Brevet FR2735616A1 — publié le 19961220

La présente invention concerne d'une façon générale les capteurs d'image ou imageurs à circuit intégré notamment de type MOS (Métal-OxydeSemiconducteur), et plus précisément un tel imageur pourvu de moyens de traitement d'image à transformation d'histogramme de pixels. La transformation d'histogramme de pixels est une opération bien connue en traitement numérique d'images. Plus précisément, si l'on considère, dans une image en noir et blanc comportant N pixels pouvant chacun prendre M valeurs différentes (ou M "niveaux de gris"), par exemple 256 valeurs pour un codage de chaque pixel sur huit bits, on peut réaliser un histogramme qui, pour chaque valeur que peut prendre un pixel, indique le nombre de pixels de l'image ayant effectivement cette valeur. Un tel histogramme est bien représentatif de la qualité de l'image, ou de ses défauts. Ainsi, une image dont l'histogramme est décalé vers le noir est sous- exposée, tandis qu'une image dont l'histogramme est décalé vers le blanc est sur-exposée. En outre, une image dont l'histogramme est étroit manque de contraste. Une transformation d'histogramme consiste à appliquer à l'histogramme d'une image acquise une fonction non linéaire destinée à rééquilibrer les différentes valeurs de pixels de l'image, pour obtenir une image transformée de meilleure qualité. Dans un cas particulier, dit légalisation" d'histogramme, on cherche à obtenir un nouvel histogramme qui couvre l'intégralité de la gamme de valeurs de pixels possibles, avec une répartition aussi équilibrée que possible entre les différentes valeurs (histogramme plat). On obtient alors une image optimale en matière de luminosité et de contraste. D'une façon générale, on appelle HI(r) l'histogramme d'une image initiale Ii et HT(z) l'histogramme de l'image It que l'on cherche à obtenir. Le but est de définir z = C(r), la fonction qui permet d'obtenir HT(z) à partir de HT(r) La procédure pour cette transformation d'histogramme comprend les trois phases suivantes: a) calcul de l'histogramme cumulé de l'image Ii: HIC(r) = JHI(r)dr b) calcul de l'histogramme cumulé de l'image It: HTC(z) = fHT(z)dz c) calcul de la fonction: z = C(r) = HTC-1[HIC(r)] Généralement, la fonction HT(z) est une fonction recherchée connue, ce qui permet de connaître la fonction HTC-1. Le point clé de cette procédure est donc de calculer l'histogramme cumulé de l'image initiale, soit HIC(r). Dans le cas particulier de l'égalisation d'histogramme, l'histogramme recherché est plat, ce qui s'exprime par HT(z) = k (constante). Il en résulte que: HTC(z): kz et HTC-'[HIC(r)] = HIC(r)/k Par ailleurs, les imageurs à semiconducteurs traditionnels (CCD) ne peuvent opérer que dans une gamme de luminosité bien définie, et l'exposition correcte doit toujours faire intervenir un dispositif à diaphragme ou analogue, dont les temps de réaction sont relativement longs. En particulier, si un capteur CCD vient à saturer, il faut laisser au dispositif à diaphragme le temps de réagir et, dans l'intervalle, une partie substantielle de l'information d'image est irrémédiablement perdue (c'est-à- dire qu'une proportion importante de pixels sont à leur niveau maximal) et une rectification notable de celle-ci par transformation d'histogramme par traitement numérique n'est pas possible. Le même inconvénient existe si une image se trouve sous-exposée. La présente invention se propose de pallier ces limitations de l'état de la technique et de proposer, dans le cadre d'un imageur intégré de type MOS, une transformation d'histogramme en temps réel qui, quelles que soient les conditions d'exposition, permette de récupérer et de traiter l'information sensiblement pour l'ensemble des pixels. Un autre objet important de la présente invention est, grâce à cette caractéristique, de réaliser un imageur dans lequel les moyens de commande d'exposition tels que diaphragme variable sont superflus. Ainsi la présente invention concerne un capteur d'image à semiconducteurs, du type comprenant un ensemble de cellules comprenant chacune un élément