Brevet FR2529327A1 — publié le 19831230

La présente invention est relative aux appareils détecteurs de rayonnement, et en particulier à un appareil spécialement conçu pour détecter un signal de rayonne- ment bref en présence d'un rayonnement de fond ou de mouve- ment propre. Il existe de nombreuses formes d'appareils détecteurs de rayonnement, qui vont du simple dispositif photo-sensible aux capteurs à formation d'image très complexes Il existe cependant un besoin particulier de pouvoir détecter des signaux de rayonnement brefs en présence d'un fond ou mouve- ment propre De plus, il est souvent nécessaire d'être à même de déterminer la direction ou l'emplacement de la source du signal Bien que cette dernière exigence puisse être satisfaite de façon grossière par des dispositifs tels que les détecteurs à quadrants, ceux-ci ne fournissent pas la précision et la vitesse qui est requise dans de nombreux cas Par exemple, pour un récepteur d'alerte au laser destiné à pouvoir servir dans un véhicule sur lequel est pointé un laser, il est nécessaire de déterminer avec précision et immédiatement la direction dont le rayonnement provient Ceci vise à permettre au véhicule de réagir en conséquence Il est clair que de telles applications touchent principalement les activités militaires, mais elles sont cependant susceptibles d'avoir cours dans d'autres domaines. La capacité de déterminer la direction d'une source de rayonnement dépend non seulement du système optique utilisé, mais aussi du pouvoir de discrimination de l'appareil de détection de rayonnement proprement dit, et c'est ce second aspect que concerne l'invention. On connait des réseaux imageurs à dispositifs à couplage de charge (également dénommés "CCD") qui comprennent un réseau d'éléments sensibles au rayonnement formés sur un substrat commun Sur le même substrat sont également formés un autre réseau de cellules mémoire et un registre de sortie. La réception d'un rayonnement de la longueur d'onde appro- priée par l'un quelconque des éléments donne lieu à l'accumulation d'une charge proportionnelle au rayonnement reçu La charge emmagasinée dans chaque élément du réseau traverse le réseau par décalage pour aboutir dans des cellules mémoire, à partir desquelles s'effectue le traite- ment du contenu de chaque élément La quantité de charge emmagasinée sur un élément sensible au rayonnement est proportionnelle au temps pendant lequel l'élément est exposé au rayonnement si le rayonnement est continu Les charges produites par le rayonnement de fond peuvent de ce fait être importantes, et éventuellement beaucoup plus fortes que la charge créée par le signal de rayonnement bref Plus sont fortes les charges de fond, plus important est le "bruit de fond" ou différence erratique de charge accumulée sur un même photosite d'une image explorée à l'autre Pour réduire au minimum un tel bruit, le temps d'exposition, qui est aussi l'intervalle entre images explorées ou trames ou temps s'écoulant entre décharges successives des photosites, doit de préférence être pris comparable à la durée des impulsions de signal; ceci n'est généralement pas possible dans les applications afférentes aux lasers pulsés, mais il faut au moins que le temps d'exposition soit réduit jusqu'à une limite pratique. L'un des buts de l'invention est de fournir un appareil détecteur de rayonnement pour la détection d'un signal de rayonnement bref en présence de rayonnement de fond. Selon la présente invention, il est proposé un appareil détecteur de rayonnement pour la détection d'un signal de rayonnement bref en présence de rayonnement de fond, qui est caractérisé en ce qu'il comprend une multiplicité de dispositifs sensibles au rayonnement disposés suivant un réseau à deux dimensions et dont chacun est propre à donner lieu à l'emmagasinage d'une charge électrique proportionnelle à l'énergie radiante tombant sur lui, une multiplicité cor- respondante de cellules mémoire dont chacune est associée à un dispositif sensible au rayonnement distinct, un ensemble de transfert propre à permettre de transférer répétitivement la charge éventuellement emmagasinée à sa cellule mémoire associée à l'effet de mémoriser une trame d'image de rayonnement,des moyensà registre comportant un nombre de positions mémoire égal au nombre de dispositifs sensibles au rayonnement et disposéssuivant un réseau