Développement d’une méthode pour modéliser, caractériser et atténuer la sensibilité à la lumière parasite dans les imageurs CMOS à obturation globale

Developing a method for modeling, characterizing and mitigating parasitic light sensitivity in global shutter CMOS image sensors

• Auteur / Autrice : Federico Pace
• Direction : Pierre Magnan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectronique
• Date : Soutenance le 21/01/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Président / Présidente : Caroline Fossati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Magnan, Caroline Fossati, Guo Neng Lu, Johannes Solhusvik, Panagiota Morfouli, Olivier Saint Pé, Rose-Marie Sauvage
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guo Neng Lu, Johannes Solhusvik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Théorie du transport

Mots clés libres

Imageurs CMOS

Obturation Globale

Sensibilité à la Lumière Parasite

Fdtd

Équation du Transport de Boltzmann

Post-Traitement d'Images

CMOS Image Sensor

Global Shutter

Parasitic Light Sensitivity

Fdtd

Boltzmann Transport Equation

Image Post-Processing

Résumé

L’imagerie à haute-vitesse sans distorsions spatiales est devenue cruciale pour une large gamme d’applications comme la vision industrielle, la reconnaissance du mouvement et l’imagerie de la Terre depuis l’espace. La technologie d’imagerie CMOS a donc évolué vers une modalité de prise de vue appelée « snapshot », grâce au développement des Capteurs d’Image à Obturation Globale. Néanmoins, ce type d’imageurs présente une dégradation des performances due à une sensibilité à la lumière parasite non-négligeable du Nœud de Stockage, qui en limite l’exploitation. Bien que beaucoup de travaux aient été consacrés à la réduction de la Sensibilité à la Lumière Parasite, il existe des interrogations et des manquements relatifs à la caractérisation et la modélisation de cette figure de mérite.Ces travaux s’intéressent au développement d’un cadre pour la modélisation, la caractérisation et l’atténuation de la Sensibilité à la Lumière Parasite dans les imageurs CMOS à Obturation Globale.Le cadre se base sur le développement d’une métrique pour la caractérisation, d’une méthode de simulation et de différentes méthodes de correction en post-traitement dans le but de faire émerger des recommandations pour la conception et d'augmenter les performances des imageurs de manière efficace et peu coûteuse.

Distortion-free imaging of fast-moving objects has become crucial for a wide spectrum of applications, such as industrial machine vision, motion recognition and Earth imaging from space. CMOS Imaging technology has therefore evolved towards the ``snapshot'' capture operation, with the development of Global Shutter CMOS Image Sensors. Nevertheless, this type of sensors is affected by a non-negligible sensitivity of the Storage Node to parasitic light, limiting their use especially in strong-light environments. Despite the large efforts to reduce the Parasitic Light Sensitivity issue, there exist a general incoherence in modeling and characterizing this figure of merit.This thesis focuses on developing a framework for modeling, characterizing and mitigating Parasitic Light Sensitivity in Global Shutter CMOS Image Sensors.This is done through the development of a standard characterization method, a simulation method and different post-process correction methods that are successively exploited to give guidelines for improving sensor design and performances in a cost-effective way.