Ce travail porte sur la dynamique des capteurs d’image CMOS à réponse linéaire dédiés aux applications spécifiques afin d’explorer les voies d’amélioration amenant à l’obtention de dynamiques importantes. La définition détaillée de la dynamique des capteurs d’image CMOS a permis de mettre en évidence deux voies d’amélioration : l’extension de l’excursion en tension en sortie de la chaîne de lecture et la minimisation du bruit du capteur. L’extension de l’excursion en tension en sortie de la chaîne de lecture nous a amené à travailler, en collaboration avec le fondeur, sur le procédé de la technologie UMC CIS 0,35μm ce qui a conduit à la modification des implantations ioniques de contrôle des tensions de seuil des transistors intra-pixel. Cela a permis d’augmenter l’excursion en tension en sortie de l’imageur. L’utilisation d’une technologie profondément submicronique permettant l’utilisation de plusieurs types de tension de seuil des transistors (standard, faible ou nulle) a également été analysée. Là encore, l’augmentation de l’excursion en tension en sortie de l’imageur amène une augmentation de la dynamique. La seconde voie d’amélioration a montré les différentes techniques de réduction existantes des contributeurs majoritaires de bruit dans les pixels de type photodiode 3T et 4T. La réduction de ces sources de bruit a mis en évidence le bruit basse fréquence de type RTS (Random Telegraph Signal). L’impact de ce bruit se traduit par une augmentation conséquente du nombre de pixels bruyants de l’imageur dégradant ainsi la performance globale en dynamique du capteur d’image. L’origine et des techniques de réduction originales de ce type de bruit ont été explorées.

La réalisation de nouveaux instruments de télédétection à très haute résolution spatiale offre la possibilité d’étudier plus précisément les villes. Pour ces études, la connaissance de l’atmosphère et plus particulièrement des aérosols peut s’avérer essentielle. Le but de cette thèse est donc de développer une méthode de caractérisation des aérosols adaptée aux images de télédétection des milieux urbains à l’échelle métrique dans les domaines visible et proche-infrarouge. Dans un premier temps, les propriétés optiques de ces particules ont été étudiées en utilisant les données fournies par 68 stations urbaines du réseau AERONET. Ensuite, afin de pouvoir évaluer l’impact des aérosols présents dans les villes sur le signal, un code de transfert radiatif 3D a été réalisé : AMARTIS v2. L’utilisation de cet outil pour une scène urbaine typique a permis de quantifier l’impact des particules sur le signal, à l’ombre et au soleil, en fonction de leurs propriétés optiques. Enfin, une méthode de télédétection des aérosols a été définie, basée sur l’observation de transitions ombre/soleil. Afin de mettre en oeuvre cette méthode, un code d’inversion a été développé : OSIS. Une étude de sensibilité d’OSIS a alors été menée à partir d’images synthétiques générées avec AMARTIS v2 et une utilisation expérimentale a été effectuée sur des acquisitions PELICAN obtenues lors de la campagne aéroportée MUSARDE sur la ville de Toulouse. Ces études ont notamment permis de quantifier la précision intrinsèque d’OSIS comparable aux précisions obtenues avec les produits satellitaires pour l’inversion des épaisseurs optiques, et de montrer que cette procédure est applicable à tout instrument à très haute résolution spatiale, multispectral ou hyperspectral, aéroporté ou satellitaire.

La compréhension de notre environnement nécessite l’étude de phénomènes radiatifs à l’interface surface atmosphère. Ces échanges d’énergie sont analysés à différents niveaux d’échelle suivant la résolution spatiale du capteur. Cette thèse traite du domaine spectral infrarouge (3-14μm) et s’intéresse aux milieux urbains caractérisés par une forte variabilité spatiale. L’objectif est de caractériser les propriétés optiques (réflectance et émissivité) et les températures de surface à partir de mesures directionnelles et spectrales. Pour cela, une première étape a consisté à modéliser le signal en décrivant chacune de ses composantes radiatives. Un modèle de transfert radiatif, TITAN, a donc été développé. Ce modèle permet également de quantifier les effets directionnels de chacune des composantes du signal. Il a été validé par intercomparaison avec d’autres codes de transfert radiatifs. La suite des travaux s’est portée sur l’analyse de l’agrégation lors d’un changement d’échelle spatiale afin de relier les paramètres de surface définis localement aux valeurs équivalentes déduites des mesures capteurs. Une analyse phénoménologique du modèle d’agrégation a été réalisée à l’aide de plans d’expérience afin d’étudier l’influence de chaque facteur d’entrée du modèle sur les paramètres équivalents. Enfin, la dernière étape s’est attachée à inverser le modèle d’agrégation, i.e. à désagréger, dans le but de retrouver les paramètres intrinsèques des surfaces à partir de données hyperspectrales multi-angulaires. Du fait de la non linéarité de nos équations d’agrégation, notre méthode de désagrégation est basée sur la méthode des moindres carrés optimisée par l’algorithme de Gauss-Newton. Une analyse de sensibilité a permis de fixer les contraintes et les conditions d’applications de notre méthode, comme par exemple la nécessité de connaître la répartition des surfaces avec une précision de 1m. Ainsi, les résultats de ces travaux pourront être utilisés dans les études des îlots de chaleur urbains pour une meilleure estimation des températures de surface.

