Brevet FR2598019A1 — publié le 19871030

PROCèDE D'UTILISATION D'UNE MATRICE PHOTOSENSIBLE A TRANSFERT DE CHARGE, ET MATRICE PHOTOSENSIBLE AINSI UTILISEE La présente invention concerne un procédé d'utilisation d'une matrice photosensible à transfert de charge. Elle concerne également les matrices photosensibles utilisées selon ce procédé. L'invention s'applique aux matrices photosensibles à transfert de charge qui sont associées à un registre de lecture et à un circuit de commande, susceptible de fournir à la matrice et au registre des signaux de commande en vue d'assurer la lecture de la matrice. C'est le cas des dispositifs photosensibles à transfert de ligne, à transfert de trame, à transfert interligne....De tels dispositifs sont bien connus de l'Art Antérieur. Un mode de réalisation de ces dispositifs est donné dans l'ouvrage intitulé "Charge Transfer Devices", par C.H.SEQUIN et M.F. TOMPSETT, édité par Academic Press Inc, pages 152 à 157. L'invention s'applique aussi bien lorsque ces dispositifs fonctionnent en trame unique, pour l'utilisation en imagerie rapide, (video rapide, spectrométrie...), que lorsque ces dispositifs fonctionnent de façon répétitive, pour l'obtention d'images de télévision par exemple. Il est d'usage, dans l'Art Antérieur, de lire en totalité les dispositifs photosensibles dont il vient d'être question. C'est le fonctionnement standard. Le circuit de commande fournit à la matrice et au registre des signaux de commande assurant d'une part, une série de transferts des informations contenues dans chaque ligne de la matrice vers le registre de lecture et d'autre part, une série de transferts des informations contenues dans chaque étage du registre vers la sortie du registre. Pour l'utilisation en imagerie rapide plus particulièrement, il est bien sûr possible d'augmenter la rapidité de lecture de ces dispositifs photosensibles à transfert de charge en augmentant la fréquence des horloges de transfert. On peut agir sur la fréquence de transfert des informations de chaque ligne de la matrice vers la ligne voisine, en direction du registre, ainsi que sur la fréquence de transfert des informations d'un étage du registre au suivant, vers la sortie du registre. Cette augmentation de la vitesse des transferts est limitée par la technologie propre du dispositif, en particulier par la résistance des grilles et par les capacités parasites, et l'augmentation de la vitesse des transferts apporte une dégradation de la résolution. L'invention concerne un procédé d'utilisation de matrices photosensibles à transfert de charge permettant une grande souplesse d'utilisation en vue d'établir, pour une utilisation donnée, le meilleur compromis entre les critères suivants: - la rapidité de lecture; - la sensibilité - la résolution. La présente invention concerne un procédé d'utilisation d'une matrice photosensible à transfert de charge, associée à un registre de lecture et à un circuit de commande, susceptible de fournir à la matrice et au registre des signaux de commande en vue d'assurer la lecture de la matrice, caractérisé en ce qu'il consiste à modifier les signaux de commande assurant un fonctionnement standard de la matrice et du registre, c'est-à-dire assurant lors de la lecture de la matrice, d'une part, une série de transferts des informations contenues dans chaque ligne de la matrice vers le registre de lecture et d'autre part, une série de transferts des informations contenues dans chaque étage du registre vers la sortie du registre, et en ce que cette modification consiste à diminuer le nombre de transferts effectués lors d'au moins l'une des séries de transferts assurant la lecture de la matrice. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - les figures 1, 2, 3, des schémas de dispositifs photosensibles mettant en oeuvre diverses variantes du procédé selon l'invention; - la figure 4 et les figures Sa, b, et c, le schéma d'un dispositif de lecture d'un dispositif photosensible selon l'invention et son chronogramme; les figures 6, 7a à f et 8a à d, un schéma illustrant un procédé d'utilisation d'une matrice photosensible selon l'invention, et deux chronogra mmes. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de - clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. La figure I représente de façon schématique un dispositif photosensible mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. On désigne par la référence I la matrice photosensible et par la référence 2 le registre de lecture. Il s'agit d'un registre à décalage à transfert de charge dont les dimensions sont telles qu'il peut recevoir successivement le contenu de chaque ligne de la matrice. Il est d'usage de définir ces matrices photosensibles comme étant constituées de points photosensibles disposés selon des lignes et des colonnes. Un signal de commande H permet de transférer le contenu v d'une ligne de la matrice dans la ligne située juste au-dessus, ainsi le contenu de la ligne située tout en haut de la matrice est transférée dans le registre. Une fois le registre chargé, un signal de commande Hh permet de transférer le contenu de tout le registre vers sa sortie S. Ensuite une nouvelle ligne est chargée dans le registre et ainsi de suite jusqu'à ce que toutes les lignes de la matrice soient lues. La structure qui est représentée sur la figure 1, où l'on voit une matrice photosensible accolée à un registre à décalage pouvant recevoir le contenu d'une ligne de la matrice, se retrouve aussi bien dans les dispositifs à transfert de ligne, à transfert de trame ou interlignes. Sur la figure 1, on n'a pas représenté le circuit de commande qui foumit les signaux d'horloge H h et H v Comme cela a été expliqué dans l'introduction à la description, il est d'usage dans l'Art Antérieur de lire toute la surface photosensible. On transfère dans le registre une ligne de la matrice. On lit le registre, puis on transfère une nouvelle ligne dans le registre jusqu'à ce que toutes les lignes soient lues. Selon un mode de réalisation de l'invention, on recouvre d'un masque 3, symbolisé par des hachures, quelques colonnes de la matrice qui sont les plus éloignées de la sortie S du registre. Sur la figure 1, on a indiqué que N1 colonnes sur les N colonnes de la matrice n'étaient pas recouvertes par le masque 3. On transfère successivement dans le registre chaque ligne de la matrice, mais on ne lit que les N1 premiers points de chaque ligne, car les (N-N1) derniers points ne contiennent qu'une information de noir. En conséquence, le temps de lecture de la matrice est diminue. La lecture de la totalité du registre de sortie de la matrice nécessite un temps TN au minimum égal à : F x N, où F est la fréquence de lecture maximale admissible. La lecture de N1 points des N que peut contenir le registre demande un temps T1 au minimum égal à: 1 x N1 F et qui est inférieur à TN. Il est important d'utiliser un masque car une fois effectuée la lecture des N1 premiers points de la première ligne de la matrice, on trouve à proximité de la sortie du registre le contenu des (N-N1) derniers points de la première ligne qui n'ont pas été lus et qui vont s'ajouter au contenu de la deuxième ligne qui est transféré dans le registre. I1 y a donc superposition d'une information de noir au contenu de chaque ligne qui est transférée dans le registre. Cette information de noir est généralement de faible amplitude. En fait, son amplitude est variable et dépend notamment de la température et de la durée d'intégration. La modification des signaux de commande qui vient d'être exposée, consiste donc à modifier les signaux de commande assurant un fonctionnement standard pour diminuer le nombre de transferts des informations contenues dans les étages du registre vers la sortie de façon à ne pas lire les informations contenues dans quelques colonnes de la matrices recouvertes d'un masque. Cette modification permet de diminuer le temps de lecture de chaque ligne de la matrice. En contrepartie, le champ est diminué pour une résolution donnée. Cette modification des signaux de commande nécessite une modification du circuit de commande qui les fournit. Ce circuit peut être constitué par exemple d'horloges et de compteurs. La modification qu'il faut lui apporter est à la portée de l'Homme du Métier et ne sera pas détaillée. La figure 2 représente de façon schématique un dispositif photosensible mettant en oeuvre une variante du procédé selon l'invention différente de celle illustrée sur la figure 1. Dans cette variante, seules les U premières lignes de la matrice qui sont les plus proches du registre de lecture sont lues. Dans ce mode de réalisation de l'invention, on modifie donc les signaux de commande assurant un fonctionnement standard en diminuant le nombre de transferts des informations contenues dans les lignes de la matrice vers le registre de façon à ne pas lire les V dernières lignes