Brevet FR2758906A1 — publié le 19980731

CAMERA A TUBE TRES RAPIDE ET SANS FLOU DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne une caméra à tube très rapide et sans flou ("non-smear"). Elle s'applique notamment: - à l'enregistrement et à l'analyse de mouvements très rapides, - à la reconnaissance d'objets, - à l'étude de réactions chimiques et biologiques, et - à la commande automatique de lignes de production. Etat de la technique antérieure On connait un grand nombre de caméras et de dispositifs à couplage de charges ou CCD qui sont très rapides. A ce sujet, on consultera le document (1) qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description. Les caméras dont le tube est muni d'une déflexion électrostatique et d'un obturateur et les caméras dont le tube est muni d'un miroir tournant engendrent des débits de données ("data rates") élevés dans le domaine allant de 10 - Hz à 10 Hz avec une densité de pixels qui peut être faible ou modérée, fournissant ainsi une cadence d'images ("frame rate") dans le domaine allant de 10 images par seconde a 10 images par seconde. Les systèmes à CCD à grande surface, refroidis et à balayage lent ont des débits de données dans le domaine du kHz avec une grande densité de pixels et une lecture ("read out") inférieure à la seconde. A ce sujet, on consultera les documents (2) et (3). Entre ces deux extrêmes, les systèmes à CCD très rapides et la plupart des caméras vidéo ont un débit de données de pixels ("pixel data rate") allant de 10' à 10' avec une cadence d'images allant de 30 images par seconde à quelques milliers d'images par seconde. Le grand domaine des cadences d'images vidéo est dû en partie à l'utilisation de la lecture ("read out") simultanée de segments d'une image ("frame") par multi- port ("multiporting"). En ce qui concerne le mono-port ("single port"), la cadence d'images d'un système à CCD est limitée par l'inefficacité de transfert des charges, la largeur de bande des amplificateurs intégrés et la cadence d'horloge ("clocking rate"). Un système à CCD très rapide, commercialement disponible, peut avoir un débit de données de pixels de 32,8x10 Hz. En d'autres termes, la résolution vaut 128x128 pixels pour un débit de données de 2000 images par seconde. Il existe des caméras conçues pour avoir une résolution moyenne et une grande rapidité. Ces caméras utilisent un tube de caméra classique et la technologie vidicon à déflexion électrostatique très rapide connue sous le nom de Focus Projection and Scan (FPS). A ce sujet, on consultera le document (1). La résolution et la cadence d'images sont alors données comme étant égales respectivement à 65 536 pixels et 625 images par seconde. En réalité, de telles caméras permettent seulement de filmer le mouvement de petits objets à l'aide d'un obturateur rapide. A ce sujet, on consultera le document (4). Si l'objet est très grand et éclairé par une source lumineuse continue, l'image est illisible. Ceci résulte du fait que le FPS ne fait qu'augmenter le taux de lecture ("readout rate"). Mais la rémanence ("lag") d'une cible de tube de caméra classique est si grande que les images se superposent sur la cible. Prenons l'exemple du meilleur cas d'une cible en PbO. Sa rémanence vaut 1% à la cadence d'images normale de 25 images par seconde (trois champs, 3xl/50 seconde). La rémanence vaut 15% à une cadence d'images de 60 images par seconde (3 champs, 3xl/120 seconde). Evidemment, il s'agit de la limite réelle de la cadence d'images d'un système à caméra FPS. Ainsi, on connait des caméras à tube qui utilisent des cibles par exemple en PbO mais qui ne permettent pas d'obtenir une grande cadence d'images. De plus, ces caméras connues nécessitent des obturateurs rapides qui conduisent à des images illisibles lorsque la scène observée est vaste et éclairée par une source lumineuse continue. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents grâce à l'utilisation d'une cible originale et permet d'obtenir, sans aucun obturateur, des images de haute résolution, sans flou et de cadence rapide. De façon précise, la présente invention a pour objet une caméra à tube, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un tube électronique comprenant: une cible photosensible qui est faite d'un matériau semi-conducteur monocristallin et dont l'épaisseur est au moins égale à 300 un, cette cible comprenant une matrice de pixels occupant chacun une surface d'au plus Pm x 10 Pm, - des moyens optiques prévus pour former l'image d'une scène sur la cible, - un canon à électrons prévu pour fournir un faisceau d'électrons pour lire la cible, et - des moyens de balayage électrostatique et de focalisation prévus pour