à deux dimen- sions semblable, un ensemble de décalage propre à faire transiter par décalage répétitif la trame d'image de rayon- nement mémorisée dans les cellules mémoire pour l'admettre dans lesmoyersà registre sous la forme d'une série de trains de bits parallèles définis par l'une desdites deux dimen- sions et à faire sortir simultanément par décalage la trame d'image de rayonnement précédentedesmoyensà registre, desmoyensdétecteurs adaptésà comparer simultanément le conte- nu des positions de bits correspondantes de chaque train de bits à l'admission et à la sortie par décalage des moyensà registre, un circuit échantillonneur propre à réagir à un signal de sortie en provenance des moyen détecteurspour échantillonner les sorties des moyensdétecteuwm associés à chaque train de bits, etdes moyensde sortie propr Esà réagir aux sorties échantillonnées de façon à définir la position dans la trame d'image de rayonnement de chaque position de bit donnant lieu à la délivrance d'un signal de sortie par lesmoyensdétecteurs. Le réseau de dispositifs sensibles au rayonnement et la multiplicité de cellules mémoire forment un capteur d'image à couplage de charge. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront plus amplement de la description détaillée qui est donnée ci-après à titre d'exemple non limitatif en référenoe au dessin annexé, dont la figure unique représente un schéma fonctionnel d'une forme de réalisationde l'invention. On se reportera à présent au dessin, qui représente un réseau de cellules à couplage de charge formé de zones sensibles au rayonnement ou photosites 10 disposés sur dix colonnes 1 i de dix zones chacune, et formé sur un substrat en silicium A chaque colonne 11 est attenante une colonne 12 de dix cellules de mémoire 13, couplées aux photosites par des canaux de circulation de charge, et couplées entre elles de façon à former des registres colonnes Chaque cellule mémoire 13 est associée à l'une particulière des zones sensibles 10 Les zones sensibles au rayonnement et les cellules mémoires associées occupent la trame ou cadre dans lequel peut être formée une image de rayonnement au moyen d'un système optique convenable Un cycle d'impulsions d'horloge provenant d'un générateur d'impulsions d'horloge 14 par l'intermédiaire d'un circuit de commande 25 transfère au moment voulu la charge éventuellement accumulée par chaque zone sensible 10 à la cellule mémoire 13 qui est associée à celle-ci, tous les transferts ayant lieu simul- tanément. Sur le substrat en silicium, mais à l'extérieur de la trame d'image de rayonnement, est également formé un regis- tre 15 qui comprend dix colonnes 16 dont chacune est formée de dix éléments de registre 17 L'une des extrémités de chaque colonne 16 est reliée à une colonne 12 associée de cellules mémoire par l'intermédiaire d'un site de tran- sition 18 L'autre extrémité de chaque colonne 16 est reliée par l'intermédiaire d'un autre site de transition 19 à un dissipateur de charge 20 Le transfert de charge des cellules de mémoire 13 aux éléments de registre 17, puis des éléments de registre 17 aux dissipateurs 20, est effec- tué par des cycles successifs d'impulsions d'horloge four- nis par le générateur d'impulsions d'horloge 14. A chacun des sites de transition 18 et 19 est associé un amplificateur à grille flottante respectif 22, 23, les deux amplificateurs associés à chaque colonne individuelle du registre 15 étant montés de façon à former une paire différentielle La sortie de chaque paire d'amplificateurs est reliée à un détecteur de seuil 24 qui commande un circuit de commande 25 Une fois que les signaux de sortie des paires d'amplificateurs sont reconnus, et seulement s'ils le sont, par le détecteur de seuil 24, ils sont échantillonnés en bits distincts d'un registre de sortie 26 à dix positions Le contenu du registre de sortie 26 peut être sorti par impulsions d'horloge à travers un circuit de sortie 27 sous la commande du circuit de commande 25, qui applique également les impulsions d'horloge à l'appa- reil Le générateur d'impulsions d'horloge 14 fixe la vitesse de transfert de charge au sein de l'appareil. On va à présent décrire le fonctionnement du dispositif. On peut voir qu'un temps d'exposition court est rendu possi- ble grâce à la décomposition de la trame de façon série- parallèle, avec lecture conditionnelle On