Il existe une multitude d’applications où la détection de très faibles niveaux lumineux (jusqu’à quelques photons, voir le photon unique) est une partie clé de la mesure dans des domaines tels que l’imagerie médicale, l’astrophysique. Jusqu’à un passé récent, le seul composant permettant de détecter des niveaux aussi bas que le photon unique était le photomultiplicateur. Ce composant est volumineux, fragile, nécessite l’utilisation de hautes tensions et possède une résolution spatiale faible. Depuis quelques années, la faisabilité de photodétecteurs à photons uniques connus sous l’acronyme de SPAD (pour Single-Photon Avalanche Diode) dans un procédé de fabrication CMOS standard a été démontrée. Ces avancées permettent de réaliser des imageurs de haute résolution et grande sensibilité. Le travail dans cette thèse démarre par la compréhension du comportement de l’élément photosensible (le SPAD) pour finir par la conception du circuit de lecture associé au SPAD. Le deuxième axe de travail proposé dans cette thèse est un modèle haut niveau du SPAD suivi par son circuit de lecture. Le troisième axe propose une nouvelle architecture de lecture qui vise l’amélioration de la dynamique globale. Finalement, dans le dernier chapitre on propose une réalisation électrique CMOS du circuit à dynamique élevée. / A number of vision applications (medical imaging, astrophysics, …) require the detection of very low ligh levels (up to a few photons, or the single photon). Until recently, only one component can detect levels as low as the single photon: the photomultiplier. In recent years, it has been demonstrated the feasibility of designing avalanche diode using CMOS standard process. These advances allow to achieve high-resolution imaging and high sen-sitivity. The work in this thesis starts by the study of the behavior of the photon sensing element (SPAD) and finish by the design of the radout circuit of single photon avalanche photodiode. The second point of the work proposed in this thesis is a high-level model of SPAD followed by its readout circuit based on an anolg counter. The third line offers a novel readout method to enhance the readout dynamic range of pixel based on single photon avalanche photodiode. Finaly, A new readout circuit is proposed for SPAD based pixel. This readout circuit which is inspired from the simulated architectures will allow us to achieve our analog counter with the best performance.

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Ce travail de recherche vise à concevoir un système de vision à faible consommation d'énergie pour les réseaux de capteurs sans fil. L'imageur en question doit respecter les contraintes spécifiques des applications multimédias pour les réseaux de capteurs de vision sans fil. En effet, de par sa nature, une application multimédia impose un traitement intensif au niveau du noeud et un nombre considérable de paquets à échanger à travers le lien radio, et par conséquent beaucoup d'énergie à consommer. Une solution évidente pour diminuer la quantité de données transmise, et donc la durée de vie du réseau, est de compresser les images avant de les transmettre. Néanmoins, les contraintes strictes des noeuds du réseau rendent inefficace en pratique l'exécution des algorithmes de compression standards (JPEG, JPEG2000, MJPEG, MPEG, H264, etc.). Le système de vision à concevoir doit donc intégrer des techniques de compression d'image à la fois efficaces et à faible complexité. Une attention particulière doit être prise en compte en vue de satisfaire au mieux le compromis "Consommation énergétique - Qualité de Service (QoS)". / This research aims to develop a vision system with low energy consumption for Wireless Sensor Networks (WSNs). The imager in question must meet the specific requirements of multimedia applications for Wireless Vision Sensor Networks. Indeed, a multimedia application requires intensive computation at the node and a considerable number of packets to be exchanged through the transceiver, and therefore consumes a lot of energy. An obvious solution to reduce the amount of transmitted data is to compress the images before sending them over WSN nodes. However, the severe constraints of nodes make ineffective in practice the implementation of standard compression algorithms (JPEG, JPEG2000, MJPEG, MPEG, H264, etc.). Desired vision system must integrate image compression techniques that are both effective and with low-complexity. Particular attention should be taken into consideration in order to best satisfy the compromise "Energy Consumption - Quality of Service (QoS)".

