Conception d'une caméra à balayage de fente intégrée basée sur un système de comptage de photon unique résolu en temps

Design of an integrated streak camera based on a time correlated single photon counting system

• Auteur / Autrice : Imane Malass
• Direction : Wilfried Patrick Uhring, Jean-Pierre Le Normand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique, optoélectronique
• Date : Soutenance le 13/05/2016
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Francis Calmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Normand, Norbert Dumas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Calmon, Edoardo Charbon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Analyse temporelle

Capteurs d'images CMOS

Caméras à balayage de fente

Mots clés libres

Caméra à balayage de fente

TCSPC

Photodiode à avalanche

TDC

TAC

DLL

Streak imaging

TCSPC

SPAD

TDC

TAC

DLL

Résumé

Nous présentons une caméra à balayage de fente intégrée basée sur un système de comptage de photon unique résolu en temps (TCSPC-SC) employant l'architecture linéaire « streak » pour surmonter la limitation de l'espace inhérent aux systèmes TCSPC bidimensionnels. Cette solution permet l'intégration de fonctionnalités électroniques complexes dans les pixels sans l'inconvénient d'un faible facteur de remplissage conduisant à une faible efficacité de détection. Le TCSPC-SC se compose de deux blocs principaux: une photodiode à avalanche (SPAD) et un bloc de mesure de temps, les deux blocs sont intégrés en technologie 180 nm CMOS standard. La structure de la SPAD utilisée a été sélectionnée parmi 6 structures différentes après un processus de caractérisation précise et approfondie. Le bloc de mesure du temps se compose d'un TOC hybride capable d'atteindre des résolutions de temps élevées et ajustables avec une large dynamique de mesure grâce à un système de conversion de temps (TOC) hybride qui combine l'approche analogique basée sur un convertisseur de temps vers amplitude(TAC), et les approches numériques utilisant une boucle à verrouillage de retard (DLL) et un compteur numérique. Le TOC hybride a été spécialement conçu pour être utilisé dans un système TCSPC qui intègre une ligne de TOC nécessitant ainsi une conception appropriée pour limiter la consommation d'énergie et la surface d'occupation et parvenir à une architecture flexible et facilement extensible. Suite à la conception et la réalisation de ces deux blocs dans une technologie180 nm CMOS standard, une structure de test de la caméra à balayage de fente (TCSPC-SC) qui englobe 8 unités a été réalisée dans le but final de mettre en œuvre un modèle TCSPC-SC complet et plus large.

In this work we present a TCSPC Streak Camera (TCSPC-SC) that takes advantage of the streak mode imaging ta overcome the space limitation inherent ta 20 TCSPC sensor arrays. This cost-effective solution allows the integration of complex functionalities in the pixel without the inconvenience of low fill factor that leads ta low detection efficiency. The TCSPC~SC consists of two main building blacks: a SPAD and a time measurement black bath integrated in 180 nm Standard CMOS technology. The SPAD was selected among 6 different SPAD structures following a thorough characterization process ta fully determine its performance figures. The time measurement black consists of a hybrid TOC capable of achieving high adjustable time resolutions with large dynamic range owing ta a time conversion scheme that combines traditional Analog Time to Amplitude Converter (TAC), Digital DLL-based and counter-based TOC. Furthermore, thehybrid TOC was especially designed ta be used in a TCSPC system that incorporates an array of TDCs which required a careful design ta limit power consumption and occupation area in order to achieve a flexible and easily scalable architecture. These two building blacks were bath fabricated in a 180 nm standard CMOS technology and employed ta demonstrate a TCSPC Streak Camera(TCSPC-SC) test structure that englobes 8 units in order ta demonstrate the system's operation principle with the final aim of implementing a complete and bigger TCSPC-SC model in the near future