Durant la dernière décennie, le marché des capteurs d’images électroniques a connu un essor considérable, appuyé par la démocratisation des applications nomades. Si le domaine a longtemps été dominé par les dispositifs CCD, les capteurs APS (Active Pixel Sensors) se sont depuis largement imposés, aidés par la pénétration des technologies CMOS. Une miniaturisation soutenue de la taille des pixels a conduit à des résolutions d’images élevées, mais a fait émerger des limitations sur les performances électro-optiques. Si celles-ci ont pu être partiellement compensées par des adaptations de la technologie, la perspective de pixels sub-microniques nécessite en revanche l’introduction d’architectures innovantes. Un pixel tridimensionnel est ici étudié, permettant de dissocier verticalement les fonctions de photo-détection et de lecture sur deux niveaux actifs. En plus de tirer les bénéfices d’une illumination par la face arrière, cette configuration permet une large augmentation de la surface photosensible et de la charge à saturation. Malgré l’engouement rencontré ces dernières années pour les technologies tridimensionnelles, la réalisation d’un pixel CMOS fortement miniaturisé (<2 µm) en 3D révèle une difficulté majeure, liée au micro-dimensionnement des interconnexions 3D entre les deux niveaux de circuit, incompatible avec les performances d’alignement lors du collage de circuits. Une construction séquentielle est ici proposée pour contrecarrer cette limitation. Les briques technologiques associées dans cette approche sont étudiées à partir de pixels de 1.4 µm : transfert de couche SOI sur circuit par collage moléculaire, fabrication de transistors FDSOI à faible budget thermique (<700°C), gravure de contacts à fort facteur de forme. Les performances en bruit basse fréquence sont comparées à celles de technologies planaires sur la base de mesures de transistors élémentaires. Plusieurs solutions technologiques alternatives sont finalement investiguées.

sans objet

Les systèmes d'imagerie usuels sont fondés sur la seule mesure de l'intensité de la lumière transmise, réfléchie ou diffusée par l'objet étudié, et n’exploitent pas l'information contenue dans le caractère vectoriel de celle-ci, c'est-à-dire sa polarisation. Cette thèse présente le développement et la validation expérimentale d'un imageur de Mueller en lumière cohérente permettant la mesure complète de cette information polarimétrique. En particulier, elle propose une application de cet instrument pour la mesure de biréfringence induite dans des matériaux transparents, pour la caractérisation des contraintes élastiques. Une validation semi-quantitative de ce phénomène par simulation numérique est présentée. Par ailleurs, cette thèse propose une méthode originale d'optimisation du contraste entre un objet et son fond à partir de l'information polarimétrique complète de la scène en identifiant les états de polarisation incidents et d'analyses qui permettront de maximiser ce contraste. Cette méthode a été validée numériquement et a montré un gain en contraste notable par rapport aux mesures polarimétriques classiques.

Les milieux diffusants optiquement épais sont présents dans de nombreux champs d'application (nuages, peintures, sprays ou encore les milieux biologiques). Le développement de nouvelles technologies permettant de réaliser un diagnostic in situ sans perturbations est essentiel. L'objectif de ce travail de thèse est de décrire une méthode innovante pour déterminer la distribution en taille de particules diffusantes constituant un milieu épais. L'idée consiste à réaliser une mesure de spectre d'extinction associée à un algorithme d'inversion. D'un point de vue expérimental, cette mesure n'est possible qu'avec une source laser suffisamment brillante et accordable. De plus, la contribution diffusée qui perturbe la mesure doit être filtrée. Nous démontrons que les méthodes de spectroscopie femtoseconde offrent la possibilité de surmonter toutes ces difficultés.