Ce travail a montré que l’apport de la technologie d’intégration 3D, permet de surmonter les limites imposées par la technologie monolithique sur les performances électriques (« coupling » et consommation) et sur l’implémentation physique (aire du pixel) des imageurs. Grâce à l’analyse approfondie sur la technologie d’intégration 3D, nous avons pu voir que les technologies d’intégration 3D les plus adaptées pour l’intégration des circuits dans le pixel sont : 3D wafer level et 3D construction séquentielle. La technologie choisie pour cette étude, est la technologie d'intégration 3D wafer level. Cela nous a permis de connecter 2 wafers par thermocompression et d’avoir une interconnexion par pixel entre wafers. L’étude de l’architecture CAN dans le pixel a montré qu’il existe deux limites dans le pixel : l’espace de construction et le couplage entre la partie analogique et numérique « digital coupling ». Son implémentation dans la technologie 3D autorise l’augmentation de 100% l’aire de construction et la réduction du « digital coupling » de 70%. Il a été implémenté un outil de calcul des éléments parasites des structures 3D. L’étude des imageurs rapides, a permis d’étendre l’utilisation de cette technologie. L’imageur rapide type « burst » a été étudié principalement. Cet imageur permet de dissocier la partie d’acquisition des images de la sortie. La limite principale, dans la technologie monolithique, est la taille des colonnes (pixels vers mémoires). Pour une haute cadence d’acquisition des images, il faut une grande consommation de courant. Son implémentation dans la technologie 3D a autorisé à mettre les mémoires au-dessous des pixels. Les études effectuées pour ce changement (réduction de la colonne à une interconnexion entre wafers), ont réduit la consommation totale de 90% et augmenté le temps d’acquisition des images de 184%, en comparaison à son pair monolithique. / This work has shown that the contribution of 3D integration technology allows to overcome the limitations imposed by monolithic technology on the electrical performances (coupling and consumption) and on the physical implementation (area of the pixel) of imagers. An in-depth analysis of the 3D integration technology has shown that the most suitable 3D integration technologies for the integration of the circuits at the pixel level are: 3D wafer level and 3D sequential construction. The technology chosen for this study is the 3D wafer level integration technology. This allows us to connect 2 wafers by thermocompression bonding and to have an interconnection or “bonding point” par pixel between wafers. The study of the architecture CAN at the pixel level showed that there are two limits in the pixel: the construction area and the coupling between the analog and digital part «digital coupling». Its implementation in 3D technology allows the construction area to be increased by 100% and the digital coupling reduced by 70%. It has been implemented a tool for computing the parasitic elements of 3D structures. The study of high speed imagers has allowed the use of this technology to be extended. The "burst" imager was mainly studied. This kind of imager’s architecture can dissociate the image acquisition from the output part. The main limit, in monolithic technology, is the size of the columns (pixels to memories). For a high rate of image acquisition, a high current consumption is required. Its implementation in 3D technology allowed to put the memories below the pixels. The studies carried out for this change (reduction of the column to an interconnection between wafers) reduced the total consumption by 90% and increased the acquisition time of the images by 184%, compared to its monolithic peer.

Thesis deals with data fusion and calibration of sensory system of Orpheus-X3 robot and EnvMap mapping robot. These robots are parts of Cassandra robotic system that is used for exploration of hazardous or inaccessible areas. Corrections of measured distances are determined for used laser scanners Velodyne HDL-64, Velodyne HDL-32 and range camera SwissRanger SR4000. Software MultiSensCalib has been created and is described. This software is used for determination of intrinsic parameters of heterogeneous cameras of the sensory head and for determination of mutual position and orientation of these sensors. Algorithm for data fusion of CCD camera stereo pair, thermal imager stereo pair and range camera is proposed. Achieved calibration and data-fusion parameters are evaluated by several experiments.