Brevet FR3048124A1 — publié le 20170825

L'invention concerne le domaine des circuits de dé- tection d'impulsions lumineuses telles que des impulsions laser. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Une matrice de détection laser comporte classique- ment une pluralité de dispositifs de détection comprenant chacun une photodiode et un circuit de détection. Les dispositifs de détection sont agencés en lignes et en colonnes pour former des pixels de la matrice de détection laser. Chaque photodiode transforme un rayonnement lumineux incident en un photo-courant. Chaque circuit de détection comporte classiquement une capacité d'intégration qui intègre le photo-courant pendant une période d'intégration prédéterminée. La tension aux bornes de la capacité d'intégration, qui est proportionnelle au photo-courant à l'issue de la période d'intégration, est alors exploitée pour détecter la présence d'impulsions laser dans le rayonnement lumineux incident. Cependant, outre d'éventuelles impulsions laser, le rayonnement lumineux incident qui atteint chaque photodiode comprend un certain niveau de bruit de fond lumineux qui dépend de l'environnement lumineux de la photodiode. L'une des difficultés principales de la détection d'impulsions laser consiste à extraire efficacement du rayonnement lumineux incident les impulsions laser, c'est-à-dire à réduire au maximum le taux de fausses alarmes résultant de la détection de signaux parasites compris dans le bruit de fond lumineux, sans pour autant affecter la probabilité de détection des impulsions laser. OBJET DE L'INVENTION 3048124 2 L'invention a pour objet d'améliorer la détection d'impulsions lumineuses telles que des impulsions laser par un circuit de détection. RESUME DE L'INVENTION 5 En vue de la réalisation de ce but, on propose un circuit de détection d'impulsions lumineuses destiné à être connecté à une photodiode, le circuit de détection comportant une capacité d'intégration adaptée à intégrer un photo-courant produit par la photodiode, des moyens de 10 décharge destinés à décharger la capacité d'intégration, et des moyens de comparaison adaptés à comparer une tension d'intégration aux bornes de la capacité d'intégration avec un seuil de tension de référence pour produire un signal de détection d'une impulsion lumi- 15 neuse. Selon l'invention, le seuil de tension de référence est un seuil auto-adaptatif dépendant d'un niveau de fond lumineux résiduel. Lorsqu'un seuil de tension de référence fixe est 20 utilisé, le seuil de tension de référence fixe doit être élevé pour éviter de détecter de manière intempestive des impulsions lumineuses à cause de fluctuations résiduelles du niveau de fond lumineux résiduel d'une scène vue par la photodiode. 25 Cependant, l'utilisation d'un seuil de tension de référence élevé tend à réduire la sensibilité de détection du circuit de détection. Au contraire, grâce au seuil de tension de référence auto-adaptatif, le circuit de détection de l'invention 30 s'adapte au niveau de fond lumineux résiduel du pixel considéré et réduit le taux de fausses alarmes tout en conservant une sensibilité de détection élevée. L'invention concerne également un dispositif de dé- tection comprenant une photodiode et un tel circuit de détection, et une matrice de détection comportant une 3048124 3 pluralité de tels dispositifs de détection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier, non limi- 5 tatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence au dessin annexé qui comprend une figure unique représentant un schéma électrique du circuit de détection selon l'invention. 10 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure unique, le circuit de détection de l'invention 1 est connecté à une photodiode 2. Le circuit de détection 1 et la photodiode 2 constituent un dispositif de détection 3 formant un pixel d'une ma- 15 trice de détection qui comporte une pluralité de tels dispositifs de détection agencés en lignes et en colonnes. La photodiode 2 est ici une photodiode hybride, de type InGaAs (c'est à dire qu'un élément sensible de la 20 photodiode comporte une couche en arséniure d'indium- gallium). La photodiode 2 peut être modélisée par une source de courant 4 en parallèle avec une capacité Cdet. Le circuit de détection 1 est un circuit du type à 25 injection directe bufferisée (« Buffered Direct Injec- tion » en anglais). Le circuit de détection 1 comporte ainsi un bloc d'injection directe bufferisée 6 qui comprend un amplificateur 7 et un premier transistor MOSFET 8. Une sortie So 30 de l'amplificateur 7 est connectée à une grille G du pre- mier transistor MOSFET 8. Une entrée inverseuse Ei de l'amplificateur 7 est connectée à une source S du premier transistor MOSFET 8. Le bloc d'injection directe bufferisée 6 met en 35 oeuvre un asservissement qui permet de réduire l'impédance 3048124 4 d'entrée du premier transistor MOSFET 8 et d'améliorer le contrôle de la polarisation de la photodiode 2. Les variations d'impédance de la capacité Cdet sont ainsi limitées et l'injection de courant est plus efficace dans une 5 capacité d'intégration Cint. La capacité d'intégration Cint est connectée à un drain D du premier transistor MOSFET 8. La capacité d'intégration Cint est