de la matrice. Une impulsion de décalage dans le sens vertical H v provoque le transfert dans le registre d'une ligne de la matrice. Un train d'impulsions Hh provoque la lecture du registre 2. Une fois le registre lu, une nouvelle ligne est transférée dans le registre par une impulsion Hv, et ainsi de suite jusqu'à ce que les U premières lignes de la matrice soient lues. Ainsi, le temps de lecture de la matrice est diminué, mais le champ est diminué, dans le sens vertical cette fois, pour une résolution donnée. Sur la figure 2, on a représenté un mode de réalisation dans lequel à la réduction du nombre de lignes lues s'ajoute la réduction du nombre de colonnes lues comme dans le cas de la figure 1. I1 est bien entendu que ces deux modifications des signaux de commande assurant un fonctionnement standard peuvent être réalisées sépa rément. Dans le cas d'une matrice fonctionnant en trame unique, c'està-dire d'une matrice qui ne fournit pas d'images de façon répétitive comme des images de télévision, mais qui est utilisée pour Pexploi- tation d'un phénomène fugitif ou en stroboscopie par exemple, on dispose d'un intervalle de temps suffisant entre deux images suclessives pour éliminer l'information contenue dans les V dernières lignes de la matrice. On peut éliminer cette information de diverses façons, par exemple en utilisant un train d'impulsions H à cadence v rapide, et en lisant rapidement le registre 2. Lorsque la matrice fonctionne de façon répétitive pour l'ob- tention d'images de télévision par exemple, on peut disposer un masque sur les V dernières lignes de la matrice. Dans ce cas, il y a superposition, d'une image à la suivante, d'une information de noir provenant des V dernières lignes de l'image précédente mais il n'y a pas de perte de temps due à l'élimination des informations de ces V dernières lignes. Une autre possibilité est, lorsque les U premières lignes de la matrice ont été lues, de transférer rapidement dans le registre, en une ou plusieurs fois, l'information contenue dans les V dernières lignes de la matrice, puis de lire le registre pour éliminer ces informations. Ainsi, la matrice est purgée et apte à une nouvelle exposition.Dans ce mode de réalisation où les V dernières lignes sont transférées rapidement dans le registre et sommées, on peut tout de même utiliser un masque sur les V dernières lignes. Cela permet d'éviter une possible saturation du registre. Sur la figure 3, on a représenté de façon schématique un dispositif photosensible mettant en oeuvre un mode de réalisation du procédé selon l'invention. Ce mode de réalisation peut être combiné avec les modes de réalisation représentés sur les figures 1 et 2. Dans ce mode de réalisation, on lit les lignes non pas individuellement mais par groupe de M lignes. Dans le mode de réalisation de la figure 3, M impulsions HV permettent le transfert du contenu de M lignes dans le registre 2 où ces informations s'additionnent. Puis, le registre est lu en totalité. On transfère ensuite un autre groupe de M lignes dans le registre, qui est lu en totalité, et ainsi de suite jusqu'à lecture complète de la matrice. Le dernier groupe de lignes qui est lu peut comporter un nombre de lignes inférieur ou égal à M. Il faut modifier les signaux de commande assurant un fonctionnement standard en diminuant le nombre de séquence de transferts des informations contenues dans chaque étage du registre vers la sortie du registre, car on ne lit le registre qu'après y avoir transféré le contenu de plusieurs lignes de la matrice photosensible. Ainsi le temps de lecture de la matrice est diminué. Le pouvoir de résolution dans le sens vertical est divisé par M. La sensibilité apparente de la matrice est multipliée par M puisque, pour un éclairement donné, I'amplitude du signal disponible à la sortie du registre est multipliée sensiblement par un facteur M. Enfin, le rapport signal sur bruit est amélioré car le bruit est introduit essentiellement par le dispositif de lecture des charges. Selon l'invention, le bruit reste constant mais l'amplitude du signal à lire est augmentée puisqu'on somme le contenu de plusieurs lignes, ce qui entraîne une augmentation du rapport signal sur bruit. Comme pour le mode de réalisation de la figure 1, les modifications qu'il faut apporter au circuit de commande pour mettre en oeuvre les modes de réalisation des figures 2 et 3 sont à la portée de l'Homme du Métier et ne seront pas détaillées. Les