Brevet FR2685152A1 — publié le 19930618

La présente invention concerne des dispositifs à couplage de charge et plus particulièrement, des dispositifs à couplage de charge utilisés pour la formation d'image et comportant deux registres de lecture. Les dispositifs à couplage de charge (CCD) dans lesquels une matrice ou un réseau de "poches" de charges est formé au moyen de l'arrivée en incidence d'une lumière sur le dispositif sont bien connus et sont souvent utilisés dans des systèmes imageurs Une application typique est constituée par la conversion d'images optiques en signaux électriques dans un système de télévision et dans ce contexte, le CDD fonctionne en tant que substitut du tube vidicon déjà bien connu. La plupart des utilisations du CDD dans ces systèmes imageurs nécessitent seulement un registre de sortie par l'intermédiaire duquel les contenus de charges du réseau d'image sont séquentiellement émis en sortie pour un amplificateur et pour toute autre étape de traitement ultérieure souhaitée Cependant, il existe des applications qui demandent l'utilisation de deux registres situés au niveau d'extrémités opposées de la zone d'image du CCD et par l'intermédiaire de l'un ou l'autre de ces registres, les contenus d'image peuvent être lus selon les souhaits Jusqu'à ce jour, ceci a nécessité l'utilisation de deux amplificateurs de sortie prévus sur le CCD, soit un amplificateur pour chaque registre L'inconvénient de cette approche est30 constitué cependant par le traitement inégal de l'information d'image en provenance des deux registres du fait de l'impossibilité à faire correspondre parfaitement les deux amplificateurs en termes de gain et de tension de décalage, etc L'objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif à couplage de charge à deux registres de sortie qui permette de surmonter les inconvénients mentionnés ci-avant. Par conséquent, l'invention propose un dispositif à couplage de charge destiné à une utilisation dans un système imageur comprenant une section d'image dans laquelle des poches de charges sont produites au moyen de l'arrivée en incidence d'une lumière sur le dispositif et deux registres de lecture situés en des extrémités opposées de la section d'image, ledit dispositif étant agencé de telle sorte que les poches de charges puissent être extraites de la section d'image suivant l'un ou l'autre des deux registres de lecture, les registres étant fusionnés de telle sorte que le dispositif comporte une sortie commune aux deux registres. La lecture des poches de charges depuis la section d'image peut être mise en oeuvre sous le contrôle de signaux de synchronisation d'horloge appliqués à la section d'image et au registre de lecture. Les signaux de synchronisation d'horloge appliqués aux registres de lecture peuvent être agencés de telle sorte que lorsque les poches de charges provenant de la section d'image sont acheminées le long de l'un des registres vers la sortie commune, d'autres poches de charges soient acheminées le long de l'autre registre pour être éloignées de la sortie commune. Les autres poches de charges peuvent être des charges parasites non produites par l'arrivée en incidence de la lumière sur le dispositif et peuvent être absorbées dans un puits de charges situé sur le dispositif. Les signaux de synchronisation d'horloge peuvent être des signaux d'horloge multi-phases. Le sens de lecture des poches de charges depuis la section d'image peut être inversé en permutant deux des phases des signaux d'horloge appliqués à la section d'image, lesquels signaux d'horloge peuvent présenter trois ou quatre phases. La permutation des deux phases peut être effectuée au moyen d'une commutation réalisée dans les 1 o lignes d'horloge associées à ces deux phases. Le sens selon lequel les poches de charges sont acheminées le long de chaque registre peut être déterminé par l'ordre des phases des signaux d'horloge appliqués à chaque registre, lesquels signaux d'horloge peuvent comporter trois ou quatre phases. L'ordre des phases peut être commandé au moyen d'une commutation réalisée dans les lignes d'horloge qui sont appliquées à chaque registre. Des modes de réalisation de l'invention sont maintenant décrits seulement à titre d'exemples et par report aux dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est un diagramme schématique d'un réseau CCD de transfert d'image; la figure 2 est un diagramme schématique simplifié d'un réseau CCD de transfert d'image comportant deux registres de lecture de ligne; la figure 3 est un diagramme schématique simplifié d'un réseau CCD de