD technology has shown that it exhibits good DR and sensitivity in the IR band. CMOS technology exhibits a reduction in prototyping cost which, together with electronic design automation software, makes this an avenue for IR detector prototyping. The focus of this research is firstly on understanding the theory behind the functionality and performance of IR detectors. Secondly, associated with this, is determining whether the performance of IR detectors can be improved by using silicon germanium (SiGe) BiCMOS technology instead of the CCD technology most commonly used. The Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE) was used to realise the IR detector in software. Four detectors were designed and prototyped using the 0.35 µm SiGe BiCMOS technology from ams AG as part of the experimental verification of the formulated hypothesis. Two different pixel structures were used in the four detectors, which is the silicon-only p-i-n diodes commonly found in literature and diode-connected SiGe heterojunction bipolar transistors (HBTs). These two categories can be subdivided into two more categories, which are the single-pixel-single-amplifier detectors and the multiple-pixel-single-amplifier detector. These were needed to assess the noise performance of different topologies. Noise influences both the DR and sensitivity of the detector. The results show a unique shift of the detecting band typically seen for silicon detectors to the IR band, accomplished by using the doping feature of HBTs using germanium. The shift in detecting band is from a peak of 250 nm to 665 nm. The detector still accumulates radiation in the visible band, but a significant portion of the near-IR band is also detected. This can be attributed to the reduced band gap energy that silicon with doped germanium exhibits. This, however, is not the optimum structure for IR detection. Future work that can be done based on this work is that the pixel structure can be optimised to move the detecting band even more into the IR region, and not just partially. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2013. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted