FR2613567A1 - Dispositif detecteur photosensible pour systemes electroniques de prise d'images en couleur - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF DETECTEUR PHOTOSENSIBLE COMPOSE DE NOMBREUX ELEMENTS DETECTEURS PHOTOSENSIBLES QUI SONT GROUPES EN GROUPES PHOTODETECTEURS PRESENTANT CHACUN UN NOMBRE PREDETERMINE (TROIS) D'ELEMENTS DETECTEURS PHOTOSENSIBLES E, E, E... E, E, E. LES ELECTRODES DE COMMANDE DES ELEMENTS SONT RELIEES A DES GENERATEURS DE TENSION REGLABLES 3, 4, 5 DETERMINANT DES LONGUEURS D'ONDES LIMITES DIFFERENTES POUR LES ELEMENTS DES DIFFERENTS GROUPES. UN AGENCEMENT DE FILTRE A CARACTERISTIQUE PASSE-HAUT OU PASSE-BAS EST DISPOSE EN AVANT DU GROUPEMENT DE PHOTODETECTEURS. LES SIGNAUX DES ELEMENTS COMMANDENT DES AMPLIFICATEURS DIFFERENTIELS BRANCHES DE MANIERE A OBTENIR A LEURS SORTIES DES ALLURES DE SIGNAUX SPECTRAUX SELECTIONNES DIFFERENCIABLES.
Description
DISPOSITIF DETECTEUR PHOTOSENSIBLE POUR SYSTEMES ELECTRONIQUES
DE PRISE D'IMAGES EN COULEUR.
La présente invention se rapporte à un dispositif détecteur photosensible comprenant un grand nombre d'éléments détecteurs photo- sensibles présentant chacun une structure multicouche de matériau semi-conducteur photosensible à dopage alterné positif et négatif avec une structure de grille de surface et des électrodes de commande disposées perpendiculairement aux couches semi-conductrices, de façon adjacente aux faces frontales des ces dernières, électrodes auxquelles est applicable une tension de commande pour commander la
sensibilité spectrale.
De tels dispositifs détecteurs photosensibles utilisent fréquemment des grilles de surface à dopage à l'arséniure de gallium, disposées sur un substrat d'arséniure de gallium semi-isolant, le dopage n s'effectuant à l'aide de silicium et le dopage p à l'aide de béryllium. Les électrodes adjacentes aux différentes couches
+ +
présentent des régions n et p. La tension de polarisation appliquée à ces électrodes produit une plage spectrale prédéterminée qui varie
en fonction de l'importance de cette tension de commande.
Les systèmes connus de prise d'images avec des photodétecteurs couleur et noir et blanc présentent des tubes Vidicon ou alors des groupements de dispositifs à transfert de charge (DTC) au silicium, ces derniers comprenant en règle générale des photoéléments qui sont disposés en lignes et en colonnes et dont les signaux sont transférés
à des dispositifs du type à transfert de charge (couplage de charge).
Les détecteurs d'image noir et blanc connus présentent l'inconvénient que leur sensibilité spectrale est prédéterminée par le matériau détecteur utilisé. Une modification de la sensibilité spectrale n'est en général possible que par le montage de filtres optiques en avant des détecteurs. Si la sensibilité spectrale d'un système électronique de prise d'images doit être modifiée rapidement, il est en général nécessaire d'effectuer un changement rapide des filtres. Cela exige des pièces mécaniques qui éloignent par pivotement les filtres non nécessaires et font pivoter les filtres nécessaires devant le dispositif convertisseur photosensible. De telles pièces mécaniques sont défavorables en raison de leur coût et leur comportement de réponse. On connatt également des systèmes détecteurs d'images multiples composés chacun d'un grand nombre d'éléments détecteurs photosensibles. Chaque groupement de tels éléments détecteurs photosensibles présente une caractéristique spectrale prédéterminée. Lorsque la caractéristique spectrale doit
être modifiée, l'un des groupements d'éléments détecteurs photo-
sensibles doit être remplacé par un second groupement ayant une caractéristique spectrale différente. Il est également concevable d'utiliser des filtres spectraux différents afin de produire des caractéristiques spectrales différentes. De tels systèmes qui sont réalisés aussi bien en technique semi-conducteur qu'en technique tube présentent l'inconvénient d'un coût élevé et d'une structure compliquée. On connaTt également des dispositifs détecteurs photosensibles utilisant un unique détecteur d'images qui est précédé d'un filtre à bandes de couleur avec par exemple une sensibilité au rouge, une sensibilité au bleu et une sensibilité au vert. Les différentes zones de filtre alternent les unes avec les autres et présentent chacune la taille d'un élément détecteur photosensible (élément d'image ou pixel). A ce sujet, on distingue les tubes de prise d'images à bandes de couleur (Vidicon à bandes de couleur) et les groupements DTC à bandes de couleur (réseau DTC) . Dans le cas de tels groupements DTC de bandes de couleur, un filtre couleur correspond à chaque pixel photosensible DTC, ce filtre étant de préférence appliqué sur le
pixel DTC.
