Un vidéomicroscope permettant un suivi en temps réel, crucial en biologie cellulaire, est souvent cher et encombrant. Mon projet de thèse vise à développer un vidéomicroscope miniaturisé. L'objectif est de permettre, à terme, une meilleure parallélisation des expériences, mais également de favoriser une intégration avec d'autres capteurs, en l'envisageant comme un élément d'un laboratoire sur puce. La voie de miniaturisation choisie est de supprimer les objectifs de grossissement pour observer les objets directement sur la surface sensible d'un capteur d'image selon un mode appelé « imagerie de contact ». Pour cela, les différents éléments du microsystème ont été choisis et conditionnés pour protéger l'électronique du capteur vis-à-vis des milieux de culture aqueux, et assurer des conditions physiologiques aux cellules d'intérêt. Puis, l'observation des cellules a été optimisée en référence aux images fournies par des microscopes classiques. Le suivi en temps réel d'événements cellulaires (mitose, motilité, apoptose,...) à l'aide de notre prototype a ensuite été démontré. Enfin, les différents composants du système optique ont été caractérisés dans le but de mieux comprendre le mécanisme de formation de l'image et de l'optimiser. La résolution de notre microsystème (11,2 µm) donne accès à la morphologie cellulaire : celle-ci est potentiellement améliorable en utilisant des pixels de plus petite taille. Une perspective intéressante pour la biologie cellulaire serait de pouvoir détecter des phénomènes luminescent ou fluorescent.

Face aux défis actuels liés à la conception de capteurs d'images à forte résolution comme la limitation de la consommation électrique, l'augmentation du flux de données ainsi que le traitement de données associé, on propose, à travers cette thèse, un capteur d'image novateur asynchrone à échantillonnage non uniforme.Ce capteur d’images asynchrone est basé sur une matrice de pixels événementiels qui intègrent un échantillonnage non uniforme par traversée de niveaux. Contrairement aux imageurs conventionnels, où les pixels sont lus systématiquement lors de chaque trame, les pixels événementiels proposés sont consultés que lorsqu’ils contiennent une information pertinente. Cela induit un flux de données réduit et dépendant de l’image.Pour compléter la chaîne de traitement des pixels, on présente également une architecture numérique de lecture dédiée conçue en utilisant de la logique asynchrone et destinée à contrôler et à gérer le flux de données des pixels événementiels. Ce circuit de lecture numérique permet de surmonter les difficultés classiques rencontrées lors de la gestion des demandes simultanées des pixels événementiels sans dégrader la résolution et le facteur de remplissage du capteur d’images. En outre, le circuit de lecture proposé permet de réduire considérablement les redondances spatiales dans une image ce qui diminue encore le flux de données.Enfin, en combinant l'aspect échantillonnage par traversée de niveau et la technique de lecture proposée, on a pu remplacer la conversion analogique numérique classique de la chaîne de traitement des pixels par une conversion temps-numérique (Time-to-Digital Conversion). En d'autres termes, l'information du pixel est codée par le temps. Il en résulte une diminution accrue de la consommation électrique du système de vision, le convertisseur analogique-numérique étant un des composants les plus consommant du système de lecture des capteurs d'images conventionnels / In order to overcome the challenges associated with the design of high resolution image sensors, we propose, through this thesis, an innovative asynchronous event-driven image sensor based on non-uniform sampling. The proposed image sensor aims the reduction of the data flow and its associated data processing by limiting the activity of our image sensor to the new captured information.The proposed asynchronous image sensor is based on an event-driven pixels that incorporate a non-uniform sampling crossing levels. Unlike conventional imagers, where the pixels are read systematically at each frame, the proposed event-driven pixels are only read when they hold new and relevant information. This induces a reduced and scene dependent data flow.In this thesis, we introduce a complete pixel reading sequence. Beside the event-driven pixel, the proposed reading system is designed using asynchronous logic and adapted to control and manage the flow of data from event pixels. This digital reading system overcomes the traditional difficulties encountered in the management of simultaneous requests for event pixels without degrading the resolution and fill factor of the image sensor. In addition, the proposed reading circuit significantly reduces the spatial redundancy in an image which further reduces the data flow.Finally, by combining the aspect of level crossing sampling and the proposed reading technique, we replaced the conventional analog to digital conversion of the pixel processing chain by a time-to-digital Conversion (TDC). In other words, the pixel information is coded by time. This results in an increased reduction in power consumption of the vision system, the analog-digital converter being one of the most consuming reading system of conventional image sensors components