supposera qu'un système optique est disposé en sorte que la direction de la source de rayonnement détermine celui ou ceux des éléments sensibles au rayonnement sur lesquels tombe le rayonnement. Par suite de l'incidence d'un rayonnement sur les photo- sites, une charge électrique s'accumule sur ces sites, la quantité de charge dépendant de l'intensité et de la durée du rayonnement. A intervalles réguliers, par exemple toutes les 10 ps, le circuit de commande 25 applique un cycle d'impulsions d'horloge pour provoquer, de façon classique, le transfert à la cellule mémoire associée 13 de la charge accumulée sur chaque élément 10 Le réseau sensible au rayonnement se trouve donc disponible pour accumuler une nouvelle charge. Sous l'action d'un train d'impulsions d'horloge, on fait à présent transiter par décalage les contenus des cellules de mémoire 13 dans les colonnes d'éléments mémoire 12 pour les admettre sous forme de trains parallèles dans les colonnes d'éléments de registre 17, par traversée des sites 18 En même temps, les contenus antérieurs des colonnes 16 d'éléments de registre sont chassés du registre par décala- ge pour traverser les sites 19 et aboutir dans les dissipa- teurs 20 Ce décalage est commandé par le circuit de comman- de 25, et il est effectué à une vitesse telle que les cellules mémoire 13 aient été vidées avant le transfert de charge suivant depuis les éléments sensibles 10. A tout instant, les sites 18 et 19 contiennent des éléments d'image de rayonnement correspondants de deux trames d'image successives De la disposition différentiel- le des sorties de l'amplificateur s'ensuit qu'un signal de sortie ne sera suffisant pour actionner le détecteur de seuil 24 que lorsqu'un signal est présent dans l'une des trames d'image et absent de la trame d'image immédiatement précédente (ou suivante) Lorsque le signal dépasse le niveau de seuil, le circuit de commande 25 provoque un échantillonnage des états de sortie de chaque paire diffé- rentielle d'amplificateurs et la mémorisation de ceux-ci dans le registre de sortie 26, et il fait cesser le décala- ge des charges dans le réseau et dans la mémoire de trame 15. Les contenus du registre de sortie 26 sont chassés par impulsions d'horloge à travers le circuit de sortie 27, lequel localise chaque bit contenant un signal L'emplacement de l'élément sensible au rayonnement qui a reçu le rayonne- ment se déduit du nombre de rangées qui ont été lues depuis le début de la trame et du nombre de bits qui ont été lus à la sortie du registre 26 Cette détermination est effectuée par le circuit de sortie 27, auquel des impulsions d'horlo- ge de référence sont également appliquées par l'intermédiai- re du circuit de commande 25 Lorsque le registre de sortie 26 est vide, le processus de transfert de charges par décalage des cellules de mémoire 13 aux éléments de registre 17 est réitéré. Pendant que le transfert de charges par décalage des cellules de mémoire 13 aux éléments de registre 17 est suspendu, on notera que les photosites 10 disposent d'un intervalle de temps additionnel pour accumuler des charges. De ceci s'ensuit que lorsque la trame suivante est sortie des cellules mémoire par décalage, les photosites impres- sionnés auront tous accumulé plus de charge que dans la trame précédente Les amplificateurs différentiels sont sus- ceptibles d'interpréter ceci comme la présence de signaux. Lors de la réitération du décalage, il est par conséquent nécessaire d'effacer la trame suivante dans tout le système sans prendre en considération aucun niveau de charge. Le processus ci-dessus décrit est répété de façon ininterrompue, et il conduit à l'identification de la partie précise du réseau sensible au rayonnement qui réagit à une courte impulsion de rayonnement. Le générateur d'impulsions d'horloge 14 et le circuit de commande 25 n'ont pas été décrits en détail On considère que la description que l'on a donnée ci-dessus de leur fonction est suffisante pour permettre de réaliser facile- ment de tels circuits. R E V E N D I C A T I O N S 1 Appareil détecteur de rayonnement pour la détection d'un signal de rayonnement bref en présence de rayonnement de fond, caractérisé par une multiplicité de dispositifs( 10) sensibles au rayonnement disposés suivant un réseau à deux dimensions et dont chacun est propre à donner lieu à l'emma- gasinage d'une