Brevet FR2563035A1 — publié le 19851018

La présente invention concerne un système de-formation et de mémorisation d'image numerique. Plus particulièrement l'invention concerne un dispositif de formation d'image a semi-conducteur organise en matrice d'éléments, chaque elé- ment comportant une partie photosensible couplée à un point mémoire le tout constituant un unique circuit intégré obtenu par exemple par la technique MsOS. Les circuits intégrés du genre spécifié ci-dessus sont notoirement connus. Jusqu'a présent, la plupart des systèmes de formation d'image sont basés sur des capteurs qui fournissent des signaux analogiques et nécessitent donc une conversion analogique/numerique pour pouvoir stocker les informations necessaires un traitement numérique. De plus les circuits de mémorisation et les capteurs sont réalisés le plus souvent de façon indépendante voire par des boitiers inàé- pendants. L'invention concerne donc un dispositif de formation et de mémorisation d'image numérique qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs antérieurs De plus le dispositif selon l'invention intègre a chaque élément la fonction de conversion ce qui constitue l'une de ses originalités. Dans le dispositif de formation et de mémorisation d'image a semiconducteur selon l'invention, la partie photosensible est constituée par une diode a jonction PN tandis que la partie mémorisation est constituée par un point memoi- re classique statique ou dynamique. Plus particulièrement l'invention concerne un dispositif photoélectrique comprenant un grand nombre de photo-diodes disposées rdgulièrement (par exemple en matrice rectangulaire) a la surface du circuit intégré, chaque dispositif photoélectrique étant couplé a un point mémoire le tout dans un substrat semi-conducteur. La figure 1 présente le dispositif de formation mémorisation d'image pour une mémoire statique. Dans ce dispositif le point 1 est porté par des connexions appropriées une tension positive par exemple 5 volts relativement au point 2 porté par des connexions appropriées a la masse (potentiel de référence égal à 0 volt). La diode 3 constitue l'élément photosensible. Le transistor dslEze 4 et le transistor enrichi 5 constituent un inverseur, le transistor 4 servant de transistor de charge alimenté par une tension positive (par exemple 5 volts) appliquée par des connexions appropriées au point 6.L'élément 7 repré- sente le point mémoire (statique dans le cas de cette description) et les dis?o- sitifs permettant de réaliser sélectivement une lecture ou une écriture de ce point. La réalisation de cet élément 7 est bien connue et est indépendante de l'invention. La figure 2 représente de façon simplifiée #la diode 3 vue en coupe verticale dans le dispositif semi-conducteur. La diode est réalisée par une diffusion N+ (12) selon la technologie NMOS sur du substrat P (8). Le substrat 8 est porté a un potentiel négatif (par exemple entre O et - 2,5 volts). La diffusion N 12 est reliée par un contact approprié au point marqué 9 sur la figure 1. La zone 13 est la zone de charge d'espace caractéristique de la jonction PN dont la taille varie essentiellement en fonction des concentrations d' impuretés N et P et de la différence de potentiel entre 8 et 12. Le fonctionnement du dispositif présenté a la figure 1 peut être décrit de la façon suivante. Dans un premier temps que l'on nommera précharge, les en trées de commande 14 et 15 doivent être le siège d'une tension positive (par exemple 5 volts) suffisante pour rendre les transistors 10 et 11 (respectivement) conducteurs. Dès cet instant la capacité de grille du transistor 5 va se charger positivement et va imposer l'écriture d'un "O logique" dans le point mémoire 7. Pour réaliser une saisie-mémorisation d'une image, la diode 3 doit être éclairée après quoi l'entrée de commande 14 doit être le siège d'une tension permettant de bloquer le transistor 10 (par exemple 0 volt). La diode étant éclairée, des paires d'electrons-trous vont se former dans et aux abords de la jonction PN. Du fait de la recharge décrite ci-dessus la diode est polarisée en inverse au moment de la saisie et les paires d'électrons-trous vont être collectées par la jonction PN. Du fait de la polarisation inverse un courant I du au courant de génération et au courant de diffusion de la jonction PN va circuler du point 9 au substrat 8 et va contribuer a décharger la grille du transistor 5. Si la capacité de grille du transistor 5 atteint un potentiel