Brevet FR2537813A1 — publié le 19840615

PROCEDE DE REGLAGE DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT D'UN DISPOSITIF PHOTOSENSIBLE A TRANSFERT DE CHARGE ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé de réglage des conditions de fonctionnement d'un dispositif photosensible à trans- fert de charge utilisé principalement dans le cas de très faibles éclairements ainsi qu'un -dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé. Les dispositifs photosensibles à transfert de charge concernés par la présente invention sont les dispositifs à charge couplée appelés en terminologie anglo-saxonne "Charge coupled devices" ou "C.C D" de type surfacique ou éventuellement linéaire dans lesquels le rayonnement lumineux est envoyé sur des registres à transfert de charge Ces dispositifs sont maintenant bien connus en eux-mêmes et sont décrits notamment dans l'ouvrage de CH Sequin et M F. Tompsett intitulé "Charge transfer devices" page 142 et suivantes. En fait, les dispositifs à transfert de charge concernés par la présente invention sont tous les dispositifs à charge couplée liné- aires ou surfaciques à trois ou quatre phases de commande. Dans les dispositifs photosensibles à transfert de charge de l'art antérieur, la tension de polarisation des registres à transfert de charge des zones image et mémoire est définitivement fixée quel que soit le niveau d'éclairement reçu par la zone image Toutefois cette tension de polarisation détermine la profondeur du puit de potentiel créé sous lesdits registres, à savoir la capacité de stockage en porteurs minoritaires Il en résulte que, dans le cas d'un niveau d'éclairement très inférieur au niveau d'éclairement de saturation choisi, le niveau de remplissage du puit de potentiel sera très faible. Or la profondeur du puit de potentiel a une influence directe ou indirecte sur un certain nombre d'éléments tels que le courant d'obscurité, le bruit dû aux phases de commande, etc. La présente invention a pour but de remédier aux incon- vénients mentionnés ci-dessus en proposant un procédé de réglage des conditions de fonctionnement d'un dispositif à transfert de charge ainsi qu'un dispositif pour sa mise en oeuvre qui permettent de diminuer le courant d'obscurité et la consommation et de réduire le bruit dû aux phases de commande. La présente invention a pour objet un procédé de réglage des conditions de fonctionnement d'un dispositif photosensible à trans- fert de charge dans lequel la zone photosensible est constituée par des registres à transfert de charge dont les électrodes sont reliées à une tension de polarisation périodique caractérisé en ce qu'il con- siste, pour chaque cycle d'intégration des charges induites par l'image lumineuse à analyser, à calculer l'amplitude totale du signal correspondant à ladite image, à comparer l'amplitude à une valeur de seuil fonction de la valeur de saturation fixée par ladite tension de polarisation et à moduler l'amplitude des puits de potentiel créés par ladite tension de polarisation en fonction du résultat de la comparaison. Par image lumineuse, on entend dans la présente invention, non seulement la détection des longueurs d'onde visibles mais aussi de celles qui les entourent notamment dans l'infra-rouge. La modulation de l'amplitude des puits de potentiel peut être réalisée en modulant soit le niveau haut, soit le niveau bas de la tension de polarisation appliquée sur les électrodes, à savoir des phases de commande des registres à transfert de charge Cette modulation peut être obtenue par divisions ou multiplications suc- cessives de préférence par deux, de la tension de polarisation appliquée sur les électrodes, cette tension de polarisation restant incluse entre des limites inférieure et supérieure données Comme la tension de saturation des puits de potentiel ainsi créés est une fonction linéaire de la tension de polarisation des phases de com- mande des registres à transfert de charge, en divisant ou en multipliant par un entier ladite tension de polarisation, on diminue ou on augmente en conséquence l'amplitude des puits de potentiel, à savoir leur capacité. 