Brevet FR2552289A1 — publié le 19850322

i 2552289 La présente invention se rapporte à une caméra comprenant un imageur à semi-conducteurspar exemple à CCD ou dispositif à couplage de charge. Les caméras portables de télévision ayant des 5 imageurs à semiconducteurs ont commencé à apparaître sur le marché Ces caméras sont très avantageuses par le fait qu'elles sont extrêmement robustes et n'ont pas de mécanisme inhérent de dégradation Elles présentent certains inconvénients en comparaison aux tubes vidicon 10 conventionnels, parmi lesquels la faible résolution, provenant des sites distincts de détection sur la surface photosensible, et également la production d'un bruit non voulu dû à des mécanismes uniques aux imageurs à semi-conducteurs Ces mécanismes de bruit comprennent 15 des courants de fuite au niveau du noir dépendant de la température, qui apparaissent sous la forme d'un signal même en l'absence de lumière Le problème du bruit dû aux sources dépendant de la température est exacerbé par la puissance dissipée dans l'imageur et le circuit 20 de support pendant le fonctionnement, ce qui peut provoquer une augmentation de température de 30 C au-delà des températures ambiantes de l'air. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci 25 apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels: la figure 1 donne un schéma bloc d'une caméra de télévision en couleur; la figure 2 est une vue en perspective d'un montage de l'imageur selon l'invention; les figures 3, 4 et 5 montrent diverses vues 35 arrachées illustrant le montage de l'imageur; 2 2552289 la figure 6 montre en vue arrachée une séquence d'assemblage de l'imageur refroidi; et la figure 7 donne un schéma bloc de l'asservissement thermique par lequel la température est contrôlée. Sur la figure 1, une lentille 10 focalise la lumière visible d'une image (non représentée) audelà d'un obturateur rotatif 12 vers un prisme diviseur de couleur 14 qui divise la lumière selon sa couleur et 10 l'applique à un imageur 16 du rouge (R) un imageur 18 du vert (G) et un imageur 20 du bleu (B) Les imageurs 16, 18 et 20 sont par exemple des imageurs CCD à semiconducteurs du type à transfert de champ Un générateur de signaux d'horloge illustré par un bloc 22 produit des signaux 15 multiphasés d'horloge pour la commande de l'extraction et du transfert des signaux des imageurs Des préamplificateurs des signaux 24, 26 et 28 sont couplés aux imageurs R, G et B respectivement pour en amplifier les signaux et les appliquer à des circuits de traitement 20 illustrés par des blocs 30, 32 et 34 respectivement. Le traitement comprend un traitement ordinaire des signaux de caméra qui peut comprendre un nuancement, une correction de la chute hors limites (DO) une correction du gamma, un blocage et analogues Les signaux traités sont appliqués à des circuits désignés par 36-40 pour l'insertion de la synchronisation et de l'effacement pour produire des signaux vidéo R, G et B sur bande de base pour application à des circuits d'utilisation (non représentés). Les signaux R, G et B sont également appliqués 30 à une matrice 42 qui produit d'une façon connue les signaux Y, I et Q Les signaux I et Q sont appliqués par des filtres passe-bas 44 et 46, respectivement, à un modulateur illustré par un bloc 48 pour une modulation, d'une façon connue, sur une sous-porteuse reçue d'un générateur 50 de sous-porteuses Le signal de couleur 3 2552289 modulé sur la sous-porteuse est additionné au signal Y dans un additionneur 52 pour former un signal composite de télévision en couleur Les signaux Y, I et Q peuvent être appliqués directement à un enregistreur portable sur bande du vidéo sans passer par le modulateur. Un refroidisseur tel qu'un refroidisseur thermoélectrique et son circuit associé illustré par un bloc , est illustré comme étant thermiquement couplé à l'imageur 18 du vert Comme on le décrira ci-après en se référant à la figure 7, des refroidisseurs (non représentés) peuvent être également thermiquement couplés aux imageurs 16 et 20 du rouge et du bleu Un refroidisseur peut être couplé à l'imageur du bleu seul. La figure 2 illustrelen vue en perspective, la structure du montage de l'imageur 18 Une matière de base en plastique ou en céramique 210 est le support majeur de l'ensemble Un refroidisseur thermo-électrique (invisible) se trouve sous le capuchon 212 thermiquement 20 conducteur (métal) pour pomper la chaleur de l'imageur vers la partie supérieure 214 du capuchon 212 Un matériau tressé thermiquement conducteur comme une tresse de cuivre 216 est thermiquement fixé au sommet 214 du capuchon 212 pour aider à éloigner la chaleur du capu25 chon versun dissipateur thermique (non représenté). L'imageur a la forme d'une pastille de circuit intégré qui est trop délicate pour des connexions électriques