figures 4 et 5 a, b, c illustrent une autre modification qui peut être apportée au circuit de commande de matrices photosensibles. Cette modification consiste à additionner les informations correspondant à un certain nombre P du points d'une même ligne de la matrice. La sortie S du registre à décalage 2 est reliée à un dispositif de lecture des charges qui permet de convertir les charges en tension. Un mode de réalisation de ce dispositif de lecture est représenté sur la figure 4. La sortie S du registre à décalage 2 est reliée à une diode polarisée en inverse qui est équivalente à une capacité Cc reliée entre b sortie S et la masse du dispositif. Les charges provenant du registre à décalage 2 sont stockées dans cette capacité. Cette capacité est périodiquement portée à une tension VDR par l'intermédiaire d'un transistor MOS T1 connecté VDR entre la tension VDR et la sortie S. La grille de ce transistor T1 reçoit un signal d'horloge H représenté sur la figure Sa qui porte périodiquement à la tension VDR la capacité C . Lorsqu'un paquet c de charges correspondant à la lecture d'un point de la matrice arrive sur la sortie S, il est stocké par la capacité C c dont le niveau est lu par un transistor MOS T2 monté en suiveur. Le transistor T2 a sa grille reliée à la sortie S.L'une de ses électrodes reçoit une tension de polarisation VDD' une autre de ses électrodes fournit le signal de lecture Vs et est également reliée à une résistance de charge RL, également connectée à la masse du dispositif. Avant l'arrivée du prochain paquet de charges correspondant à la lecture d'un autre point de la matrice, la capacité C est portée à la tension VDR. c DR Dans le mode de réalisation de la figure 4, on a intercalé entre la grille du transistor T1 et le signal d'horloge H un interrupteur électronique I qui peut être constitué par un transistor MOS par exemple. Sur la figure 5b, on montre que l'interrupteur I ne laisse passer qu'une impulsion sur trois du signal d'horloge H. Ainsi, la capacité C c ne se trouve ré-initialisée à la tension VDR qu'après avoir intégré trois paquets de charge, correspondant à la lecture de trois points de la matrice. Sur la figure 5c, on a représenté la tension aux bornes de cette capacité Cc La tension varie à chaque injection d'un paquet de charges correspondant à la lecture d'un point. Cette inhibition de l'impulsion d'initialisation de la capacité C de conversion des charges en tension peut se faire pendant un c nombre variable d'impulsions d'horloge H. Lorsqu'on additionne un nombre P de points de chaque ligne de la matrice, on multiplie sensiblement par un facteur P l'amplitude du signal Vs disponible en sortie du dispositif. Le rapport signal sur bruit est amélioré car le bruit provient essentiellement du dispositif de lecture des charges. Comme on l'a vu précédemment, le bruit reste constant mais l'amplitude du signal à lire est augmentée puisqu'on somme plusieurs points, ce qui entraîne une augmentation du rapport signal sur bruit. L'inconvénient de l'addition des points est la diminution de la résolution dans le sens horizontal par un facteur P. L'addition de points peut être utilisée avec l'une ou plusieurs des modifications des signaux de commande par rapport au fonctionnement standard qui ont été décrites. On va maintenant décrire un exemple d'application du procédé selon l'invention à une matrice photosensible fonctionnant en trame unique. I1 s'agit par exemple du senseur THOMSON TH 7882 comportant 576 lignes de 384 points. Cette matrice est représentée sur la figure 6. Dès masques 4 mis en place lors de la fabrication permettent de délimiter la surface photosensible. Ces masques sont inamovibles. Ce n'est pas le cas du masque 3 qui est un masque rapporté qui sert à limiter l'illumination de la matrice à N de ses colonnes. On règle par programmation du circuit de commande le nombre N de colonnes lues. On a indiqué sur la figure 6 que les lignes de la matrice allaient être lues par paquets de M lignes. Au cours de son fonctionnement la matrice connaît plusieurs états successifs qui vont être décrits ci-après. Ces états sont indiqués sur les figures 7 et 8. L'état de veille correspond à l'attente d'une impulsion dite de déclenchement externe. Celle-ci précède l'arrivée du signal incident. Sur les figures 7a et b, on a représenté l'impulsion de déclenchement externe et le signal incident. Pendant l'état de veille, la matrice n'est pas éclairée