adaptée à intégrer un photo-courant Ip produit par la photodiode 2 et résultant d'un 10 rayonnement lumineux incident 10 atteignant la photodiode 2. La valeur de capacité de la capacité d'intégration Cint est nettement inférieure à la valeur de capacité de la capacité Cdet, et donc le gain de conversion courant- 15 tension du circuit de détection 1 est relativement impor- tant. Le gain de conversion courant-tension peut par ail- leurs être commandé collectivement (c'est-à-dire pour l'ensemble des dispositifs de détection de la matrice de 20 détection), afin de s'adapter continuellement à l'ampli- tude des impulsions lumineuses. La tension Gain_BDI permet de commander le gain de conversion courant-tension La détection d'impulsions lumineuses présentes dans le rayonnement lumineux incident 10, telles que des im- 25 pulsions laser, consiste à exploiter, à intervalles régu- liers égaux chacun à une période d'intégration prédéterminée, une tension d'intégration Vint aux bornes de la capacité d'intégration Cint. La tension d'intégration Vint résulte de l'intégration du photo-courant Ip par la 30 capacité d'intégration Cint. Grâce au gain de conversion courant-tension relativement important évoqué plus tôt, la tension d'intégration Vint est suffisamment élevée pour permettre de détecter la présence ou non, dans le photo-courant Ip, d'une impulsion de courant représenta- 35 tive d'une impulsion lumineuse. 3048124 5 L'exploitation de la tension d'intégration Vint consiste à comparer la tension d'intégration Vint aux bornes de la capacité d'intégration Cint avec un seuil de tension de référence Vseuil. La présence, dans le photo- 5 courant Ip, d'une impulsion de courant représentative d'une impulsion lumineuse au cours d'une période d'intégration aura en effet pour conséquence d'augmenter légèrement la tension d'intégration Vint, ladite légère augmentation étant détectée par comparaison avec le seuil 10 de tension de référence Vseuil. La comparaison est effec- tuée par des moyens de comparaison 12 qui seront décrits plus bas. Cependant, il convient de décharger la capacité d'intégration Cint de manière régulière, pour qu'une aug- 15 mentation détectée de la tension d'intégration Vint cor- responde bien à une impulsion de courant représentative d'une impulsion lumineuse, et non à une accumulation de charges dans la capacité d'intégration Cint résultant de l'intégration du photo-courant Ip au cours des périodes 20 d'intégration précédentes. Le circuit de détection 1 comporte à cet effet des moyens de décharge 13 adaptés à décharger la capacité d'intégration Cint de manière continue, c'est-à-dire que les moyens de décharge 13 fonctionnent en permanence et 25 pas uniquement, par exemple, à l'issue d'une période d'intégration. Les moyens de décharge 13 comportent un deuxième transistor Mosfet 14 dont une source S et un drain D sont connectés aux bornes de la capacité d'intégration Cint et 30 dont une grille G est reliée à un filtre passe-bas de dé- charge 15. La source S est isolée par un suiveur de tension 11 (qui est un amplificateur d'isolation à forte impédance d'entrée). Le filtre passe-bas de décharge 15 est connecté à la capacité d'intégration Cint. Le filtre 35 passe-bas de décharge 15 est ici un filtre RC. 3048124 6 Le filtre passe-bas de décharge 15 permet de produire une tension de compensation Vcomp. La tension de compensation Vcomp est une composante de la tension Vint qui résulte de la présence d'un courant de fond dans le 5 photocourant Ip. Le courant de fond est généré par la photodiode 2 et provient d'un éclairement de fond lumineux présent dans le rayonnement lumineux incident 10. La tension de compensation Vcomp correspond à la tension d'intégration Vint à laquelle a été retranchée par le 10 filtre passe-bas de décharge 15 une composante résultant d'une impulsion de courant générée par une impulsion lumineuse. L'application de la tension de compensation Vcomp sur la grille G du deuxième transistor Mosfet 14 permet 15 de générer un courant de décharge Id proche du courant de fond qui décharge la capacité d'intégration Cint de manière continue. On met ainsi en oeuvre un filtrage passe-haut en réa- lisant une « rétro-injection » du courant de décharge Id 20 généré grâce au filtre passe-bas de décharge 15. Le filtre passe-bas de décharge 15 est aussi chargé de supprimer des composantes hautes fréquences résiduelles de la tension Vint. Les moyens de décharge 13 permettent donc de déchar- 25 ger automatiquement la capacité d'intégration Cint, mais aussi de soustraire, en opposition de phase, la majeure partie des fluctuations du courant de fond de la scène. Les moyens de comparaison 12 comparent ensuite la tension d'intégration Vint, débarrassée d'une grande par- 30 tie de ses fluctuations de courant de fond de scène, avec le seuil de tension de référence Vseuil. Les moyens de comparaison 12 comportent un comparateur 17, un sommateur 18 et un filtre passe-bas de détection 19. Le filtre passe-bas de détection 19 est ici un deuxième filtre RC. 35 Le filtre passe-bas de détection 19 filtre le signal 3048124 7 Vint en sortie du suiveur de tension 11 et est destiné à filtrer la tension d'intégration Vint pour obtenir une tension d'intégration Vintf filtrée de ses composantes résultant d'impulsions lumineuses à haute fréquence. 