ordinaires Un ensemble de plots de contact électrique généralement désigné en 220 a des connexions vers l'imageur et permet une connexion électrique appropriée vers une prise La tresse 216 peut être orientée afin de réduire l'interférence avec la connexion à la prise. La figure 3 montrelen plus de détailla structure partiellement arrachée Sur la figure 3 c, on peut voir que la tresse 216 repose à plat contre le sommet 214 4 2552289 du capuchon pour un bon contact thermique Un refroidisseur thermoélectrique généralement désigné en 310 comprend une plaque thermique supérieure ou bus 312 qui porte contre l'intérieur du sommet 214 du capuchon et une plaque thermique inférieure ou bus 314 qui porte contre la surface à refroidir Un matériau semi-conducteur 316 couplé entre les plaques 312 et 314 pompe la chaleur de la plaque 314 vers la plaque 312 lors d'une excitation électrique par du courant continu, d'une façon connue Une fenêtre transparente 320 est montée pour permettre à la lumière d'atteindre la partie photosensible de l'imageur (invisible sur la figure 3). La figure 4 est une vue en coupe transversale 15 correspondant à la figure 3 b, o l'on peut voir la relation de la pastille de l'imageur avec le refroidisseur et la fenêtre Sur la figure 4, une pastille désépaissie d'imagelur 410, liée à une plaque mince en verre 412 est thermiquement liée à la plaque thermique refroidie 20 314 et électriquement connectée par un certain nombre de fils (dont deux sont montrés en 414, 416) à desplots 220 La fenêtre 320 est fixée au corps 210 par un joint adhésif illustré en 420 afin de couvrir l'ouverture 450 de la fenêtre pour former une cavité scellée dans laquelle est monté l'imageur On peut noter qu'il n'y a pas de contact mécanique entre la plaque de verre 412 et le corps 210 et que la seule connexion entre l'imageur 410 et le corps 210 se fait au moyen des fils 414 Comme les fils ont un diamètre extrêmement petit et sont relativement longs par rapport à leur diamètre, ils ont une résistance thermique sensible Par suite, la résistance thermique entre l'imageur 410 et la fenêtre 320 ou le corps 210 est assez élevée, tandis que la résistance thermique entre 35 l'imageur 410 et le bus thermique refroidi 314 est très 2552289 faible La fenêtre 320 est décalée par rapport au centre de l'imageur 410 afin de permettre la lumière de tomber sur le registre "A", qui est le registre qui a été choisi pour détecter la lumière Sur la figure 4 est également visible une paire de fils électriques conducteurs 430 traversant un trou dans le capuchon 212 pour appliquer du courant électrique d'excitation au refroidisseur thermo-électrique 316 Le trou par lequel les fils 430 passent est scellé par un époxy comme cela est 10 illustré en 432. On utilise un gaz sec pour remplir la cavité formée entre le capuchon 212 et la fenêtre 320, cavité dans laquelle réside l'imageur Le manque d'humidité dans le gaz aide à empêcher une précipitation 15 sur l'imageur ou la plaque de verre lorsque l'imageur est refroidi Il est souhaitable d'utiliser un gaz ayant une faible conductivité thermique, afin d'augmenter la résistance thermique entre l'imageur 410 et la fenêtre 320 Des gaz ayant une faible conductivité thermique et électrique sont bien connus, comme un halocarbone gazeux, et le fluorocarbone commercialisé sous le nom de Freon est approprié. La base en matière plastique ou en céramique 210 est mince par rapport à sa longueur et à sa largeur 25 et elle produit une résistance thermique suffisamment faible entre la capuchon en métal 212 et la fenêtre 320 pour être conductrice de la chaleur du capuchon à la fenêtre. Ainsi, le gaz sec à une faible conductivité 30 thermique (avec les fils minces de liaison 414, 416), forme un trajet à relativement faible conductivité thermique entre la surface photosensible refroidie de l'imageur tandis que le capuchon en métal et le trajet relativement court du capuchon à la fenêtre par la base 210 forme un trajet de conductivité thermique relativement 6 2552289 élevéeentre la surface chaude du refroidisseur 310 et la fenêtre 320. La figure 5 montre la structure générale, de manière arrachée, afin d'aider à la compréhension de la structure selon l'invention. La figure 6 montre un processus d'assemblage selon l'invention par lequel est fabriquée la structure illustrée sur la figure 4 Sur la figure 6 a, l'imageur désépaissi 410 lié à la plaque verre 412 est placé sur un joint élastique 610 reposant sur une saillie du montage 210 L'imageur est désépaissi Pour réduire la résistance thermique entre sa surface arrière et la surface photosensible faisant face à plaque de verre 412 L'amincissement améliore également la sensibilité au bleu La 15 figure 6 b montre la liaison des fils entre des points appropriés de l'imageur 410 et les