25378 'i 3 La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour calculer, pour chaque cycle d'intégration d'une image lumineuse, l'amplitude du signal vidéo correspondant à ladite image, des moyens pour comparer l'amplitude calculée à une valeur fonction de la valeur de saturation corres- pondant à la tension de polarisation appliquée sur les registres à décalage et des moyens pour moduler l'amplitude des puits de potentiel créés par ladite tension de polarisation en fonction du résultat de la comparaison. De préférence les moyens pour moduler l'amplitude des puits de potentiel sont constitués par des éléments divisant la tension de polarisation par deux si l'amplitude du signal vidéo est inférieure à une fraction de la tension de saturation correspondante sous réserve que la tension de polarisation soit supérieure à une valeur minimale donnée et par des éléments multipliant la tension de polarisation par deux si l'amplitude du signal vidéo est supérieure à la tension de saturation correspondante sous réserve que ladite tension de pola- risation soit inférieure à une valeur maximale donnée. D'autre caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé, faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma sous forme de blocs d'un mode de réalisation de l'asservissement mis en oeuvre pour obtenir la modu- lation de l'amplitude des puits de potentiel créés sous les électrodes des registres à transfert de charge; la figure 2 a est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif photosensible surfacique à transfert de trame du type à quatre phases de commande, la figure 2 b représente les niveaux des potentiels de surface lors de l'intégration des charges selon un premier mode de mise en oeuvre du procédé de la présente invention et la figure 2 c est une vue semblable à celle de la figure 2 b selon un second mode de mise en oeuvre; la figure 3 représente le diagramme des temps habituel des signaux de commande appliqués sur les registres de la zone image du dispositif de la figure 2 a; la figure 4 représente le diagramme des temps des signaux de commande correspondant à la figure 2 b. Dans les figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments Toutefois pour des raisons de clarte, les cotes et proportions ne sont pas respectées. On décrira tout d'abord avec référence à la figure 1, un mode de réalisation du circuit d'asservissement associé au dispositif photosensible à transfert de charge ou photosenseur permettant de réaliser la modulation de l'amplitude des puits de potentiel créés sous les électrodes des registres constituant la zone photosensible du photosenseur conformément à la présente invention de manière à adapter la profondeur des puits de potentiel à l'éclairement reçu. La référence 1 représente le signal correspondant à l'image lumineuse reçue pendant un cycle d'intégration, à savoir une trame du photosenseur Ledit signal est envoyé dans un intégrateur 2 de manière à calculer la tension de l'ensemble des points formant l'image lumineuse Dans ila présente invention on effectue l'inté- gration du signal correspondant à une trame afin de prendre en compte l'éclairement de l'ensemble de l'image lumineuse et non l'éclairement d'un point La tension V obtenue en sortie de l'inté- grateur 2 est envoyée dans un comparateur 3 o elle est comparée à une tension de seuil égale, par exemple à la tension de saturation correspondant à la tension de polarisation appliquée sur les élec- trodes des registres de la zone photosensible, comme cela sera expliqué en détail ci-après Si la tension V est supérieure à la tension de saturation, on compare alors dans le comparateur 4 la tension de saturation Vsat à sa valeur maximale Vsat max Si Vsat est inférieure à Vsat max, on multiplie par deux par exemple, à l'aide du circuit 5, l'amplitude de la tension de polarisation appliquée sur lesdites électrodes Dans le cas inverse, ladite amplitude reste inchangée, comme représenté par la ligne L sur la figure 1 Si au contraire la tension V est inférieure à la tension de saturation, on compare alors dans le comparateur 6 la tension V à une tension égale à Vat Si la tension V est supérieure à cette dite tension, n l'amplitude de la tension de polarisation appliquée sur les électrodes reste inchangée comme représenté par la ligne L' Si au contraire la tension V est inférieure à la tension Vsat, alors on compare à l'aide n du comparateur 7 Vsat à Vsat min Si Vsat est inférieure à Vsat min, la tension de polarisation appliquée sur les électrodes reste in- changée comme représenté par la ligne L" sur la figure 1, mais si Vsat est supérieure à Vsat min, la tension de polarisation appliquée sur les électrodes est divisée par deux par exemple à l'aide du circuit 8 Les circuits 5 et 8 peuvent être