transfert d'image selon un premier mode de réalisation de l'invention; et la figure 4 est un diagramme schématique simplifié d'un réseau CCD de transfert d'image selon un second mode de réalisation de l'invention. Si l'on se reporte maintenant aux dessins, on peut voir sur la figure 1 un réseau CCD typique qui utilise ce que l'on connaît sous le nom de "transfert d'image" Le dispositif 10 est constitué par deux sections: une section d'image 20 et une section de lecture de ligne 30, toutes les deux étant disposées sur un substrat commun La section d'image 20 est constituée par un certain nombre (dans le cas présent 12) d'électrodes horizontales 22 montées sur un substrat (non représenté) Les électrodes 22 sont isolées les unes des autres et sont isolées du substrat situé au-dessous par une couche d'oxyde et elles sont positionnées le long de la totalité de la largeur du réseau Pour faire en sorte que le réseau CCD soit sensible à la lumière, les électrodes sont fabriquées à partir d'un matériau qui est semi- transparent à la lumière, à savoir du silicium polycristallin ou polysilicium. Un certain nombre d'arrêts de canal 24 s'étendent verticalement dans la section d'image 20 Ces arrêts de canal sont des régions électriquement inactives dopées (par exemple de type P) prévues dans le substrat et ils servent à contenir toute charge produite dans le substrat du fait de la lumière qui arrive en incidence dessus le dispositif dans un certain nombre de "puits de potentiel" délimités efficacement par la largeur w d'une électrode et par la distance d entre des arrêts de canal adjacents; un tel "puits" est représenté de façon ombrée en 26 Pour des conditions données de potentiel appliqué sur les lignes d'horloge à trois phases 23 connectées aux électrodes, tel que représenté sur la figure 1, une charge 25 est établie dans chacun des puits situé au-dessous d'une électrode présentant30 un potentiel positif par rapport au substrat La valeur de charge (négative) dans chaque puits est proportionnelle à la quantité de lumière qui arrive dans ce puits. La zone d'image CCD est de fait un réseau de pixels dont les dimensions sont dans le cas présent de pixels en largeur sur 4 pixels en hauteur. Une fois qu'une exposition suffisante à la lumière qui arrive sur le réseau depuis l'image est acquise (soit ce que l'on appelle "un temps d'intégration"), les contenus de la section d'image 20 sont cadencés ligne par ligne sous la commande de potentiels variant de façon appropriée appliqués sur des lignes d'horloge 23 pour être extraits de la section d'image et acheminés dans la section de lecture de ligne 30 o ils sont cadencés en série pour être extraits hors du dispositif au niveau d'un amplificateur de sortie 32 en utilisant des lignes d'horloge 34. Dans le dispositif de la figure 1, seulement une section de lecture ou registre de lecture est utilisé. Il existe cependant des applications dans lesquelles il est souhaitable de pouvoir lire l'information par l'intermédiaire de l'un ou l'autre de deux registres selon les besoins. Il est par exemple quelquefois nécessaire de pouvoir lire des images séquentielles par l'intermédiaire de deux sorties en alternance. Une seconde application est constituée par l'utilisation de ce que l'on appelle une technique "d'intégration par temporisation" dont la base est constituée par le balayage du champ de visualisation du réseau CCD au travers d'une image, par exemple au moyen d'un miroir tournant Tandis que dans un système imageur classique du type balayage chaque ligne de l'image est détectée séquentiellement au moyen d'un réseau monodimensionnel de détecteurs (correspondant à l'une des rangées ou des colonnes des poches de charges représentées sur la figure 1), dans la présente application, l'image balayée est amenée à se positionner sur un réseau CCD bidimensionnel comme représenté sur la figure 2 En outre, le cadencement du réseau est agencé de manière à établir une synchronisation avec la vitesse de balayage de telle sorte qu'une ligne particulière de l'image se déplace au travers du réseau et que sa position soit suivie au moyen du cadencement qui s'effectue suivant le même sens Cette technique a pour effet de rallonger le temps d'intégration de chaque ligne de l'image balayée et donc d'augmenter la sensibilité de formation d'image. Il peut être souhaitable dans des imageurs qui utilisent cette technique de formation d'image particulière de pouvoir déplacer une ligne d'image au travers du réseau CCD, ce déplacement pouvant s'effectuer suivant l'un ou l'autre de deux sens opposés, et il est