inférieur a la tension de seuil (par exemple O, 7 volt) l'inverseur basculera et imposera un changement de la valeur logique du point mémoire 7. La décharge de la capacité de grille du transistor 5 sera d'autant plus rapide que le courant I sera fort.Le courant I dépend essentiellement de l'intensité d'éclairement et de la surface de diode 3 exposée a cet éclairement. Comme littérature qui de façon théorique traite des principes physiques fondamentaux dont les effets sont utilisés dans le dispositif selon l'invention, on peut se reporter à "Physics of Semiconductor Devices" (deuxième sédition), S.M. SZE, Wiley Eidteur, New York 1981. Pour stopper la saisie le transistor 11 devra être bloqué en imposant sur sa grille 15 une tension convenable (gar exemple 0 volt). Le temps de saisie, temps pendant lequel le transistor 10 est bloqué et le transistor 11 est passant, devra être réglé en fonction de l'intensité de l'éclairement et de la sensibilité du dispositif ; ce réglage est analogue a celui du temps de pose d'un appareil de photo en fonction de l'intensité lumineuse et de la sensibilité du film utilisé. La sensibilité du dispositif décrit ci-dessus pourra être également modifiée en jouant sur les valeurs des potentiels appliqués en 1, 6 et 8. Le temps de saisie devra néanmoins être largement inférieur au temps de décharge de la capacité de grille du transistor 5 lorsque cette décharge est réalisée uni quement par les courants de fuite inhérents a la technologie de réalisation. Si la photodiode 3 est couplée en 7 a un point mémoire dynamique, le même montage que celui décrit à la figure 1 peut être utilisé. Toutefois lorsque le point mémoire est réalisé a l'aide d'un dispositif de type capacitif il est possible de réaliser la même fonction que celle décrite ci-dessus en reliant par un contact approprié le conducteur diffusé N+ de la diode photosensible a la borne appropriée de la Capacité de mémorisation. Dans ce cas l'ensemble des points mémoire devra être préchargé au "1 logique" par une écriture avant que la saisie de l'image numérique ne soit réalisée. Le temps de saisie est alors le temps séparant deux opérations successives de rafraichissement de la mémoire. Le réglage du temps de saisie se fait donc en jouant sur la fréquence de rafrai- chissement de la mémoire. Dans la description ci-dessus, l'image captée et mémorisée est une image binaire c'est-à-dire que chaque point de l'image n'est codé que sur un seul bit. Toutefois le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour former des images à plusieurs niveaux de gris en réalisant des saisies successives correspondant chacun à des temps de saisie différents. Les valeurs successives prises en chaque point de l'image constituent un codage sur plusieurs bits de 1' inten- site lumineuse reçue en ce point. Ces valeurs peuvent être soit extraites du circuit après chaque saisie, soit stookees dans le circuit lui-même par cons traction en 7 d'un dispositif de mémorisation approprié (par exemple un registre à décalage). Le circuit Intégré sur lequel sera réalisée la matrice d'éléments décrits ci-dessus sera soumis à un rayonnement lumineux constitué de telle sorte que l'image à observer soit dans le plan du circuit (par exemple en utilisant un dispositif optique approprié). Une bonne réalisation du circuit et un usage convenable de ses fonctions de commande permettent que l'image soit présente en permanence et ne nécessitent pas le seul éclairage sélectif des jonctions PN photosensibles. Il est toutefois possible d'améliorer la précision du dispositif en recouvrant toutes les parties non photosensibles du circuit par une couche opaque a la lumière. Par ailleurs le dispositif peut être utilisé pour former des images multispectrales en recouvrant les diodes photosensibles d'un matériau filtrant qui ne laisse passer que la lumière correspondant a un intervalle de longueur d'onde fixee. En utilisant plusieurs matériaux filtrant différents et en regroupant plusieurs photodiodes telles que chaque photodiode soit recouverte d'un matériau filtrant différent, il est possible d'organiser géométriquement le dispositif de façon a former a chaque saisie, différentes images monochromatiques, chacune de ces images étant formée dans le domaine de longueur d'onde correspondant au filtre utilisé pour former cette image. Comme cela ressort de la description faite ci-dessus, en raison de la réception de la lumière par une diode a jonction PN et par une mémorisation du signal reçu il est possible de réaliser un dispositif de formation d'image et de mémorisation de l'image formée. L'information est alors directement exploitable par un système de traitement d'informations numériques. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné a l'acqui- sition et au stockage d'images numeriques.A titre d'exemple et sans que cela soit limitatif, on peut citer comme applications la saisie et la mémorisation dtimagesnumeriques pour reconnaissance d'objets en robotique, la reconnaissance de caractères multipolices, la détection de cellules en biologie. REVENDICATIONS 1) Dispositif de formation et de mémorisation d'image numérique a semiconducteur caractérisé en ce qu'il comporte un substrat semi-conducteur d'un premier type de conductibilité et comprenant une partie de surface prIncipale, un ensemble d'éléments chacun comportant une partie de photodiode comprenant une diode à jonction PN qui comporte une région d'un second type de conductibilité diffusée dans ladite partie de surface principale constituant une partie photo- sensible, chacun des éléments dudit ensemble comprenant outre ladite photodiode une partie de système à effet capacitif dont une des électrodes dite de charge initiale est reliée au conducteur diffusé de ladite jonction PN ; chacun des éléments dudit ensemble comprenant de plus une partie de transistor de commuta- tion à métal-oxyde-semi-conducteur comprenant une électrode de commande permet- tant ce charger positivement l'électrode dite de charge initiale de ladite partie de système capacitif ; chacun des éléments dudit ensemble comprenant de plus soit une partie de transistor de commutation à métal-oxyde-semi-conducteur dont la capacité de grille réalise ledit système capacitif, ladite grille se déchar- geant sous l'effet d'un courant circulant en inverse dans la jonction PN de ladite photodiode lorsque ladite photodiode est soumise à un éclairement, le transisitor de commutation à métal-oxyde-semi-conducteur dernièrement décrit servant de transistor signal d'un Inverseur dont la sortie est reliée à l'entrée d'un point mémoire par l'intermédiaire d'un transistor de commande constituant la commande de saisie de l'information, soit une partie de mémorisation de type dynamique constituée essentiellement par ledit système à effet capacitif ledit système capacitif se déchargeant de façon analogue à celle décrite dans l'alternative précédente. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble d'éléments est disposé régulièrement à la surface dudit substrat semiconducteur. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il peut être obtenu par la mise en oeuvre de la technologie MOS. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps de prise en compte de la décharge dudit système capacitif peut être réglé par l'intermédiaire soit dudit transistor de co=ande de saisie, soit d'un cycle de rafraichissenent de ladite partie de mé=#risation de type dynamique, parae#tant ainsi de faire varier la senslbillte du dispositif. 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sensibilité dudit dispositif peut être réglée en faisant varier un ou plusieurs des potentiels suivants : potentiel de charge initiale de 1'électrode dite de charge initiale dudit système capacitif, potentiel d'alimentation général dudit dispositif, potentiel dudit substrat semi-conducteur. 6) Dispositif delon les revendications 1, 4 et 5, caractérisé en ce qu'il permet d'obtenir des images à plusieurs niveaux de gris en réalisant une série de saisies successives en faisant varier entre chaque saisie la sensibilité du dispositif, chaque image ainsi formée étant soit extraite directement du dispositif, soit enmagasinée dans une partie de mémorisation à plusieurs bits associée à chaque élément de saisie. 7) Dispositif selon les revendications 1, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que la surface de chaque photodiode soumise à l'éclairement peut être plus ou moins grande permettant ainsi de réaliser des dispositifs adaptés a des conditions d'éclairement différentes. 8) Dispositif selon les revendications 1, 4, 5, 6 et 7, caractérisé en ce qu'il permet d'obtenir des images multispectrales, l'ensemble desdites diodes photosensibles étant divisé en plusieurs groupes, chaque groupe étant régulièrement disposé à la surface dudit substrat et les parties photosensibles de chaque groupe étant recouverte d'un matériau filtrant laissant passer la longueur d'onde caractéristique du groupe.