constitués par exemple par des potentiomètres permettant de régler l'amplitude de la tension de polarisation des électrodes ou grilles des registres de la zone photosensible à savoir l'amplitude des phases de commande ( 9 >. Le circuit 9 de réglage d'amplitude des phases agit sur le générateur de phases 10 pour envoyer sur le dispositif photosensible 12 des phases de commande dont l'amplitude a été modifiée selon le diagramme des temps représenté à la figure 4 par exemple et symbolisé par la référence 11 dans la figure 1. D'autre part, la référence 13 désigne un circuit permettant de calculer Vsat à partir de la tension de polarisation appliquée sur les électrodes sachant que Vsat est une fonction linéaire de ladite tension de polarisation et la référence 14 désigne un circuit diviseur donnant V-5 at La flèche F indique que l'on utilise l'image lumineuse donnée par le DTC pour calculer la tension V. On décrira maintenant avec référence à la figure 2 a un mode de réalisation du dispositif photosensible à transfert de charge 12 Il s'agit d'un dispositif photosensible surfacique du type à transfert de trame formé de manière connue d'un ensemble de registres à décalage à transfert de charge verticaux dont la moitié supérieure est photosensible et constitue la zone image 100 et dont la moitié inférieure sert au stockage temporaire des charges et constitue la zone mémoire 101 avec interposition entre la zone image 100 et la zone mémoire -101 d'une grille de transfert 102 commandée indépen- damment () Le dispositif 12 comporte de plus un registre à décalage à transfert de charge à entrées parallèles et à sortie série non représenté, ledit registre ayant pour but de recevoir en entrée les charges provenant des registres verticaux et de les transférer vers un étage de lecture Les registres à décalage verticaux de la zone image 100 et de la zone mémoire 101 sont formés de manière connue d'un réseau -de capacités MOS adjacentes séparées les unes des autres par un intervalle très faible A titre d'exemple, les capacités MOS peuvent être obtenues en recouvrant un substrat en silicium de type P ou de type N d'une couche d'oxyde de silicium sur laquelle on réalise des grilles ou électrodes en silicium polycris- tallin Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que d'autres matériaux peuvent être utilisés tels que arséniure de gallium pour le substrat et un métal pour les grilles D'autre part comme représenté à la figure 2 a, le dispositif photosensible est un dispositif à quatre phases de commande et en conséquence les électrodes des registres sont reliées respectivement aux phases c 2, '03 t 04, pour la zone image et O Ip 1 2 ' 03 ' 04 pour la zone mémoire Toutefois, le dispositif photosensible utilisé dans la présente invention peut aussi être tout dispositif photosensible dans lequel le transfert est rendu unilatéral -par l'emploi de plusieurs phases de commande. On décrira maintenant avec référence en particulier aux figures 2 b, 2 c, 3 et 4, le fonctionnement conformément au procédé de la présente invention, du dispositif photosensible décrit ci-dessus. Lorsque la tension du signal reçu est inférieure à la tension seuil et qu'aucune modulation de l'amplitude de la tension de polarisation, à savoir des phases, n'a été effectuée, on applique sur les grilles ou électrodes de la zone image des phases de commande 01, 02, 03 O selon le diagramme de la figure 3 Les temps T et T' représentent-respectivement les trames impaires et paires, T 1 et T'1 représentant la durée trame et T 2 et T'2 la durée de suppression de trame Dans ce cas, pendant le temps T 1, des charges correspondant aux photons lumineux reçus sont intégrées sous les grilles com- 25378 i 3 mandées par 01 et 02 et pendant le temps T'1 des charges sont intégrées sous les grilles commandées par 03 et 04 les charges ainsi intégrées sont ensuite transférées pendant les temps T 2 et T'2 de la zone image 100 vers la zone mémoire 101, la grille de transfert 102 se trouvant alors à un niveau haut. Toutefois, si la tension de l'image lumineuse est inférieure à Vsat avec Vsat supérieure à Vsat min, alors conformément au procédé de la présente invention on divise la tension de polarisation à savoir l'amplitude des phases de commande par deux et on obtient le diagramme de temps des phases représenté à la figure 4 Avec le diagramme de temps de la figure 4, on obtient pendant le temps d'intégration des charges T 1, un niveau des potentiels