mais elle est purgée en permanence pour ne pas laisser s'accumuler de courant de noir. La matrice reçoit des impulsions de transfert vertical H v qui sont représentées sur les figures 7d et 8b. Ces impulsions sont émises à la fréquence de 500 KHz. Le contenu de la matrice est transféré dans le registre de sortie. Le registre est lu à une fréquence de 7406, 25 KHz, par des salves Hh séparées par des créneaux qui sont illustrées par les figures 7c et 8a. Ces créneaux d'une durée d'environ 6us permettent les opérations classiques de "Clamp", de "Noircissement", et l'élaboration de signaux de synchronisation. Comme oela a déjà été signalé le nombre N de points de chaque ligne qui sont transférés au cours de ces salves est réglable, par programmation. L'arrivée d'une impulsion de déclenchement externe provoque le passage de la matrice à l'état d'intégration qui peut se concevoir de deux façons différentes. Selon la première possibilité qui est illustrée par les figures 7a à f, l'état d'intégration est distinct de l'état de lecture. Cet état a une durée égale à T.. C'est pendant ce temps à que doit se produire l'illumination de la matrice. Tous les transferts sont interrompus pendant l'état d'intégration. A la fin du temps Ti, la matrice passe dans l'état de lecture. Les transferts verticaux dus au signal H reprennent alors que les v transferts horizontaux dus au signal H h sont interrompus. - Ceci provoque l'accumulation dans le registre de lecture 2 d'un nombre de lignes M qui est réglable par programmation, selon l'utilisation de la matrice. Lorsque M lignes ont été transférées dans le registre, les transferts verticaux sont interrompus et le registre de sortie reçoit N impulsions H h La lecture de la matrice continue avec transfert de M autres lignes dans le registre et lecture de N points du registre et ainsi de suite jusqu'à ce que toute la matrice soit lue. Sur la figure 7e, on a représenté le signal de sortie du dispositif. Pendant toute la durée de l'état de lecture, un niveau logique "1", représenté sur la figure 7f, est délivré par le circuit de commande afin de signaler la validité de la lecture. Après l'état de lecture, la caméra repasse à l'état de veille. Sur les figures 8a à d, on a illustré un autre mode de fonctionnement dans lequel l'état d'intégration et l'état de lecture sont superposés. Il n'existe pas de temps d'intégration proprement dit. L'accumulation des charges et leur transfert vers le registre de lecture sont simultanés. I1 faut que le signal lumineux à analyser soit bref devant l'intervalle de temps séparant deux transferts verticaux pour que l'image formée ne soit par perturbée par le transfert. Après l'apparition de l'impulsion de déclenchement externe, les horloges de lecture H h du registre de lecture - 2 sont arrêtées pendant qu'est effectué un nombre M de transfert verticaux de façon à permettre l'accumulation de M lignes de la matrice dans le registre. Ensuite le registre de lecture lit N étages du registre et ainsi de suite jusqu'à lecture complète de la matrice par groupe de M lignes et en se limitant à lire N points de chaque ligne. Sur la figure 8c, on a représenté le signal de sortie du dispositif. La figure 8d, comme la figure 7f, représente un niveau logique "1" signalant la validité de la lecture. REVENDICATIONS 1. Procédé d'utilisation d'une matrice photosensible à transfert de charge (1), associée à un registre de lecture (2) et à un circuit de commande, susceptible de fournir à la matrice (1) et au registre (2) des signaux de commande en vue d'assurer la lecture de la matrice, caractérisé en ce qu'il consiste à modifier les signaux de commande assurant un fonctionnement standard de la matrice et du registre, c'est-à-dire assurant lors de la lecture de la matrice, d'une part, une série de transferts des informations contenues dans chaque ligne de la matrice vers le registre de lecture et d'autre part, une série de transferts des informations contenues dans chaque étage du registre vers la sortie du registre, et en ce que cette modification consiste à diminuer le nombre de transferts effectués lors d'au moins l'une des séries de transferts assurant la lecture de la matrice. 2. Procédé d'utilisation d'une matrice photosensible (1) selon la revendication 1, comportant un masque (3) sur quelques colonnes qui sont les plus éloignées de la sortie (S) du registre (2), caractérisé en oe qu'il consiste, lors de la lecture de chaque ligne de la matrice à diminuer le nombre de transferts des informations contenues dans les étages du registre vers sa sortie, de façon à ne pas lire les informations contenues dans les colonnes recouvertes d'un masque. 