par conséquent clairement souhaitable de pouvoir effectuer une commutation rapide entre les deux registres de lecture afin de satisfaire cette possibilité Les flèches de la figure 2 indiquent que des contenus de charges de la section d'image 40 peuvent être lus soit par l'intermédiaire du registre 42 soit par l'intermédiaire du registre 44, cette lecture émergeant respectivement au niveau de sorties 1 et 2. L'inconvénient de ces utilisations d'un CCD muni de deux registres de lecture de ligne réside en ce que jusqu'ici deux amplificateurs de sortie ont été nécessaires, soit un pour chaque registre Non seulement ceci augmente les coûts matériels mais ceci conduit également à des différences non souhaitables au niveau de l'amplitude des signaux émis en sortie depuis les deux amplificateurs puisque les amplificateurs ne peuvent pas être mis en correspondance parfaite du point de vue de leurs paramètres tels que le gain et que la tension de décalage. La solution de l'invention qui est représentée sur la figure 3 consiste à combiner les deux sections de lecture en les étendant au niveau de leurs extrémités de sortie 45 (cf extrémité de sortie 36 de la figure 1) et en les fusionnant en un point 46 avant de les appliquer à un amplificateur de sortie commun au niveau d'une sortie commune 48 Moyennant cette configuration, puisque les mêmes paramètres d'amplificateur affectent également les deux lectures, toutes les lignes de l'information d'image transférée depuis la section d'image sont soumises aux mêmes conditions et ainsi, l'intégrité de l'image est préservée. Ce mode de réalisation est en fait très simple à mettre en oeuvre puisque les deux registres 42 et 44 et également la partie de fusion 55 sont actionnés de façon identique pour les deux sens de transfert d'image depuis la section d'image 40 et par conséquent, les trois sections de registre (si l'on considère que la section de fusion 55 est également un registre) peuvent être excitées sur la totalité de leurs longueurs au moyen des mêmes signaux de cadencement en provenance d'une source d'horloge à trois phases 52. Cette technique fonctionne dans la pratique puisque tandis qu'un registre de lecture émet en sortie une information d'image, l'autre registre de lecture émet en sortie seulement un courant faible dû principalement à des effets thermiques dans le substrat du CCD Pour des températures de fonctionnement normales, ce courant connu en tant que "courant d'obscurité" est beaucoup plus faible que le courant de pic dérivé de l'information d'image et par conséquent, le signal de sortie combiné n'est pas indûment troublé par du bruit. Si une performance de bruit meilleure est nécessaire, ceci peut être réalisé moyennant le coût de l'augmentation de complexité au moyen de l'agencement représenté sur la figure 4. Dans ce mode de réalisation, le courant d'obscurité est écarté de la sortie commune en faisant en sorte que le registre qui délivrerait normalement le courant d'obscurité soit cadencé vers l'arrière, la charge de "courant d'obscurité" émergeant au niveau d'une seconde sortie 53 puis étant absorbée dans un puits de charges 54 Sur la figure 4, c'est le registre de lecture 44 qui est représenté en tant que registre qui absorbe la charge dans le puits 54 tandis que le registre 42 reçoit des poches de charges en provenance de la section d'image 40 et émet en sortie ces données d'image via une sortie commune 48 Cependant, les données d'image peuvent également être extraites du registre 44 tandis que la charge de "courant d'obscurité" est absorbée depuis le registre 42 dans son puits de charges 54. Comme il ressort de la figure 4, un moyen doit être prévu en un certain point (par exemple l'électrode 56) le long des parties de sortie étendues 49 des deux registres afin d'isoler les actions des sens de flux opposés puisque sinon une charge d'image émise en sortie de par exemple le registre 42 pourrait être transférée dans le registre 44 au lieu d'être envoyée hors du dispositif via la sortie commune 48. Ce mode de réalisation nécessite que les électrodes prévues dans les trois jeux de registres 42, 44 et 55 soient excitées de préférence de façon synchrone par l'intermédiaire de dispositifs d'excitation indépendants Selon une variante, un dispositif d'excitation commun peut être utilisé moyennant une logique appropriée pour produire les états de tension souhaités sur les lignes de cadencement pour les registres. Une façon commode d'inverser le sens de transfert des charges à la fois dans la section d'image 40 et dans les registres 42, 44 consiste à prévoir un