Rétine silicium pour la détection/localisation d'éclats lasers

Silicon retina for pulsed laser detection and localization

• Auteur / Autrice : Olivier Gevin
• Direction : Francis Devos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Pixel

Cmos

Résumé

Dans beaucoup d'applications telles que la détection d'obstacle pour les véhicules intelligents, le guidage, la navigation e. T. C, on utilise des rétines électroniques pour détecter une source laser. L'un des principaux problèmes que l'on rencontre dans ce type d'application est la perturbation de la détection par les variations du fond lumineux ambiant. Ce type de rétine est donc souvent difficilement utilisable en extérieure. Dans cette thèse, nous avons proposé une rétine silicium capable de détecter et de localiser une source laser dans un environnement de type rural. Nous avons choisi un signal d'entrée de type pulse étroit pour pouvoir le détecter par filtrage temporel passe haut. Nous avons ainsi conçu un photodétecteur constitué d'un amplificateur rapide de type source commune cascodé rebouclé par une contre réaction sélective assurée par deux transistors utilisés en régime de faible inversion pour n'amplifier que les signaux haute fréquence. Cette cellule analogique a été optimisée dans le contexte du guidage de missile par laser infrarouge. Le photodétecteur optimisé a été réalisé dans un procédé CMOS 0. 8 mM (m - mu(grec), M - m) à caisson N et les résultats de mesure ont montré qu'il était capable de détecter un pulse infrarouge (lamda=1. 06 mM) de 0. 1 mWx20ns dans un fond ambiant dont la puissance pouvait varier d'un facteur 1 à 10^4. Nous avons ensuite conçu le pixel complet: il est constitué du photodétecteur testé, d'un filtre passe haut faible consommation, d'un comparateur, d'un latch, et d'un circuit de sélection. Nous avons implanté un circuit prototype contenant une petite rétine (2x2). Finalement, chaque pixel est capable de détecter un pulse infrarouge de 1mWx20ns. Chaque cellule du pixel a été testée et les résultats des tests ont été discutés en vue d'améliorer la sensibilité du pixel. La sensibilité de la rétine est dégradée par le bruit spatial fixe, mais nous avons conclu que nous pourrions l'augmenter en affinant le dessin des masques.

Laser detection by electronic retina can find wide applications: obstacle detection for intelligent automobile, guidance, navigation, etc. One of the major problems met in applications is that the detection can be perturbed by background illumination variation, which makes it difficult to use this kind of retina in outside environnement. In this thesis, we have proposed a silicon retina which can detect and localize a ponctual pulsed laser source in outside environnement. Input pulse has been chosen to have a wide bandwith so that we can try to detect it by high-pass filtering. We have designed a selective photoreceptor which contains a fast amplifier and a selective feedback to amplifier only high frequency signals. The amplifier is a cascoded common source stage and we use two transistors that operate in week inversion to close the loop. This analog cell has been fully studied and optimised in the context of missile guidance by infrared pulsed laser. The optimized photoreceptor has been designed in a 0. 8mM CMOS Nwell process and the measurement results have shown that the photoreceptor is able to detect a 0. 1mWx20ns infrared (lamda=1. 06mM) laser pulse in a backgroud illumination power which can varie from 1 to more than 10^4. We have then designed the complete pixel: it consists of the selective photoreceptor, a low power high-pass filter, a comparator, a latch and a selection circuit. We have designed a new circuit which contained a little retina (2x2). Finaly each pixel of the retina is able to detect a 1mWx20ns infrared laser pulse. Each cell of the pixel has been tested and the measurement results have been discussed to find how we could improve the sensistivity of the pixel. The sensistivity of the whole retina is reduced by fixed spatial noise but we have conclued that we would be able to increase it with minor modifications of the layout.