provoquer le balayage de la cible par ce faisceau d'électrons et pour focaliser ce faisceau d'électrons sur la cible de manière à lire t'image formée sur cette cible, la cible fournissant un signal électrique représentatif de cette image, des premiers moyens électroniques de traitement (ordinateur) prévus pour commander le canon à électrons et les moyens de balayage électrostatique et de focalisation, et - des moyens de commande et de mémorisation prévus pour recevoir le signal fourni par la cible, pour mémoriser ce signal et pour commander les premiers moyens électroniques de traitement. Selon un mode de réalisation particulier de la caméra objet de l'invention, la cible est faite de silicium monocristallin dont la résistivité est supérieure à 1000 Q.cm. Selon un autre mode de réalisation particulier, la cible est faite d'un matériau semi-conducteur monocristallin qui est sensible aux rayonnements infrarouges. Selon un mode de réalisation préféré de la caméra objet de l'invention, la capacité de chaque pixel est au plus égale à 5xlO-i F. De préférence, le canon à électrons est prévu pour fournir un faisceau d'électrons dont l'intensité est supérieure à 200 nA. De préférence également, les moyens de balayage et de focalisation sont prévus pour commander le balayage de la cible à une cadence comprise dans le domaine allant de 25 images par seconde à 2000 images par seconde. La caméra objet de l'invention peut être munie: - de deuxièmes moyens électroniques de traitement prévus pour traiter le signal mémorisé dans les moyens de commande et de mémorisation, et - de moyens de visualisation de]'image représentée par le signal ainsi traité. Brève description des dessins La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier de la caméra à tube objet de l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique de la cible que comprend la caméra de la figure 1. Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers La caméra 2 conforme à l'invention qui est schématiquement représentée sur la figure 1, comprend un tube électronique 4. Ce tube électronique 4 comprend: - une cible photosensible 6 qui est faite d'un matériau semi-conducteur monocristallin et dont l'épaisseur est au moins égale à 300 nim, cette cible 6 comprenant une matrice de pixels 8 (figure 2) occupant chacun une surface ne dépassant pas 10 pm x 10 um, des moyens optiques 10 prévus pour former l'image d'une scène 12 (objet par exemple) sur la cible 6, - un canon à électrons 14 prévu pour fournir un faisceau d'électrons 16 pour lire la cible, - des moyens de balayage électrostatique et de focalisation 18 prévus pour provoquer le balayage de la cible par ce faisceau d'électrons et pour focaliser ce faisceau d'électrons sur cette cible de manière à lire l'image formée sur cette dernière, la cible 6 fournissant alors un signal électrique S représentatif de cette image. La caméra 2 conforme à l'invention comprend aussi: - des premiers moyens électroniques de traitement prévus pour commander le canon à électrons 14 et les moyens de balayage électrostatique et de focalisation 18, et - des moyens de commande et de mémorisation 22 prévus pour recevoir le signal S fourni par la cible, pour mémoriser ce signal S et pour commander les premiers moyens électroniques de traitement 20. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la cible 6 est en silicium monocristallin faiblement dopé, ayant une résistivité supérieure à 1000 Q.cm. Cependant, dans d'autres modes de réalisation particuliers, la cible peut être faite d'autres matériaux semiconducteurs monocristallins, comme par exemple le germanium, afin que la caméra 2 puisse être utilisée avec d'autres rayonnements que la lumière visible, par exemple les rayonnements infrarouges. Dans ce cas, l'épaisseur de la cible est encore au moins égale à 300 um et les pixels occupent encore chacun une surface ne dépassant pas 10 pm x 10 pm. En revenant à la figure 1, des images sont enregistrées à grande vitesse par la caméra 2 et sont stockées dans les moyens de commande et de mémorisation 22 qui comprennent une mémoire temporaire du type file d'attente. Ces moyens 22 sont reliés à des moyens électroniques 24 de traitement des images ainsi mémorisées. Ces moyens 24 comprennent par exemple une mémoire permanente et un processeur de traitement des images. Ces moyens 24 sont eux-mêmes reliés à des moyens 26 de visualisation des images. La caméra 2 conforme à l'invention est conçue pour fonctionner à une cadence d'images bien supérieure à 33 images par seconde et cela sans flou d'image ("blurring"). Afin d'obtenir un débit de données de pixels supérieur à 2,62x10' (correspondant à une résolution de 512x512 pixels à