contacts correspondants sur le montage 210 La figure 6 c illustre l'attache d'un capuchon 212 avec un refroidisseur thermoélectrique 310 à la structure de la figure 6 b de façon que le bus thermique 314 presse contre l'imageur 410 qui par conséquent presse la plaque de verre 412 afin decomprimer quelque peu le joint 610 La figure 6 d illustre le résultat de l'enlèvement du joint 610 en le tirant à travers l'ouverture 450 de la fenêtre La figure 6 e illustre la structure avec la fenêtre 320 maintenue en position sur l'ouverture 450 pour former la cavité, scellée Le gaz sec que l'on utilise pour remplir la cavité peut être introduit dans la cavité après montage de la fenêtre 320 par évacuation et remplissage par un 30 petit trou dans le capuchon, ou bien la fenêtre peut être fixée tandis que l'ensemble est immergé dans une atmosphère de gaz. La figure 7 montre, sous forme de schéma-bloc, les circuits de commande et d'entraînement d'un asservissement 35 thermique Sur la figure 7, les connexions dans une partie 7 2552289 du registre "C" de sortie d'un imageur à transfert d'image et de la région d'amplificateur de sortie sont illustrées dans une région délimitée par une surface 710 Les diverses portes d'un imageur à CCD sont marquées par OG, H 1, H 2 et H 3 Ces portes sont attaquées par les signaux polyphasés d'horloge dé générateur 22 de la figure 1 pour forcer des charges représentatives du signal dans des "puits" de la région du type p à se déplacer vers une région de diode de sortie, illustrée 10 par la jonction entre une région N+ et la région du type p Les connexions de porte ne sont pas illustrées en détail parce qu'elles sont bien connues et ne forment le principal de la présente invention A l'extrémité droite du registre C est prévu un amplificateur de sortie 15 généralement désigné en 712 et à la gauche du registre C est prévu un amplificateur de sortie généralement désigné en 714 Les imageurs sont formés avec deux amplificateurs de sortie de façon que les signaux puissent être déclenchés dans chaque direction par ajustement de la phase des signaux d'horloge d'entraînement pour inverser l'image de droite à gauche pour des effets spéciaux ou pour compenser les effets d'un mirroir dans le trajet de la lumière Habituellement, l'on n'utilise qu'un seul amplificateur de sortie et l'autre n'est pas câblé pour 25 une connexion au monde extérieur Dans l'agencement de la figure 7, le signal de sortie est pris à l'amplificateur de sortie 712 auquel sont appliqués les divers signaux d'horloge pour transférer le signal de la diode 711 à une borne de sortie 718 pour un plus ample-traitement. 30 Plusieurs connexions de l'amplificateur de sortie 714 ne sont pas reliées pendant l'opération de liaison, comme cela est indiqué par un "X" Pendant l'opération de liaison ou de jonction, les portes d'un transistor à effet de champ à porte double (FET) 720 de l'amplificateur 35 de sortie 714 sont couplées ensemble et au drain Cela 8 2552289 forme une diode de jonction entre une borne de sortie 722 et la région 724 du type N+ La diode de jonction formée du FET 720 est thermiquement couplée à l'imageur 410 et a tendance à rester soit à la même température que le restant de la pastille ou bien à une température fixe décalée par rapport à elle En conséquence, le FET 720 Oconnecté en diodetautrement inutilisé, peut être utilisé pour détecter la température de la pastille de l'imageur pour aider au fonctionnement d'une boucle 10 de réaction thermique de réglage de température ou asservissement, Naturellement, si l'on utilise l'amplificateur de sortie 714 pour le traitement des signaux, le FET 719 de l'amplificateur 712 sera relié comme une diode de jonction pour la détection de la température. 15 Comme une diode de jonction ne produit pas de tension sensible en l'absence d'un courant la traversant, la production d'une tension de détection dépendant de la température nécessitequ'un courant passe par la diode 720 de détection de température Cependant, on a découvert qu'un 20 écoulement de courant à travers le FET 720 connecté en diode perturbait la production d'une charge représentative de la lumière dans les régions photo-sensibles de l'imageur On a cependant de plus découvert que l'injection de courant dans la diode ne perturbait pas le transfert de 25 la charge des régions photosensibles auxregistresde sortie La borne 722 est par conséquent connectée à une source de courant réglable de forte impédance 730 couplée à une source B+ d'alimentation de courant de déclenchement de B+ ou FET connecté en diode 720 pendant l'inter30 valle d'extraction de l'imageur La source 730 est commandée par le signal de synchronisation d'un générateur 54 de signaux de synchronisation afin d'être conductrice pendant un intervalle d'environ 800 microsecondes pendant