5 La tension d'intégration filtrée Vintf, tout comme la tension de compensation Vcomp, correspond donc à la tension d'intégration Vint à laquelle a été retranchée une composante résultant d'une impulsion de courant générée par une impulsion lumineuse. Le seuil de tension de 10 référence Vseuil est un seuil auto-adaptatif qui résulte d'une addition, via le sommateur 18, du niveau du fond Vint F présent dans le rayonnement lumineux incident 10 _ et d'un seuil de tension Vr, réglable extérieurement et collectivement pour obtenir le seuil de tension de réfé- 15 rence final Vseuil. Le seuil de tension réglable Vr est réglé de sorte que, pour chaque pixel, le seuil de tension de référence Vseuil soit suffisamment au-dessus du niveau du bruit de fond pour éviter de générer de fausses alarmes ou pour 20 s'adapter à des impulsions laser plus importantes, par exemple. Le seuil de tension réglable Vr est réglé grâce à une tension de réglage unique pour tous les pixels, soit une fois, par essai, au moment de la mise au point de la 25 matrice de détection, soit de manière continue par un composant de type FPGA ou microcontrôleur. La tension d'intégration Vint est appliquée sur une entrée non inverseuse Eni du comparateur 17. Le seuil de tension de référence Vseuil est appliqué sur une entrée 30 inverseuse Ei du comparateur 17. Le comparateur 17 com- pare la tension d'intégration Vint avec le seuil de tension de référence Vseuil. Lorsque la tension d'intégration Vint est supérieure au seuil de tension de référence Vseuil, le comparateur 35 produit sur sa sortie So un signal numérique égal à 3048124 8 « 1 ». Lorsque la tension d'intégration Vint est inférieure ou égale au seuil de tension de référence Vseuil, le comparateur produit sur sa sortie So un signal numérique égal à « 0 ». 5 Le circuit de détection 1 comporte des moyens de mé- morisation 20 qui mémorisent les valeurs successives du signal numérique ou analogique. Les lignes et les colonnes de la matrice de détection sont multiplexées pour produire des signaux numériques égaux à « 0 » ou à « 1 » 10 ou analogiques pour l'ensemble des pixels provenant des moyens de mémorisation 20 de chaque circuit de détection 1 des dispositifs de détection 3 de la matrice de détection. Avantageusement, le circuit de détection 1 est au 15 moins partiellement mis en oeuvre sur un ASIC. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. 20 REVENDICATIONS1. Circuit de détection d'impulsions lumineuses destiné à être connecté à une photodiode (2), le circuit de détection comportant une capacité d'intégration (Cint) adaptée à intégrer un photocourant (Ip) produit par la photodiode, des moyens de décharge (13) destinés à décharger la capacité d'intégration, et des moyens de comparaison (12) adaptés à comparer une tension d'intégration (Vint) aux bornes de la capacité d'intégration avec un seuil de tension de référence (Vseuil) pour produire un signal de détection d'une impulsion lumineuse, caractérisé en ce que le seuil de tension de référence (Vseuil) est un seuil auto-adaptatif dépendant d'un niveau de bruit de fond lumineux. 2. Circuit de détection selon la revendication 1, dans lequel les moyens de comparaison comportent un comparateur (17), un filtre passe-bas de détection (19) connecté à la capacité d'intégration (Cint) et destiné à filtrer la tension d'intégration pour obtenir une tension d'intégration filtrée (Vintf), un sommateur (18) pour ajouter à la tension d'intégration filtrée un seuil de tension réglable (Vr) pour obtenir le seuil de tension de référence, le seuil de tension de référence étant appli- qué sur une entrée inverseuse du comparateur (17) et la tension d'intégration étant appliquée sur une entrée non inverseuse du comparateur (17). 3. Circuit de détection selon la revendication 2, dans lequel le filtre passe-bas de détection (19) est un filtre RC adapté à supprimer des impulsions lumineuses à hautes fréquences du signal Vint. 4. Circuit de détection selon la revendication 1, dans lequel les moyens de décharge (13) sont adaptés à 3048124 10 décharger la capacité d'intégration (Cint) de manière continue. 5. Circuit de détection selon la revendication 5 1, dans lequel les moyens de décharge comportent un tran- sistor Mosfet (14) dont une source et un drain sont connectés aux bornes de la capacité d'intégration et dont une grille est reliée à un filtre passe-bas de décharge (15) relié à la capacité d'intégration. 10 6. Circuit de détection selon la revendication 5, dans lequel le filtre passe-bas de décharge (15) est un filtre RC chargé de supprimer des composantes hautes fréquences résiduelles du signal Vint. 15 7. Circuit de détection selon l'une des reven- dications précédentes, le circuit de détection étant du type à injection directe bufferisée 20 8. Circuit de détection selon la revendication 7, présentant un gain pouvant être commandé collectivement par une tension (GainBDI). 9. Dispositif de détection comprenant une pho- 25 todiode et un circuit de détection selon l'une des reven- dications précédentes. 10. Matrice de détection comportant une pluralité de dispositifs de détection selon la revendication 8 30 agencés en lignes et en colonnes.