semi-conducteur photosensible capable de générer un premier paramètre électrique dont la valeur évolue de façon monotone avec la quantité de lumière reçue pendant un cycle donné par ladite cellule, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans chaque cellule: un moyen comparateur apte à comparer au cours du cycle ledit paramètre électrique avec une valeur de seuil commune à toutes les cellules, un moyen générateur commandé par la sortie du moyen comparateur pour faire varier un second paramètre électrique sur une première ligne commune à toute les cellules d'une valeur constante prédéterminée lorsque ledit premier paramètre a franchi ledit seuil, un moyen échantillonneur commandé également par la sortie dudit moyen comparateur pour enregistrer dans ladite cellule la valeur instantanée d'un troisième paramètre électrique présent sur une seconde ligne commune sensiblement lorsque ledit premier paramètre a franchi ledit seuil, et en ce que le capteur comprend en outre: un circuit pour effectuer une conversion non linéaire de l'évolution du second paramètre électrique en fonction du temps en une évolution du troisième paramètre électrique en fonction du temps, et des moyens de lecture des valeurs instantanées du troisième paramètre électrique enregistrées dans les diverses cellules en fin de cycle, lesdites valeurs lues pour les différentes cellules constituant l'image. De façon avantageuse, l'élément semi-conducteur photosensible de chaque cellule consiste en une photodiode et il est prévu des moyens pour précharger les photodiodes des diverses cellules, le premier paramètre électrique étant alors la tension électrique aux bornes de la photodiode, comparée par le moyen comparateur à une tension de seuil. De façon préférée, le moyen générateur comprend un générateur de courant constant, ladite première ligne commune étant reliée aux générateurs des différentes cellules et ledit second paramètre étant le courant cumulé dans la ligne. Avantageusement, le troisième paramètre est une tension électrique, et le moyen échantillonneur comprend un condensateur et interrupteur commandé par le moyen comparateur et apte à sélectivement appliquer la tension instantanée présente sur la seconde ligne commune audit condensateur. Dans une variante de réalisation, le moyen générateur et le moyen échantillonneur sont commandés par la sortie du moyen comparateur à des instants légèrement différents. L'invention exposée ci-dessus est particulièrement avantageuse lorsque les éléments photosensibles, les moyens comparateurs, les moyens générateurs, les moyens échantillonneurs et les moyens de lecture des différentes cellules sont réalisés en technologie Métal-Oxyde- Semiconducteur sur un substrat commun. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un imageur MOS de la technique connue, la figure 2 représente schématiquement le circuit d'une cellule individuelle d'un imageur MOS à transformation d'histogramme selon la présente invention, la figure 3 représente la structure électrique de la cellule de la figure 2, la figure 4 représente le cycle de fonctionnement de l'imageur des figures 2 et 3, et la figure 5 illustre schématiquement la structure générale de l'ensemble d'un imageur MOS à transformation d'histogramme selon la présente invention. En référence tout d'abord à la figure 1, on a représenté un imageur intégré à circuit MOS connu, constitué par un dispositif matriciel d'acquisition d'image qui utilise des photodiodes et des transistors MOS pour réaliser un capteur opto-électronique. Il est constitué principalement d'un ensemble de cellules CEL disposées en rangées et colonnes, d'un circuit de balayage horizontal CBH et d'un circuit de balayage vertical CBV. On observera ici que la différence principale entre un tel imageur et une autre catégorie de capteur à semi- conducteurs, à savoir un dispositif à couplage de charges dit "CCD", réside dans le processus de lecture de l'image. Ainsi, alors qu'un capteur "CCD" utilise des registres à décalage analogiques basés sur un principe de transfert direct de charges entre