l'effacement vertical, qui correspond généralement à l'intervalle d'extraction Suffisamment de courant doit 9 2552289 s'écouler pour produire une tension appropriée de détection, mais pas au point d'élever de manière significative la température de la diode audelà de celle de la pastille l'entourant On a trouvé qu'un courant d'environ 100 mpx A était approprié de ce point de vue Lorsque le courant spécifié s'écoule dans la diode, une tension qui dépend de la température apparaît entre la borne 722 et la masse, et elle est comparée à une tension de réfé10 rence par un comparateur ou amplificateur 732 Sur la figure 7, le comparateur 732 compare la tension de détection à la masse. Pendant l'intervalle d'intégration suivant chaque intervalle d'extraction, la tension de détection 15 baisse à zéro parce que la source de courant 730 est hors circuit En conséquence, la tension d'erreur produite par le comparateur 732 devient nulle Si la tension d'erreur était utilisée pour contrôler directement les refroidisseurs thermo-électriques illustrés 20 en 740-744, les refroidisseurs seraient excités à une faible durée utile ( 800/16 600 = 0,48) et des courants supérieursd'attaque de crête du refroidisseur seraient requis pour maintenir une bonne température de fonctionnement Des courants de crête si élevés ne sont Das avanta25 geux, en particulier pour des caméras portables qui doivent être alimentées par des batteries Afin de maintenir un faible courant d'attaque de crête du refroidisseur, un circuit d'échantillonnage et de maintien (S & H) illustré en 746 est couplé à la sortie du comparateur 732 et il est mis en fonctionnement pendant l'intervalle d'extraction pour stocker la tension d'erreur pendant tout l'intervalle suivant d'intégration afin de faire fonctionner l'amplificateur de puissance 748 pour attaquer les refroidisseurs thermo-électriques 740-744 35 par un courant constant Une impulsion de déclenchement 2552289 du S & H 746 peut être produite par un circuit consistant en une cascade d'un multivibrateur astable 750 à 400 microsecond E couplé à une sortie du générateur de signaux de synchronisation 54 pour être mis à sa condition astable au début de l'intervalle d'extraction et pour produire une impulsion de 400/s après le début de l'intervalle d'extraction, laquelle impulsion déclenche un multivibrateur astable 752 de 5/ps pour déclencher le S & H 746. Le refroidisseur thermo-électrique 744 tel qu'illustré est placé dans un coffret 760 qui représente un couplage thermique entre le refroidisseur 740 et l'imageur 410 Ainsi, la boucle d'asservissement thermique contrôle la température de l'imageur 410, 15 qui est couplé pour recevoir les composantes du vert de la lumière de l'image qui est télévisée Comme les résistances thermiques des imageurs du rouge et du bleu vis-à-vis de l'environnement sont à peu près égales aux résistances thermiques associées à l'imageur du vert, 20 l'application d'une attaque égale de refroidissement aura pour résultat des températures semblables En conséquence, les refroidisseurs thermoélectriques 740 et 742 associés aux imageurs répondant au rouge et au bleu respectivement sont électriquement couplés en série avec 25 le refroidisseur 744 La connexion électrique en série est avantageuse du fait de la résistance électrique relativement faible des refroidisseurs thermoélectriques. Pour des refroidisseurs ayant une plus forte impédance, une connexion électrique en parallèle ou série-parallèle 30 peut être plus avantageuse, comme cela sera évident à ceux qui sont compétents en la matière. D'autres modes de réalisation de l'invention seront évidents à ceux qui sont compétents en la matière. Par exemple, l'imageur refroidi peut répondre au vert ou 35 à la luminance et un seul imageur non refroidi ayant un 11 2552289 damier de couleurs ou un filtre à raies peut être utilisé pour répondre au rouge et au bleu d'une façon connue De même, un seul imageur-filtre à damier répondant au rouge et au bleu peut être refroidi en circuit ouvert par un asservissement thermique contrôlant la température de la pastille du vert Le joint élastique peut être fait de paraffine ou autres substances pouvant être retirées par fusion, plutôt qu'en tirant, ou bien le joint peut être en une substance soluble retirée par un solvant non corrosif L'élément détectant la température peut être une diode formée telle quelle dans la pastille de l'imageur ou bien cela peut être un élément autre qu'une diode, comme par exemple une résistance, qui a une caractéristique température-riésistance plus linéaire qu'une diode Par ailleurs, l'élément détectant la température peut être extérieur à la pastille de l'imageur, et bloqué à la pastille pour détecter la température; cependant, un tel capteur externe estdésavantaqeux par le fait qu'il 20 nécessite un plus ample assemblage et également parce qu'il a tendance à être moins sensible au Kchangements de la température de la pastille. Par ailleurs, un refroidisseur peut être couplé à l'imageur du bleu seul ou particulièrement à l'imageur 25 du bleu mais également aux autres imageurs, pour améliorer le rapport signal-bruit de l'imageur du bleu, en particulier dans les conditions d'un niveau faible de lumière Un asservissement thermique tel que décrit ici est alors de préférence associé à l'imageur du bleu et 30 à son refroidisseur. 