Les imageurs CMOS représentent un outil d’avenir pour de nombreuses applications scientifiques de haut vol, tellesque l’observation spatiale ou les expériences nucléaires. En effet, ces imageurs ont vu leurs performancesdémultipliées ces dernières années grâce aux avancées incessantes de la microélectronique, et présentent aussi desavantages indéniables qui les destinent à remplacer les CCDs dans les futurs instruments spatiaux. Toutefois, enenvironnement spatial ou nucléaire, ces imageurs doivent faire face aux attaques répétées de particules pouvantrapidement dégrader leurs performances électro-optiques. En particulier, les protons, électrons et ions présents dansl’espace ou les neutrons de fusion nucléaire peuvent déplacer des atomes de silicium dans le volume du pixel et enrompre la structure cristalline. Ces effets de déplacement peuvent former des défauts stables introduisant des étatsd’énergie dans la bande interdite du silicium, et ainsi conduire à la génération thermique de paires électron-trou. Parconséquent, ces radiations non-ionisantes produisent une augmentation permanente du courant d’obscurité despixels de l’imageur et donc à une diminution de leur sensibilité et de leur dynamique. L’objectif des présents travauxest d’étendre la compréhension des effets de déplacement sur l’augmentation du courant d’obscurité dans lesimageurs CMOS. En particulier, ces travaux se concentrent sur l’étude de la forme de la distribution de courantd’obscurité en fonction du type, de l’énergie et du nombre de particules ayant traversé l’imageur, mais aussi enfonction des caractéristiques de l’imageur. Ces nombreux résultats permettent de valider physiquement etexpérimentalement un modèle empirique de prédiction de la distribution du courant d’obscurité pour une utilisationdans les domaines spatial et nucléaire. Une autre partie majeure de ces travaux consiste à utiliser pour la première foisla technique de spectroscopie de courant d’obscurité pour détecter et caractériser individuellement les défautsgénérés par les radiations non-ionisantes dans les imageurs CMOS. De nombreux types de défauts sont détectés etdeux sont identifiés, prouvant l’applicabilité de cette technique pour étudier la nature des défauts cristallins généréspar les effets de déplacement dans le silicium. Ces travaux avancent la compréhension des défauts responsables del’augmentation du courant d’obscurité en environnement radiatif, et ouvrent la voie au développement de modèles deprédiction plus précis, voire de techniques permettant d’éviter la formation de ces défauts ou de les faire disparaître. / CMOS image sensors are envisioned for an increasing number of high-end scientific imaging applications such asspace imaging or nuclear experiments. Indeed, the performance of high-end CMOS image sensors has dramaticallyincreased in the past years thanks to the unceasing improvements of microelectronics, and these image sensors havesubstantial advantages over CCDs which make them great candidates to replace CCDs in future space missions.However, in space and nuclear environments, CMOS image sensors must face harsh radiation which can rapidlydegrade their electro-optical performances. In particular, the protons, electrons and ions travelling in space or thefusion neutrons from nuclear experiments can displace silicon atoms in the pixels and break the crystalline structure.These displacement damage effects lead to the formation of stable defects and to the introduction of states in theforbidden bandgap of silicon, which can allow the thermal generation of electron-hole pairs. Consequently, nonionizingradiation leads to a permanent increase of the dark current of the pixels and thus a decrease of the imagesensor sensibility and dynamic range. The aim of the present work is to extend the understanding of the effect ofdisplacement damage on the dark current increase of CMOS image sensors. In particular, this work focuses on theshape of the dark current distribution depending on the particle type, energy and fluence but also on the imagesensor physical parameters. Thanks to the many conditions tested, an empirical model for the prediction of the darkcurrent distribution induced by displacement damage in nuclear or space environments is experimentally validatedand physically justified. Another central part of this work consists in using the dark current spectroscopy techniquefor the first time on irradiated CMOS image sensors to detect and characterize radiation-induced silicon bulk defects.Many types of defects are detected and two of them are identified, proving the applicability of this technique to studythe nature of silicon bulk defects using image sensors. In summary, this work advances the understanding of thenature of the radiation-induced defects responsible for the dark current increase in space or nuclear environments. Italso leads the way to the design of more advanced dark current prediction models, or to the development ofmitigation strategies in order to prevent the formation of the responsible defects or to allow their removal.