charge électrique proportionnelle à l'énergie radiante tombant sur celui-ci, une multiplicité correspon- dante de cellules de mémoire ( 13)dontchacuneest conjuguée à un dispositif( 10)sie au rayonnement distinct, un ensemble de transfert propre à permettre de transférer répétitivement la charge éventuellement emmagasinée à la cellule de mémoire conjuguée en vue de mémoriser une trame d'image de rayonnement, des moyens à registre( 15)comportantun nombre de positions de mémoire égal au nombre de dispositifs( 10)sensibles au rayonnement et disposés suivant un réseau à deux dimen- sions semblables,un ensemble de décalage propre à faire transiter par décalage répétitif la trame d'image de rayon- nement mémorisée dans les cellules de mémoire pour l'admet- tre dans les moyens à registre( 15) souslaforme d'une série de trains de bits parallèles définis par l'une desdites deux dimensions et à faire sortir simultanément par décalage la trame d'image de rayonnement précédente des moyens à regis- tre( 15),desmoyens détecteurs propres à comparer simultanément le contenu des positions de bits correspondantes de chaque train-de bits à l'admission et à la sortie par décalage des moyens àregistre( 15),un circuit échantillonneur propreà réagir à un signal de sortie en provenance du moyen détecteur associé à l'un des trains de bits pour échantillonner la sortie du moyen détecteur associé à chaque train de bits,et un moyen de sortie propre à réagir aux sorties échantillon- nées de façon à définir la position dans la trame d'image de rayonnement de chaque position de bit donnant lieu à la délivrance d'un signal de sortie par le moyen détecteur. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs ( 10)sensiblesau rayonnement et les cellules de mémoire ( 13) conjuguéessont des dispositifs à semiconducteur à couplage de charge formés en adjacence les uns aux autres sur un substrat commun. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réseau de dispositifs ( 10) sensiblesau rayonnement est un réseau en coordonnées rectangulaires dans lequel les dispositifs sont disposés par lignes le long de l'un des axes de coordonnées, les cellules de mémoire( 13)étant égale- ment disposées par lignes séparant des lignes adjacentes des dispositifs. 4 Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens à registre ( 15) compren- nent une multiplicité de dispositifs à couplage de charge formés sur le même substrat que les dispositifs sensibles au rayonnement et que les cellules de mémoire. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ensemble de transfert et l'ensemble de décalage comportent un générateur d'impulsions d'horloge ( 14) propre à générer -au moins un train d'impulsions d'horloge destinées à être appliquées aux moyens à registre( 15), aux dispositifs ( 10) sensibles au rayonnement et aux cellules de mémoire( 13). 6 Appareil selon l'une quelconque des revendications l à 5, caractérisé en ce que les moyens détecteurs comprennent, pour chaque train de bits, un premier amplifi- cateur( 22)sensibleà la charge transférée dans les moyens à registre( 15) etundeuxième amplificateur( 23)sensible à la charge extraite par transfert des moyens à registre ( 15), les sorties des deux amplificateurs étant connectées de façon à ne délivrer au circuit échantillonneur que la différence entre les signaux de sortie individuels des deux amplificateurs. 7 Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit échantillonneur comporte un circuit à seuil( 24)propreàréagir à celles des sorties des moyens détecteurs qui dépassent un niveau de seuil et un circuit de commande( 25) déclenchépar le circuit à seuil ( 24) afin d'assurer l'application à un registre de sortie d'échantillons instantanés des sorties des moyens détecteurs. 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de sortie comporte des moyens propres à faire passer par décalage le contenu du registre de sortie par un détecteur de sortie( 27) propre à définir la position dans la trame d'image de rayonnement de chaque position de bit contenant une sortie de détecteur dépassant le niveau de seuil. 9 Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le circuit de commande ( 25) est adapté à arrêter le fonctionnement de l'ensemble de trans- fert et celui de l'ensemble de décalage pendant la mémori- sation des sorties de détecteur dans le registre de sortie.