capacités réalisées en technologie MOS et juxtaposées, un imageur MOS utilise un transfert de charges indirect, c'est-à-dire s'etfectuant par l'intermédiaire d'interrupteurs formés de transistors MOS. Comme on le verra en détail plus loin, la compatibilité naturelle entre la structure d'un imageur MOS et celle des circuits électroniques analogiques/numériques réalisés en technologie CMOS permet d'intégrer les fonctions de traitement de l'image acquise, conformes à la présente invention, sur le même substrat que le capteur proprement-dit. Maintenant en référence à la figure 2, on a représenté le circuit d'une cellule individuelle CE:L d'un imageur MOS à transformation d'histogramme intégrée selon l'invention, qui comprend tout d'abord une photodiode PD fonctionnant en mode d'intégration par le jeu de sa capacité intrinsèque. Selon le mode de réalisation concret, la tension aux bornes de la photodiode soit croît, soit décroît en Lonction de la quantité de lumière cu'elle reçoit. Dans le présent exemple, cette photodiode est branchée entre une tension d'alimentation continue Vdd et la masse via un interrupteur MOS, noté Il, qui permet d'assurer périodiquement, sous la commande d'une ligne de bus de commande notée LB0, la pré-charge de la photodiode. Après cette précharge, la tension aux bornes de la photodiode décroît à une vitesse d'autant plus rapide que la quantité de lumière reçue est importante. La tension aux bornes de la photodiode PD est appliquée à une première entrée d'un comparateur à seuil CMP, dont la seconde entrée reçoit une tension de seuil vs présente sur une ligne de bus LB1 de tension de seuil. La sortie du comparateur CMP est au niveau logique "1"' lorsque la tension décroissante aux bornes de la photodiode est descendue en deçà de la tension Vs. La sortie du comparateur est reliée à une entrée de commande d'un générateur de courant constant GC qui est relié entre une ligne de bus de courant d'histogramme cumulé HIC de l'image acquise, notée LB2 et la masse. Ainsi, le franchissement du seuil Vs par la tension de photodiode provoque l'injection dans la ligne LB2 d'un courant constant noté Ict. Le comparateur CMP dispose également d'une sortie complémentaire, dont la valeur logique est inverse de celle de la sortie précitée, qui commande un circuit d'échantillonnage composé par un interrupteur I2 commandé par ladite sortie complémentaire et par un condensateur Cpix relié entre l'interrupteur et la masse, l'autre borne de l'interrupteur étant reliée à une ligne de bus LB3 véhiculant une tension d'histogramme cumulé transformée, notée IT. On observe qu'à l'extérieur de la cellule CEL, et de façon commune pour toutes les cellules, l'imageur comporte un circuit CTH de transformation d'histogramme cumulé qui reçoit en entrée la valeur instantanée du courant HIC sur la ligne de bus LB2, qui si nécessaire convertit ce courant en tension, qui applique à toute valeur instantanée reçue la transformation requise (qui peut être ou non une égalisation), et qui délivre en sortie, sur la ligne de bus LB3, la tension d'histogramme cumulé après transformation. Sur la borne haute du condensateur Cpix est prélevée, par un circuit de lecture CL approprié, la tension aux bornes de Cpix à des instants prédétermines. Le fonctionnement de la cellule décrite ci-dessus va maintenant être expliqué. L'acquisition du pixel de l'image correspondant à la cellule considérée est effectuée en préchargeant tout d'abord, par fermeture de l'interrupteur Il, la photodiode à une tension donnée, en l'occurrence Vdd. Lorsque l'interrupteur Il est ouvert, la tension aux bornes de la photodiode décroît à une vitesse qui est fonction de la quantité de lumière qu'elle reçoit. On comprend donc que le basculement du comparateur CMP s'effectue d'autant plus rapidement que la quantité de lumière reçue est importante. Si l'on note Vinit la tension de précharge de la photodiode PD, on comprend que le temps T qui s'écoule entre le début de la décharge et le basculement du comparateur sera, en supposant que la décharge s'effectue de façon linéaire: T = (Vinit - Vs) x Cdiode / Iphoto o Cdiode est la capacité de la photodiode, Iphoto est le courant de décharge d'origine photonique soit T = K / iphoco Le courant iphoto étant proportionnei au flux optique, T est donc inversement proportionnel à ce flux et, si T représente la variable de sortie, la fonction de conversion photoélectrique T = f(flux) est une -fonction du type en x fonction non linéaire mais monotone. L'instant du basculement du comparateur CMP dépend donc uniquement de la quantité de lumière reçue par la cellule. En conséquence, tous les pixels de l'imageur ayant reçu la même quantité de lumière voient leur comparateur CMP basculer au meme instant. A la fin de la précharge (simultanée) des photodiodes, tous les pixels se trouvent à l'état logique "0", cet état logique pouvant être représenté par l'état de sortie du comparateur CMP. Dès que la prècharge est supprimée, les pixels évoluent et basculent les uns après les autres à l'état logique "1". Si l'on effectue en permanence la somme de tous ces "1" logiques, entre le premier et le dernier des basculements, on comprend aisément que l'on effectue en fait l'intégration de tous les pixels ayant basculé, et que l'on construit donc dans le temps l'histogramme cumulé de l'image initiale, noté HIC, sous la forme d'une rampe qui va prendre un profil monotone croissant plus ou moins régulier, en fonction de la régularité des basculements individuels. On obtiendra donc, sous réserve des pixels ex-aequo (basculant exactement au meme moment) dans les régions de bord de l'histogramme, un histogramme pratiquement optimal et pleine échelle, c'est-à-dire prenant en compte aussi bien les tous premiers basculements que les plus tardifs. Les circuits de la figure 2 pour toutes les cellules permettent de réaliser cet histogramme cumulé de l'image d'entrée sur la ligne de bus LB2. Plus précisément, chaque passage d'un pixel à "1" provoque l'injection dans cette ligne d'un courant constant Ict supplémentaire, si bien que le courant global dans la ligne LB2 fournit la sommation désirée des pixels ayant basculé. La fonction du circuit de transformation CTH de la figure 2 peut être réalisée simplement par un convertisseur courant/tension non linéaire (ou linéaire pour une simple égalisation), pour transformer le courant sur la ligne LB2 en la tension sur la ligne LB3, convenablement normalisée. La caractéristique conversion correspond en fait à la fonction inverse de la fonction HTC mentionnée plus haut, soit HTC-'. On obtient ainsi sur la ligne LB3 une tension représentative d'un histogramme cumulé transformé correspondant à la fonction: z = HTCI[HIC(r)] On observera ici que, dans le cas d'une simple égalisation, on réalise une conversion courant/tension linéaire, qui nécessite une simple résistance. La cellule de la figure 2, à l'aide de son circuit d'échantillonnage décrit plus haut, réalise l'enregistrement de la tension présente sur la ligne LB3 à l'instant o le pixel commute, c'est-à-dire o le comparateur CMP bascule. On comprend que cet enregistrement individuel dans chaque cellule réalise d'emblée la fonction souhaitée, c'est-à-dire la conversion in- situ de chaque valeur réelle de pixel en une valeur corrigée celle que l'ensemble des pixels correspond à l'histogramme cumulé après transformation, note IT, présent sur la ligne LB3. Plus précisément, dès que le comparateur CMP bascule, l'interrupteur I2 est temporairement fermé pour accumuler et conserver dans le condensateur Cpix la valeur instantanée de la tension présente sur la ligne LB3. Or cette valeur correspond bien à la valeur que doit prendre le pixel pour satisfaire, sur l'ensemble des pixels, à l'histogra7me cumulé transformé. Ainsi l'on construit sur le substrat méme de l'imageur MOS l'image corrigée, avec les conséquences suivantes: - l'influence de la nonlinéarité de la loi qui relie l'intensité lumineuse effectivement reçue par le pixel et l'instant T de basculement est annulée grâce au fait que l'instant d'échantillonnage correspond précisément à l'instant du basculement du comparateur, c'est-à-dire