Circuits analogiques de lecture pour un capteur d'images couleur CMOS à photodétecteurs sans filtre

La résolution spatiale des capteurs d'images couleur actuels, qu'ils soient de type CCD (Charge-Coupled Device) ou à base de circuits CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), est limitée par leur méthode de discrimination des couleurs. En fait, comme la plupart des photodétecteurs ne sont sensibles qu'à l'intensité de la lumière et non pas à sa longueur d'onde, il faut déposer un filtre chromatique à la surface du capteur pour ne transmettre que la longueur d'onde désirée vers chaque photodétecteur. On extrapole par la suite la couleur équivalente d'un regroupement de pixels à l'aide d'algorithmes mathématiques, ce qui restreint l'atteinte d'une résolution spatiale comparable à celle d'une pellicule chimique photosensible de bonne qualité. De surcroît, la déposition du filtre chromatique réduit la sensibilité du capteur en absorbant une partie de l'énergie lumineuse, ce qui impose une restriction supplémentaire au niveau de la gamme dynamique. Dans le but de corriger ces lacunes, l'équipe de recherche du professeur Yves Audet a développé et breveté un photodétecteur innovateur permettant la discrimination des couleurs sans recourir à un filtre chromatique. Réalisable en technologie CMOS standard, ce photodétecteur est un candidat idéal pour l'intégration des circuits périphériques de traitement des signaux et la réalisation d'un circuit intégré de type COC (Camera On Chip). Le présent travail de recherche s'inscrit dans le processus de développement et de caractérisation de ce photodétecteur. Plus spécifiquement, il consiste à concevoir les circuits analogiques de traitement de signal en vue d'obtenir un capteur d'images intégré complet comportant trois sorties analogiques qui correspondent aux couleurs détectées par le photodétecteur. Pour ce faire, une nouvelle topologie de pixel actif APS (Active Pixel Sensor) a été développée à partir des caractéristiques expérimentales du photodétecteur. Par la suite, les circuits analogiques de traitement du signal périphériques ont été conçus afin de compléter le système d'acquisition d'images. Le prototype a été fabriqué en technologie 0.25μm 3.3V et les résultats obtenus témoignent du fonctionnement adéquat des circuits conçus.

Abstract

Many of today's CCD (Charge-Coupled Device) and CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) color image sensors exhibit a lower than desirable spatial resolution on behalf of their color detection and extrapolation mechanisms. Indeed, most photodetector units respond to light energies whose wavelengths are within their sensitive range, without actually distinguishing the actual wavelength. Hence, a method for separating colors must be implemented. The most popular of these methods consists in placing a CFA (Color Filter Array) atop the pixel array in order to define the wavelength received by every pixel. As it requires many pixels to determine a single element of color information in the image, the spatial resolution is limited to numbers well below those of a high-quality photo film. Furthermore, optical filtering reduces sensor sensitivity by absorbing part of the energy contained in the incoming light, thus limiting the available dynamic range. In order to alleviate these shortcomings, Professor Yves Audet's design team has developed and patented an innovative photodetector structure with integrated color detection that doesn't require the addition of a CFA. Since this photodetector can be fabricated using a standard CMOS technology, signal processing circuits can be implemented on the same chip to produce a COC (Camera On Chip). This work is part of the ongoing development and characterization process of the filterless photodetector. More specifically, it consists of the design of the analog circuits required to achieve a complete integrated image sensor having three analog signal outputs corresponding to the detected colors. Based on previously collected experimental data about the photodetector, an innovative APS (Active Pixel Sensor) architecture was created. Then, the peripheral analog signal processing circuits were designed to complete the analog image capture system. The prototype has been fabricated using 0.25μm 3.3V CMOS technology and experimental results demonstrate the functionality of the circuits.