une cadence d'images de 1000 images par seconde), la capacité de chaque pixel est choisie inférieure ou égale à 5x10-7 F. On précise que ces pixels constituent de petits condensateurs. La cible 6 permet d'obtenir une cadence d'images élevée et une haute résolution. On peut utiliser un canon à électrons 14 qui fournit un faisceau d'électrons 16 dont l'intensité est supérieure à 200 nA (cette valeur de 200 nA correspondant à un tube classique). Ceci permet d'obtenir une cadence d'images supérieure. On peut par exemple utiliser un faisceau d'électrons dont l'intensité vaut 400 nA, la cadence d'images étant alors égale à 2000 images par seconde et la résolution restant égale à 512x512 pixels. Les moyens 18 de balayage et de focalisation, qui utilisent une déflexion électrostatique, contribuent à l'obtention d'une cadence d'images très supérieure à 25 images par seconde et pouvant aller jusqu'à 2000 images par seconde. Ces moyens 18 de balayage et de focalisation engendrent une tension de balayage en escalier ou en rampe linéaire. On précise que le signal de sortie S fourni par la cible 6 est analogique. La caméra 2 conforme à l'invention présente divers avantages par rapport aux caméras CCD très rapides et aux caméras FPS à grande cadence d'images. La cadence d'images et la résolution qu'elle autorise sont supérieures à celles d'un système CCD très rapide et le débit de données de pixels peut être égal à 512 x 512 x 2000. Il n'y a pas d'effet de flou du fait de l'utilisation d'une cible adaptée. La déflexion peut être programmée et le format de balayage peut être changé. Le prix de la caméra est inférieur à ceux des systèmes CCD très rapides qui sont commercialement disponibles. De plus, il est possible de travailler dans le domaine infrarouge ou dans d'autres domaines si la cible est faite de matériaux sensibles à de tels domaines. Les documents cités dans la présente description sont les suivants: (1) Geoge J. Yates and Nicholas S.P. King, SPIE, vol. 2273, 1994, pp. 126-149. (2) Lamer, W.; Harrison, L. and Asiu, A., SPIE, vol. 2273, 1994, pp. 38-45. (3) Kamasz, S.R.; Farrier, M.G.; Ma, F.; and Sabila, R., SPIE, vol. 2273, 1994, pp. 155-166. (4) Nicholas S.P. King, Krank H. Cverna, Kevin L. Albright, Steve A. Jaramillo, GeDrge J. Yates and Thomas E. McDonald, SPIE, vol. 2273, pp. 86-90, 1994. REVENDICATIONS 1. Caméra (2) à tube, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un tube électronique (4) comprenant: - une cible photosensible (6) qui est faite d'un matériau semi-conducteur monocristallin et dont l'épaisseur est au moins égale à 300 um, cette cible comprenant une matrice de pixels (8) occupant chacun une surface d'au plus Pm x 10 um, - des moyens optiques (10) prévus pour former l'image d'une scène (12) sur la cible, - un canon à électrons (14) prévu pour fournir un faisceau d'électrons (16) pour lire la cible, et - des moyens de balayage électrostatique et de focalisation (18) prévus pour provoquer le balayage de la cible par ce faisceau d'électrons et pour focaliser ce faisceau d'électrons sur la cible de manière à lire l'image formée sur cette cible, la cible fournissant un signal électrique représentatif de cette image, - des premiers moyens électroniques de traitement (20) prévus pour commander le canon à électrons et les moyens de balayage électrostatique e' de focalisation, et - des moyens de commande et de mémorisation (22) prévus pour recevoir le signal fourni par la cible, pour mémoriser ce signal et pour commander les premiers moyens électroniques de traitement. 2. Caméra selon la revendication 1, dans laquelle la cible (6) est faite de silicium monocristallin dont la résistivité est supérieure à 1000 Q.cm. 3. Caméra selon la revendication 1, dans laquelle la cible est faite d'un matériau semi-conducteur monocristallin qui est sensible aux rayonnements infrarouges. 4. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la capacité de chaque pixel (8) est au plus égale à 5xlO-7 F. 5. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le canon à électrons (14) est prévu pour fournir un faisceau d'électrons dont l'intensité est supérieure à 200 rA.. 6. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les moyens de balayage et de focalisation (18) sont prévus pour commander le balayage de la cible à une cadence comprise dans le domaine allant de 25 images par seconde à 2000 images par seconde. 7. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, munie: - de deuxièmes moyens électroniques de traitement (24) prévus pour traiter le signal mémorisé dans les moyens de commande et de mémorisation, et - de moyens (26) de visualisation de l'image représentée par le signal ainsi traité.