3. Procédé d'utilisation selon rune des revendications 1 ou 2, d'une matrice (1) fonctionnant en trame unique, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer le nombre de transferts des informations contenues dans les lignes de la matrice (1) vers le registre (2), de façon à ne pas lire quelques lignes de la matrice qui sont les plus éloignées du registre. 4. Procédé d'utilisation selon rune des revendications 1 ou 2, d'une matrice (1) comportant un masque sur quelques lignes qui sont les plus éloignées du registre, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer le nombre de transferts des informations contenues dans les lignes de la matrice (1) vers le registre (2), de façon à ne pas lire les lignes recouvertes d'un masque. 5. Procédé d'utilisation selon l'une des revendications I ou 2 d'une matrice photosensible (1), caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer le nombre de transferts des informations contenues dans les lignes de la matrice (I) vers le registre (2), de façon à ne pas lire quelques lignes de la matrice qui sont les plus éloignées du registre et en ce qu'il consiste à transférer rapidement dans le registre (2), en une ou plusieurs fois, le contenu de ces quelques lignes puis à lire le registre (2) pour éliminer ces informations. 6. Procédé d'utilisation selon l'une des revendications I ou 2, d'une matrice photosensible (I) comportant un masque sur quelques lignes qui sont les plus éloignées du registre, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer le nombre de transferts des informations contenues dans les lignes de la matrice (1) vers le registre (2), de façon à ne pas lire quelques lignes de la matrice qui sont les plus éloignées du registre et en ce qu'il consiste à transférer rapidement dans le registre (2), en une ou plusieurs fois, le contenu de ces quelques lignes puis à lire le registre (2) pour éliminer ces informations. 7. Procédé d'utilisation d'une matrice photosensible (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer le nombre de séquences de transferts des informations contenues dans chaque étage du registre (2) vers la sortie (S) du registre, en ne lisant le registre (2) qu'après y avoir transféré le contenu de plusieurs lignes de la matrice photosensible (1). 8. Procédé d'utilisation d'une matrice photosensible (1) selon l'une des revendications I à 7, caractérisé en ce qu'il consiste, lors de la lecture de chaque ligne de la matrice (1), à additionner les informations correspondant à un certain nombre (N) de points de chaque ligne. 9. Matrice photosensible à transfert de charge (1), associée à un registre de lecture (2) et à un circuit de commande, susceptible de fournir à la matrice et au registre des signaux de commande en vue d'assurer la lecture de la matrice, caractérisée en ce qu'elle est utilisée selon rune des revendications 1 à 8. 10. Matrice photosensible à transfert de charge (1) associée à un registre de lecture (2) et à un circuit de commande, susceptible de foumir à la matrice et au registre des signaux de commande en vue d'assurer la lecture de la matrice > caractérisée en ce qu'elle est utilisée selon la revendication 2 et en ce qu'elle comporte un masque (3) sur quelques colonnes qui sont les plus éloignées de la sortie du registre. Il. Matrice photosensible à transfert de charge (1), associée à un registre de lecture (2) et à un circuit de commande, susceptible de foumir à la matrice et au registre des signaux de commande en vue d'assurer la lecture de la matrice, caractérisée en ce qu'elle est utilisée selon rune des revendications 4 ou 6 et en ce qu'elle comporte un masque sur quelques lignes qui sont les plus éloignées du registre. 12. Matrice photosensible à transfert de charge (1), associée à un registre de lecture (2) et à un circuit de commande, susceptible de fournir à la matrice et au registre des signaux de commande en vue d'assurer la lecture de la matrice, caractérisée en ce qu'elle est utilisée selon la revendication 2 et selon l'une des revendications 4 ou 6 et en ce qu'elle comporte un masque (3) sur quelques colonnes qui sont les plus éloignées de la sortie du registre, ainsi que sur quelques lignes qui sont les plus éloignées du registre.