12 2552289 R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. Caméra de télévision, caractérisée en ce qu'elle comprend: un moyen imageur à semi-conducteurs( 18) répondant à la lumière visible d'une scène, et un moyen de refroidissement ( 60) relié au moyen imageur pour le refroidir. 2. Caméra selon la revendication i, caractérisée en ce que c'est une caméra de télévision en couleur comprenant au moins un autre moyen imageur ( 16 10 ou 20). 3. Caméra selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le moyen de refroidissement ( 60) comprend un refroidisseur thermo-électrique. 4. Caméra selon la revendication 3, carac15 térisée en ce qu'elle comprend de plus un moyen de commande relié au premier moyen imageur mentionné et au moyen de refroidissement pour contrôler la température du refroidisseur thermo-électrique ( 60) et du moyen imageur. 5 Caméra selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moyen de commande comprend un moyen détectant la température ( 720, 730) thermiquement couplé au premier moyen imageur mentionné pour produire un signal représentant la température détectée, une source 25 d'un signal de référence (masse) représentant une température de référence, et un moyen d'entraînement ( 732, 746, 748) pour exciter le refroidisseur thermo-électrique ( 60) selon les températures détectées et de référence pour contrôler sa température. 6 Caméra selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moyen d'entraînement comprend un comparateur ( 732) pour comparer le signaux représentant des températures détectées et de référence. 13 2552289 7. Caméra selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que le moyen détectant la température ( 720, 730) comprend un dispositif à semi-conducteurs sensible à la température ( 720) faisant corps avec le moyen imageur à semi-conducteurs ( 18). 8. Caméra selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif est un moyen à résistance thermosensible. 9. Caméra selon la revendication 7, caractérisée 10 en ce que le dispositif comprend une diode de jonction. 10. Caméra selon l'une quelconque des revendications 7, 8 ou 9, caractérisée en ce que le moyen détectant la température comprend de plus une source de courant ( 730) pour injecter un courant prédéterminé dans 15 le dispositif sensible à la température afin de produire le signal représentant la température détectée. 11. Caméra selon la revendication 10, caractérisée en ce que: le moyen imageur explore une grille en images 20 récurrentes d'intervallesséquentielsd'intégration et de transfert; et un moyen de synchronisation ( 54) contrôle cette exploration; et un moyen couplé à ladite source de courant et audit moyen de synchronisation découple la source de 25 courant du dispositif ( 720) pendant les intervalles récurrents d'intégration pour empêcher le courant injecté de perturber la production du signal représentatif de l'image. 12. Caméra selon la revendication 11, caracté30 risée en ce qu'elle comprend un filtre ( 746) pour maintenir le fonctionnement du moyen de refroidissement pendant les intervalles récurrents. 13. Caméra selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisée en ce que le premier imageur 35 à semi-conducteurs mentionné ( 20) auquel est couplé le 14 2552289 moyen derefroidissement ( 60) est agencé pour répondre à la lumière bleue de la scène et l'autre moyen imaaeur ( 18) est agencé pour répondre à la lumière d'une couleur autre que le bleu. 14 Caméra selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisée en ce que le premier moyen imageur à semi-conducteurs mentionné ( 18) auquel est couplé le moyen de refroidissement ( 60) est agencé pour répondre à la lumière du vert de la scène et l'autre moyen imageur ( 16, 20) est agencé pour répondre à la lumière d'une couleur autre que le vert. 15. Caméra selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisée par un autre moyen de refroidissement couplé à l'autre moyen imageur, l'autre 15 moyen de refroidissement étant contrôlé par le moyen de commande. 16. Camera selon la revendication 15, caractérisée en ce que le premier moyen imageur mentionné est agencé pour répondre à la lumière verte et l'autre moyen imageur est agencé pour répondre au moins à la lumière rouge ou la lumière bleue.