de surfaces sous les électrodes de la zone image et de la zone mémoire tel que représenté à la figure 2 b On voit donc sur cette figure que la profondeur des puits de potentiel créés sous les grilles correspondant à 01 et 02 est légèrement inférieure à la moitié de la profondeur des puits de potentiel créés dans le cas d'une tension de polarisation normale comme représenté en tireté dans la figure 2 b On a représenté le cas o la tension de polarisation a été divisée une seule fois par deux' Toutefois, si nécessaire, cette tension de polarisation peut à nouveau être divisée par deux en fonction de l'éclairement reçu et la profondeur des puits de potentiel sera diminuée en conséquence, cette opération pouvant être répétée ou inversée jusqu'à obtenir une profondeur des puits de potentiel satisfaisante en fonction de l'éclairement reçu sous réserve que la tension de polarisation reste à l'intérieur de valeurs limites données. D'autre part, au lieu de modifier le niveau haut des phases de commande comme représenté à la figure 2 b, il est aussi possible de moduler le niveau bas des phases de commande comme représenté à la figure 2 c sous réserve que ce niveau bas soit différent de la masse et reste supérieur au potentiel substrat. De plus, avec le procédé décrit ci-dessus, il peut être intéres- sant dans le cas de faibles éclairements d'accroître la dynamique de fonctionnnement au détriment de la résolution en regroupant les charges correspondant à deux ou plusieurs points Pour obtenir ce résultat, on bloque la remise à niveau après le signal du premier point de manière à effectuer la remise à niveau qu'une fois sur deux. Dans ce cas, le signal est multiplié par 2, le bruit photonique par \VT et le bruit de lecture n'intervient qu'une fois Le rapport signal/bruit est donc multiplié par V 2 au minimum. REVENDICATIONS 1 Un procédé de réglage des conditions de fonctionnement d'un dispositif photosensible à transfert de charge dans lequel la zone photosensible est constituée par des registres à transfert de charge dont les électrodes sont reliées à une tension de polarisation périodique caractérisé en ce qu'il consiste, pour chaque cycle d'intégration des charges induites par l'image lumineuse à analyser, à calculer l'amplitude totale du signal correspondant à ladite image, à comparer l'amplitude à une valeur de seuil fonction de la valeur de saturation fixée par ladite tension de polarisation et à moduler l'amplitude des puits de potentiel créés par ladite tension de polarisation en fonction du résultat de la comparaison. 2 Un procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la modulation de l'amplitude des puits de potentiel est réalisée en modulant le niveau haut de la tension de polarisation appliquée sur les électrodes des registres à transfert de charge. 3 Un procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la modulation du niveau de la tension de polarisation est obtenue par divisions ou multiplications successives de ladite tension de polari- sation, cette tension restant incluse entre des limites inférieure et supérieure données. 4 Un procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la modulation de l'amplitude des puits de potentiel est réalisée en modulant le niveau bas de la tension de polarisation si ledit niveau bas est différent de la masse et supérieur au potentiel substrat. 5 Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 2) pour calculer, pour chaque cycle d'intégration d'une image lumineuse, l'amplitude du signal vidéo correspondant à ladite image, des moyens ( 3) pour comparer l'amplitude calculée à une valeur fonction de la valeur de saturation correspondant à la tension de polarisation appliquée sur les registres à décalage et des moyens ( 4 à 9) pour moduler l'amplitude des puits de potentiel créés par ladite tension de polarisation en fonction du résultat de la com- paraison. 6 Un dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyens pour moduler l'amplitude des puits de potentiel sont constitués par un circuit ( 6, 7, 8) de division par deux de la tension de polarisation si l'amplitude calculée est inférieure à une fraction de la valeur de seuil et si la tension de polarisation est supérieure à sa valeur minimale et par un circuit ( 4, 5) de multiplication par deux de la tension de polarisation si l'amplitude calculée est supérieure à la valeur de seuil et si la tension de polarisation est inférieure à sa valeur maximale.