Développement et optimisation d'imageurs CMOS à obturation globale: application à l'observation de la Terre à très haute résolution

par Federico Pace

Projet de thèse en Photonique et Systèmes Optoélectronique

Sous la direction de Pierre Magnan et de Olivier Marcelot.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications (Toulouse) , en partenariat avec ISAE-ONERA OLIMPES Optronique, Laser, Imagerie Physique et Environnement Spatial (laboratoire) et de CIMI - Conception d'Imageurs Matriciels Intégré (equipe de recherche) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    L'architecture naturelle des imageurs matriciels CMOS (appelés CIS pour CMOS Image Sensors) étant de type semi-parallèle, le mode de prise de vue et de lecture de ces capteurs est généralement de type «obturateur à ligne balayée», également appelé «rolling shutter» dans le domaine de l'imagerie optique. S'il présente des avantages intrinsèques indéniables, le mode «rolling» souffre d'un inconvénient notable, introduit par la non-simultanéité du démarrage et de l'arrêt de l'intégration de signal optique sur l'ensemble des lignes de la matrice, limitant son utilisation dès lors que le mouvement de la scène est non négligeable devant le temps d'observation. Cette limitation liée au mode «rolling» est très généralement contournée par l'introduction dans le pixel d'au moins un site de mémorisation analogique (en charges ou en tension), ouvrant la possibilité de démarrer et d'arrêter simultanément l'intégration du signal optique sur l'ensemble des pixels de la matrice, ce mode étant appelé «snapshot». La prise de vue de type «snapshot» présente des inconvénients associées à la présence d'une mémorisation dans le pixel, principalement la réduction du facteur de remplissage et/ou de la capacité maximale stockable par pixel, l'augmentation du bruit de lecture et la dégradation du signal intégré entre la fin de l'intégration et sa lecture, que cela soit en raison de phénomènes électriques (courant de fuite par exemple) ou optiques, le signal photonique continuant d'illuminer le pixel après la prise de vue en cas de non utilisation d'un obturateur mécanique en amont du CIS. Cette dégradation du signal utile est généralement exprimée par les fabricants sous les vocables de Parasitic Light Sensitivity (PLS) ou de Global Shutter Efficiency (GSE), sachant que les conditions de mesure et les méthodes de traitement des données ne sont aujourd'hui pas normalisées. L'objectif de la Thèse CIFFRE DGA, ciblé sur la capacité à opérer un CIS en mode de lecture snapshot compatible des besoins de l'observation de la terre depuis l'espace, vise à mettre en œuvre des solutions de mémorisation intra-pixel performantes associées à la chaîne de lecture des pixels en tirant le meilleur parti des procédés microélectroniques CMOS optimisés pour l'imagerie de dernière génération. Ce travail sera donc réalisé sur des pixels de type Pinned PhotoDiode (PPD) 5T qui sont à la fois accessibles via des fonderies «ouvertes» et qui offrent d'excellentes performances électro-optiques.

  • Titre traduit

    Development and optimization of global shutter CMOS image sensors: application to Earth observation at very high resolution


  • Résumé

    The natural architecture of CMOS imagers (called CIS for CMOS Image Sensors) being semi-parallel type, the shooting mode and the readout mode of these sensors is generally a 'line shutter swept,' also called 'rolling shutter 'in the field of optical imaging. If it has undeniable intrinsic advantages, the 'rolling' mode suffers from a significant drawback introduced by the non-simultaneity of starting and stopping the integration of optical signal on all the rows of the array, limiting its use since the movement of the stage is not negligible in the observation time. This limitation related to the 'rolling' mode is usually circumvented by the introduction in the pixel of at least one analog storage site (in charge or voltage), opening the possibility to start and stop simultaneously the integration of optical signal on all the pixels of the matrix. This mode is called 'snapshot'. The 'snapshot' mode has drawbacks associated to the presence of a memory site in the pixel, mainly reducing the fill factor and / or the maximum storage capacity per pixel, increasing the read noise and degrading the signal between the end of the integration and the readout, either because of electrical phenomena (leakage current for example) or optical, photonic signal continuing to illuminate the pixel, specifically in the case of the absence of a mechanical shutter. This degradation of the useful signal is usually expressed by manufacturers in the terms of Parasitic Light Sensitivity (PLS) or global shutter Efficiency (GSE), knowing that the measurement conditions and data processing methods are not standardized today. The aim of the Cifre DGA thesis, focused on the ability to operate a CIS in snapshot mode consistent with the needs of earth observation from space, is to implement efficient intra-pixel memory solutions associated with the readout chain of pixels, by using the best capability of microelectronic CMOS processes optimized for the latest generation of imaging. This work will be performed on 5T Pinned photodiode (PPD) type pixels which are both accessible via 'open' foundries that provide excellent electro-optical performance.