A CMOS 90nm Digital Pixel Sensor Intended for a Visual Cortical Stimulator

La capture d'images et le traitement d'images et de signaux font partie des domaines les plus en vogue de nos jours. Un autre domaine qui retient l'attention des chercheurs à travers le monde est celui qui regroupe les applications biomédicales - en particulier celles qui font le pont entre l'électronique et la biologie. L'équipe Polystim œuvre sur différents projets à la pointe de la technologie qui touchent à ces domaines, dont le projet Cortivision: un stimulateur visuel cortical. Le système englobe la capture et le traitement d'images ainsi que la stimulation du cortex pour donner une certaine perception d'images aux patients souffrant de cécité. Le but de ce travail est de concevoir le module de capture d'images de ce système. Les modes d'opération du capteur d'images doivent être configurables par l'usager. Il doit se distinguer par une gamme dynamique élevée, une consommation de puissance réduite, une haute vitesse d'acquisition, une surface réduite, la portabilité, la possibilité d'avoir du traitement d'images sur puce, et la facilité de l'intégrer dans un système sur puce avec le reste des modules de Cortivision. Un DPS (Digital Pixel Sensor) CMOS a été conçu et fabriqué avec la nouvelle technologie CMOS 90nm. Chaque pixel comprend une photodiode, un circuit de conversion de photocourant, un convertisseur analogique à numérique et une mémoire numérique de 8 bits, dans une surface de 9 µm x 9 µm avec un facteur de remplissage de 26% et 57 transistors. Le capteur offre plusieurs modes d'opération: • Un mode d'intégration linéaire. • Un mode logarithmique avec une gamme dynamique étendue qui permet d'accéder aux pixels indépendamment du temps mais avec une diminution de linéarité et un bruit plus prononcé. • Un mode différentiel qui soustrait deux images successives à même la puce pour obtenir une image binaire. Ce mode permet d'accélérer le traitement d'images et fonctionne à une vitesse plus élevée. Il peut être utilisé simultanément avec le mode linéaire ou avec le mode logarithmique. • Un mode d'expositions multiples qui est une option du mode linéaire pour augmenter la gamme dynamique, mais qui aurait l'effet de réduire la vitesse d'acquisition.

Abstract

The image sensing and image processing fields make up some of the hottest topics in today's industrial and research communities. Another field that is getting a lot of attention is biomedical applications - especially the combination of electronics to biology. The Polystim team is working on some state-of-the-art projects encompassing all that. One of these is the Cortivision project that consists of a visual cortical stimulator. The system comprises image sensing, image processing, and brain cortex stimulation to help blind patients acquire a sense of visual perception. The goal of this work is to cover the image sensing portion of the system. This requires the design and implementation of an image sensor which is user configurable to operate in several modes, has a high dynamic range, low power consumption, high frame rate capability, reduced surface area, is portable, allows some on-chip image processing, and can easily be integrated in a system-on-chip with the rest of the Cortivision modules. A CMOS Digital Pixel Sensor was designed and fabricated using the novel CMOS 90nm technology. Each pixel consists of a Photodiode, a photo-current conversion circuit, an Analog-to-Digital Converter and a digital 8-bit memory. It has a pixel pitch of 9µm with a Fill-Factor of 26% and 57 transistors. The sensor offers several modes of operation: • A linear integration mode. • A logarithmic mode that extends the dynamic range and allows time-independent pixel access at the cost of a forsaken linearity and an increase in noise. • A differential (or better termed difference) mode that allows subtracting two consecutive frames to obtain a binary image. This mode helps speed up the image processing and allows a very high frame rate. It can be used in conjunction with either the linear or the logarithmic modes of operation. • A multiple exposure mode that can be used in combination with the linear mode to increase the dynamic range at the expense of a decrease in frame rate.