Aumento de la velocidad de lectura de sensores de imágenes con múltiples mediciones no destructivas y ruido sub-electrónico

Abstract

Los Charge Coupled Devices (CCDs) son sensores de imágenes que poseen bajo ruido de lectura y gran rango dinámico. La astronomía es uno de sus principales campos de aplicación, donde se usan en el rango de luz visible y en el infrarrojo cercano. Se puede combinar esta tecnología con una etapa de salida no destructiva denominada Skipper, para obtener los Skipper-CCDs, que permiten resolver electrones individuales mediante múltiples medidas no destructivas de un mismo paquete de carga. Esta tecnología ha permitido utilizar CCDs para otras aplicaciones de detección de partículas. Sin embargo, alcanzar ruidos tan bajos tiene como limitación asociada tiempos de lectura muy largos, del orden de horas. En esta tesis se estudia la operación y características de los sensores CCDs, en particular los Skipper-CCDs, o sensores que trabajan con etapas de salida Skipper. Se desarrolla un método que permite incrementar la velocidad de lectura de estos sensores, alcanzando la de instrumentos astronómicos actuales. Estos incrementos en la velocidad de lectura, pueden tener asociados un aumento en el ruido de lectura. Se propone entonces un filtro óptimo para mitigar efectos de ruido no estacionario, y otras fuentes de ruido presentes en el cálculo del píxel. El filtro se verifica experimentalmente en una gran cantidad de sensores. Se explora además una variante novedosa del Skipper-CCD, que dispone múltiples etapas de salida a lo largo de su registro serie, denominada MAS-CCD. Esta arquitectura permite disminuir el ruido de lectura final para el mismo tiempo de lectura que un Skipper-CCD similar. Finalmente, se estudia un nuevo prototipo de sensor que consiste en un píxel CMOS con una etapa de salida Skipper. Por primera vez, se demuestra experimentalmente el funcionamiento de este dispositivo.

Charge Coupled Devices (CCDs) image sensors have low readout noise and a wide dynamic range. Astronomy is one of its main fields of application, where they are used in the visible light range and in the near infrared. This technology can be combined with a non-destructive output stage called Skipper, to obtain the Skipper-CCDs, allowing individual electron resolution by averaging multiple non-destructive measurements of the same charge packet. This technology has enabled using CCDs for other particle detection applications. However, achieving such low noise levels is limited by very long readout times, on the order of hours. This thesis studies the operation and characteristics of CCDs sensors, in particular Skipper-CCDs, or sensors that work with Skipper output stages. A method is developed to increase the readout speed of these sensors, reaching the speeds of current astronomical instruments. These increases in readout speed may be associated with an increase in readout noise. An optimal filter is proposed to mitigate non-stationary noise effects, and other noise sources present in the pixel calculation. The filter is experimentally verified in a large number of sensors. A novel variant of the Skipper-CCD is also explored, which has multiple output stages along its serial register, called MAS-CCD. This architecture allows to reduce the final readout noise, for the same readout time of a similar Skipper-CCD. Finally, a new prototype sensor consisting of a CMOS pixel with a Skipper output stage is studied. For the first time, the operation of this device is experimentally demonstrated.