agencement pour deux des lignes de cadencement à trois phases à l'intérieur des zones qui doivent être permutées, par exemple au moyen d'une commutation incluse dans ces deux lignes Au moyen de cet expédient simple, des données d'image en provenance de la section d'image 40 peuvent être extraites de soit le registre 42 soit le registre 44 selon les souhaits et de façon similaire soit le registre 42 soit le registre 44 peut être choisi pour absorber la charge de "courant d'obscurité". Au lieu d'utiliser un cadencement à trois phases, il est possible d'utiliser d'autres configurations de cadencement pourvu de n'importe quel nombre de phases afin d'obtenir le même effet. Ainsi, par exemple, quand le sens du transfert des charges ne doit pas être modifié, comme c'est le cas dans les sections d'enregistrement 42, 44 et 55 des figures 3 et 2, un cadencement d'horloge selon 3 ou 4 phases peut être utilisé Cependant, quand le transfert suivant l'un quelconque de deux sens opposés est envisagé, comme c'est le cas dans la section d'image 40 pour tous les modes de réalisation et dans les registres 42 et 44 de la figure 4 pour le second mode de réalisation, un cadencement d'horloge selon 3 ou 4 phases peut être utilisé. La section de registre de fusion 55 peut être alimentée avec seulement deux phases au maximum puisque celle-ci doit seulement produire en sortie une charge en provenance du dispositif. REVENDICATIONS 1 Dispositif à couplage de charge destiné à une utilisation dans un système imageur, comprenant une section d'image ( 40) dans laquelle des poches de charges sont produites du fait de l'arrivée en incidence de la lumière sur le dispositif et deux registres de lecture ( 42, 44) situés en des extrémités opposées de la section d'image ( 40), caractérisé en ce que ledit dispositif est agencé de telle sorte que les poches de charges puissent être lues depuis la section 1 o d'image ( 40) suivant l'un ou l'autre des deux registres de lecture ( 42, 44) et en ce que les registres ( 42, 44) sont fusionnés de telle sorte que le dispositif présente une sortie commune ( 48) pour les deux registres ( 42, 44). 2 Dispositif à couplage de charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lecture des poches de charges depuis la section d'image ( 40) est mise en oeuvre sous la commande de signaux d'horloge appliqués à la section d'image ( 40) et aux registres de lecture ( 42, 44). 3 Dispositif à couplage de charge selon la revendication 2, caractérisé en ce que les signaux d'horloge appliqués aux registres de lecture ( 42, 44) sont agencés de telle sorte que lorsque des poches de charges en provenance de la section d'image ( 40) sont acheminées le long de l'un des registres ( 42, 44) en direction de la sortie commune ( 48), d'autres poches de charges sont acheminées le long de l'autre registre ( 42, 44) pour être éloignées de la sortie commune ( 48). 4 Dispositif à couplage de charge selon la revendication 3, caractérisé en ce que les autres poches de charges sont des charges parasites qui ne sont pas produites par l'arrivée en incidence de la il lumière sur le dispositif et sont absorbées dans un puits de charges ( 54) situé sur le dispositif. Dispositif à couplage de charge selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le signaux d'horloge sont des signaux d'horloge multi-phases. 6 Dispositif à couplage de charge selon la revendication 5, caractérisé en ce que les signaux d'horloge appliqués à la section d'image ( 40) sont des signaux à trois ou à quatre phases et en ce que le sens de lecture des poches de charges en provenance de la section d'image ( 40) peut être inversé en permutant deux des phases des signaux d'horloge appliqués à la section d'image ( 40). 7 Dispositif à couplage de charge selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que les signaux d'horloge appliqués aux registres de lecture ( 42, 44) sont des signaux à trois ou quatre phases et en ce que le sens selon lequel les poches de charges sont acheminées le long de chaque registre ( 42, 44) est déterminé par l'ordre des phases des signaux d'horloge appliqués à chaque registre ( 42, 44). 8 Dispositif à couplage de charge selon la revendication 6, caractérisé en ce que la permutation des deux phases est effectuée au moyen d'une commutation qui se situe dans les lignes d'horloge associées à ces deux phases. 9 Dispositif à couplage de charge selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ordre des phases est commandé au moyen d'une commutation qui se situe dans les lignes d'horloge qui alimentent chaque registre ( 42, 44).