L'objectif de ce travail de thèse a été de caractériser et de modéliser le comportement de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSELs) à 1,3µm et 1,55µm. Ces sources laser constituent en effet un enjeu majeur dans les transmissions d'information à haut débit. La modélisation est basée sur l'analogie entre les équations d'évolution monomodés linéarisées et les équations de Kirchhoff du circuit électrique équivalent de la cavité optique. Il est donc possible d'exprimer chaque élément de ce circuit en fonction des paramètres intrinsèques du VCSEL. Cependant, bien que les VCSELs utilisés soient en puce, le modèle électrique complet doit prendre en compte des effets parasites liés à l'accès électrique. Une méthode originale, basée sur la mesure du «Turn-On Delay» et des paramètres S, a donc été développée afin de pouvoir s'affranchir de ces effets parasites et ainsi d'obtenir la valeur de chaque élément du circuit sans procédure d'optimisation. Grâce à cette méthode, il est alors possible d'extraire les paramètres intrinsèques du VCSEL. Le modèle est ensuite confronté aux résultats de simulation des équations d'évolution linéarisées en fonction des paramètres extraits. Le comportement en bruit des VCSELs est également analysé afin de compléter le circuit électrique par des sources équivalentes de bruit en tension et en courant. Cela permet d'élaborer un schéma électrique équivalent complet validé expérimentalement. Enfin la mesure du spectre des VCSELs permet d'en déduire l'évolution de la largeur de raie en fonction du courant de polarisation et d'en extraire le facteur de Henry, source de dégradation des télécommunications optiques.

Nous proposons une méthode d’analyse des effets des radiations sur les capteurs d’image CMOS dans le but d’améliorer leur résistance à l’environnement radiatif spatial. Elle consiste à corréler le comportement de structures de test clés à la réponse des capteurs d’image irradiés afin d’identifier les causes des dégradations observées. Cette méthode est appliquée d’une part, aux effets des rayons gamma et d’autre part, aux effets de l’exposition à des flux de protons. L’effet principal de la dose ionisante cumulée déposée par les rayons gamma est une forte augmentation du courant d’obscurité du capteur. L’utilisation de la méthode proposée permet l’identification et la localisation du mécanisme à l’origine du phénomène dans les capteurs d’image étudiés. D’autres effets secondaires, comme des effets de canal étroit induits par l’irradiation (effet RINCE) sont également rapportés. De plus, il est montré que l’augmentation du courant d’obscurité due aux effets de déplacements induits par les protons respecte le facteur de dommage universel de J. R. Srour et que le champ électrique ne joue aucun rôle dans cette dégradation. Il semble également que les distributions de pixels avec un comportement télégraphique aléatoire (RTS) puissent être prédites grâce à un facteur de dommage similaire. Les conséquences de ces travaux sur la conception de futurs imageurs CMOS (en particulier sur les voies de durcissement) sont discutées dans ce manuscrit.

Les oscillateurs optoélectroniques sont actuellement une alternative compétitive aux oscillateurs entièrement électriques. Les technologies actuelles sont assez performantes en termes de bruit de phase et de largeur de raie et ont ainsi donné naissance à une nouvelle génération d’oscillateurs. Dans cette thèse, nous utilisons ce type d’oscillateur pour générer un signal à une fréquence f0. Ce signal peut être utilisé comme référence d’un système générateur d’harmoniques de fréquence (HFG) qui permet de multiplier la fréquence du signal de référence, pour obtenir des signaux à des fréquences 2f0, 4f0 et 6f0. Une première partie de ces travaux est dédiée à l’étude des oscillateurs optoélectroniques bouclés ; notamment, l’oscillateur optoélectronique à base de laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). Cet oscillateur, utilise un VCSEL modulé directement, ce qui présente de nombreux avantages, tels que la faible consommation de courant, le bas coût et la stabilité en température. Nous présentons ensuite l’architecture HFG. Dans cette configuration, une modulation de phase est transformée en modulation d’amplitude et l’utilisation d’un miroir de Faraday permet d’annuler l’effet sur la polarisation, produit par des perturbations externes à la fibre optique. De cette façon, la stabilité de la configuration est considérablement améliorée. Finalement, plusieurs réalisations pratiques avec différents types d’oscillateurs sont présentées. Des signaux à 900 MHz, 2.49 GHz et 12 GHz ont été générés avec des oscillateurs optoélectroniques bouclés. En sortie du système HFG, différentes harmoniques ont été obtenues à des fréquences situées dans une plage de 1,8 GHz à 48 GHz.