Conception et réalisation d'un capteur en technologie CMOS pour l'observation d'impulsions lumineuses brèves voisines de 1ns

Design and realisation of a sensor in CMOS technology for the obversation of short light pulses close to 1ns

• Auteur / Autrice : Bruno Casadei
• Direction : Bernard Cunin, Yann Hu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et microélectronique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtres numériques (mathématiques)

Circuits intégrés à très grande échelle

MOS complémentaires

Capteurs (technologie)

Résumé

Deux méthodes sont utilisées pour visualiser des évènements lumineux brefs. La première consiste à acquérir rapidement un grand nombre d'images 2D à intervalle de temps régulier pendant une courte durée. Mais ce procédé est limité à une résolution temporelle proche de la microseconde. Pour atteindre une résolution temporelle proche de la picoseconde, la seconde solution est réalisée à partir d'une image bidimensionnelle et consiste à attribuer à une dimension spatiale la coordonnée temporelle pour obtenir l'intensité lumineuse en fonction du temps et d'une dimension spatiale. La seule caméra obtenant ce résultat est la caméra à balayage de fente dont la partie reconstruction temporelle est réalisée par un tube à vide ce qui la rend fragile, encombrante, coûteuse et gourmande en énergie. L'objectif de ce travail est de développer une nouvelle architecture de caméra CMOS reproduisant le fonctionnement de la caméra à balayage de fente. Pour y parvenir, nous utilisons la possibilité de réaliser un temps d'intégration différent par pixel. En retardant le début de la phase d'intégration des colonnes de pixels, une plage temporelle de 45ns est créée ce qui nous permet d'obtenir l'intégrale discrétisée du signal lumineux à la sortie de la caméra. Cette plage est fixée par le temps de retard intrinsèque des portes logiques qui constituent le système de retard. Celui-ci définit le temps de retard entre colonnes et détermine la résolution temporelle. Puis par le calcul de la différence entre colonnes, nous reconstruisons le signal d'entrée. Le pixel utilise une structure de pixel actif à photodiode. Nous avons caractérisé le pixel afin de connaître tous ses paramètres et de les comparer aux capteurs existants pour justifier de sa qualité. La mesure de la largeur d'une impulsion laser montre que la résolution temporelle de notre caméra est de 800ps. Les applications de ce type de caméra sont nombreuses et touchent tous les domaines : médical, écologique, astronomique, industriel et pyrotechnique.

Two methods are used to visualize short light events. The first one consists in quickly acquiring a great number of 2D images with regular time interval for a short length of time. But this process is limited to a temporal resolution near of one microsecond. To reach a temporal resolution near of one picosecond, the second solution starts from a two-dimensional image and consists in allotting to a space dimension the temporal dimension to obtain the light intensity according to time and one space dimension. The only camera obtaining this result is the streak camera which uses a vacuum tube for its temporal rebuilding parts what makes it fragile, cumbersome, expensive and greedy in energy. The objective of this work is to develop a new architecture of CMOS camera reproducing the operation of the streak camera. For that purpose, we use the possibility of carrying out a different integration time per pixel. By delaying the beginning of the integration phase of the columns of pixels, a temporal range of 45ns is created what enables us to obtain the sampled integral of the light signal at the output camera. This range is fixed by the intrinsic delay time of the logical gate which constitutes the delay system. This one defines the delay time between columns which determines the temporal resolution. Then by calculation of the difference between columns, we rebuild the input signal. The pixel uses a structure of active pixel sensor with photodiode. We characterised the pixel in order to know all its parameters and to compare them with the existing sensors to justify its quality. The measurement of the width of a laser impulse shows that the temporal resolution of our camera is of 800ps. The applications of this type of camera are numerous and touch all the fields: medical, ecological, astronomical, industrial and pyrotechnical.