d'accroissement de l'histogramme cumulé avant traitement present sur la ligne LB2; - la lecture par les circuits CL de l'image traitée, disponible en même temps sur l'ensemble des capacités Cpix du réseau à la fin d'un cycle de fonctionnement, peut s'effectuer selon une période fixe. La seule difficulté réside en ce que des pixels ayant reçu trop peu de lumière pour basculer au cours de la période considérée resterons vus comme noirs, même s'ils sont nombreux. On observera par ailleurs que, selon une variante de réalisation non illustrée, on peut faire en sorte que l'instant auquel s'effectue l'enregistrement dans le circuit d'échantillonnage, par la sortie complémentaire du comparateur CMP, peut être légèrement décalé par rapport à l'instant d'injection dans la ligne LB2 du courant correspondant au basculement de la cellule considérée. Cet enregistrement peut ainsi s'effectuer légèrement plus tôt ou légèrement plus tard. Cette solution peut être adoptée pour laisser au circuit de transformation le temps d'effectuer la transformation d'histogramme cumulé. En référence maintenant à la figure 3, on a illustré un exemple de réalisation du circuit de la figure 2 à l'aide de transistors MOS. Les mêmes éléments que sur la figure 2 sont désignés par les mêmes signes de référence. Les transistors T2, T3, T4, T5 et T7 constituent à la fois le comparateur CMP et le générateur de courant constant GC, la valeur du courant étant fixée par une tension de polarisation Vb appliquée sur la grille de T7. Le transistor To6 constitue l'interrupteur Il, tandis que le transistor T8 constitue l'interrupteur I2. Les transistors T9 et T10 constituent le circuit de lecture de la valeur de la tension présente aux bornes de la capacité Cpix, ce circuit de lecture étant relié à un bus de lecture BL. On a represente en outre une ligne de sélection de ligne LS commandant le circuit de lecture. On a illustré sur la figure 4 le comportement d'un imageur selon la présente invention lorsque les comparateurs de deux cellules notées 1 et 2 basculent successivement. (Dans cet exemple, on suppose que la réalisation est telle que l'instant d'échantillonnage de la tension IT d'histogramme cumulé après transformation est retardé d'une valeur At après l'instant de basculement du comparateur. On suppose également que les photodiodes, contrairement à ce que l'on a décrit plus haut, sont telles que le courant à leurs bornes croît lorsqu'un flux lumineux leur est appliqué). L'instant tO est celui de la fin de la précharge simultanée de toutes les photodiodes de l'imageur (début de l'acquisition). La tension de photodiode de la première cellule est notée Vdl. Lorsqu'elle franchit le seuil Vs (instant tl), le courant Il appliqué à la ligne de courant HIC passe de zéro à la valeur Ict, pour accroître cette valeur le courant représentatif de!'histogramme cumulé HIC. La valeur de la tension echantillonnée sur le signal IT à l'instant tl+At est notée Vcpi::l. A l'instant c2, c'est la ceule 2, qui a reçu une quantité de lumière moins importante, qui commute, c'est-à- dire que la tension de photodiode vd2 franchit le seuil Vs. Un courant I2 passant de zéro à Ict est rajouté au courant représentatif de HIC, et la tension échantillonnée sur le signal IT à l'instant c2+At est noté Vcpix2. Le processus se répète ainsi pour toutes les cellules de l'imageur. Maintenant en réf-rence à la figure 5, on a représenté un exemple de structure globale d'un imageur MOS selon l'invention, qui comprend un circuint principal formé sur un substrat commun et comprenant un réseau de cellules CEL conformes à la figure 2 disposées en rangées et colonnes, un circuit décodeur de ligne DL de type classique, et un multiplexeur de colonnes mC également de type classique. A l'extérieur de ce substrat est réalisé le circuit amplificateur/convertisseur de transformation d'histogramme CTH, recevant la ligne de bus LB2 acheminant le courant d'histogramme cumulé avant traitement et ré- appliquant au circuit principal la tension d'histogramme après transformation sur la ligne de bus LB3. Au circuit principal sont également appliquées les tensions d'alimentation Vdd et Vss, la tension de seuil Vs et la tension de polarisation Vb, ainsi qu'un bus d'adresses ADR. La sortie de l'imageur s'effectue au niveau du multiplexeur de colonnes. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et représentées, mais l'homme de l'art saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. En particulier, bien que l'on ait décrit ci-dessus un capteur noir et blanc à niveaux: de gris, il est clair que la présente invention peut être utilisée pour traiter la luminosité d'une image en couleurs. L'invention s'applique avantageusement à tous les domaines techniques ayant recours à des capteurs d'image à semi-conducteurs (robotique et reconnaissance de formes, électronique grand-public, aide à la vision en automobile ou autre, etc.... l. le est particulièrement intéressante dans le cas o, notamment pour des raisons d'encombrement, une optique à diaphragme variable n'est pas désirable. REVENDICATIONS 1. Capteur d'image à semi-conducteurs, du type comprenant un ensemble de cellules (CEL) comprenant chacune un élément semi- conducteur photosensible (PD) capable de générer un premier paramètre électrique dont la valeur évolue de façon monotone avec la quantité de lumière reçue pendant un cycle donné par ladite cellule, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans chaque cellule: un moyen comparateur (CMP) apte à comparer au cours du cycle ledit paramètre électrique avec une valeur de seuil (Vs) commune à toutes les cellules, un moyen générateur (GC) commandé par la sortie du moyen comparateur pour faire varier un second paramètre électrique (HIC) sur une première ligne (LB2) commune à toute les cellules d'une valeur constante prédéterminée (Ict) lorsque ledit premier paramètre a franchi ledit seuil, un moyen échantillonneur (I2, Cpix) commandé également par la sortie dudit moyen comparateur pour enregistrer dans ladite cellule la valeur instantanée d'un troisième paramètre électrique (IT) présent sur une seconde ligne commune (LB3) sensiblement lorsque ledit premier paramètre a franchi ledit seuil, et en ce que le capteur comprend en outre: un circuit (CTH) pour effectuer une conversion de l'évolution du second paramètre électrique (HIC) en fonction du temps en une évolution du troisième paramètre électrique (IT) en fonction du temps, et des moyens de lecture (CL) des valeurs instantanées du troisième paramètre électrique enregistrées dans les diverses cellules en fin de cycle. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur photosensible de chaque cellule consiste en une photodiode (PD), en ce qu'il est prévu des moyens (Il) pour précharger les photodiodes des diverses cellules, en ce que le premier paramètre électrique est la tension électrique aux bornes de la photodiode, comparée par le moyen comparateur (CMP) à une tension de seuil (Vs). 3. Capteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen générateur (GC) comprend un générateur de courant constant, ladite première ligne commune (LB2) étant reliée aux générateurs des différentes cellules et ledit second paramètre électrique (HIC) étant le courant cumulé dans la ligne. 4. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le troisième paramètre (IT) est une tension électrique, et en ce que le moyen échantillonneur comprend un condensateur (Cpix) et interrupteur (I2) commandé par le moyen comparateur et apte à sélectivement appliquer la tension instantanée présente sur la seconde ligne commune (LB3) audit condensateur. 5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen générateur (GC) et le moyen échantillonneur (I2, Cpix) sont commandés par la sortie du moyen comparateur (CMP) à des instants légèrement différents (t, t+ At) 6. Capteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments photosensibles (Pd), les moyens comparateurs (CMP), les moyens générateurs (GC), les moyens échantillonneurs (I2, Cpix) et les moyens de lecture (CL) des différentes cellules sont réalisés en technologie Métal-Oxyde-Semiconducteur sur un substrat commun.