De tels groupements semi-conducteurs DTC précédés de filtres présentent l'inconvénient que pour chaque point d'image (pixel), il est nécessaire d'appliquer sur la puce ou microplaquette de semi- conducteur un très mince filtre couleur dont l'épaisseur est d'environ 10/um et qui présente le coefficient d'absorption ou comportement spectral nécessaire. Une telle technique de filtres couleur exige que les bandes de couleur soient appliquées sur le groupement DTC avec une bonne tenue à la température et au vieillissement. Des erreurs et des variations risquent alors de se produire en ce qui concerne la température et la stabilisation de longue durée de ces couches de filtres. Des problèmes peuvent également se produire en ce qui concerne l'absorption maximale et la transmission des couches de filtres couleur très minces. On connaTt
certes, un dispositif détecteur photosensible du type défini ci-
dessus par l'ouvrage Applied Physics A 37, 1985, pages 47 à 56.
Cependant, cet ouvrage ne donne aucun enseignement en vue de la création de plages de sensibilité spectrale essentiellement séparées
pour la technique électronique de prise d'images couleur.
La présente invention a pour objet un dispositif détecteur photosensible du type défini ci-dessus dont le comportement de sensibilité spectrale susceptible d'être commandé puisse être utilisé pour des dispositifs détecteurs sensibles aux couleurs pour des systèmes électroniques de prise d'images couleur, le dispositif détecteur photosensible ne devant pas nécessiter de filtres de bandes
de couleurs en amount des éléments convertisseurs opto-électroniques.
L'invention vise également à améliorer la sensibilité spectrale par
rapport à des systèmes électroniques connus de prise d'images.
Selon l'invention, il est prévu un groupement de groupes photo-
détecteurs présentant chacun un nombre prédéterminé d'éléments détecteurs photosensibles, que les électrodes de commande des éléments photodétecteurs de chaque groupe photodétecteur sont reliées à des générateurs de tension réglables, que les générateurs de tension permettent de régler différemment et de façon étagée les longueurs d'ondes limites supérieures et/ou inférieures des éléments photodétecteurs des différents groupes photodétecteurs, que le groupement des groupes photodétecteurs est précédé d'un agencement de filtre à caractéristique passe-haut ou passe-bas dont le seuil de coupure subdivise la plage spectrale des différents éléments photo- détecteurs des groupes photodétecteurs en une plage spectrale efficace supérieure ou inférieure, et que les signaux des éléments photodétecteurs de chaque groupe photodétecteur commandent des amplificateurs différentiels dont les entrées reçoivent les signaux spectraux des sorties de deux éléments photodétecteurs voisins de telle sorte que sur les sorties des amplificateurs différentiels
apparaissent des signaux spectraux sélectionnés différenciables.
Cela présente l'avantage qu'il est possible, par l'utilisation de semiconducteurs photosensibles, sans filtres de bandes de couleurs, avec une structure de grilles de surface, de préférence des grilles de surface dopée l'arséniure 4e gallium, par une commande appropriée des différents éléments photodétecteurs, après une différentiation de signaux spectraux voisins, se chevauchant les uns les autres, de créer des plages spectrales sélectives désirées qui conviennent en particulier au traitement d'images couleur. Un autre avantage consiste dans le fait que par le réglage de toutes les tensions de commande sur une valeur prédéterminée, il est possible de créer des impressions de couleur homogènes avec une sensibilité accrue en conséquence. Par le choix de cette tension de commande, il est possible sans difficulté de convertir un dispositif détecteur photosensible utilisé pour le traitement d'images couleur en un dispositif détecteur noir et blanc de sensibilité accrue. Un autre avantage consiste dans le fait que la stabilité de température et de longue durée du dispositif détecteur est assurée car il n'est pas nécessaire d'utiliser des filtres de bandes supplémentaires. Un autre avantage réside dans le fait qu'il ne se produit pas de réduction de
la sensibilité spectrale.
De préférence, le dispositif comprend des groupements uni- ou bidimensionnels d'éléments détecteurs photosensibles, qui sont chaque fois subdivisés en sous-groupes. La caractéristique ou sensibilité
spectrale est la même pour tous les éléments détecteurs photo-
sensibles. Cela facilite et simplifie la fabrication. La caractéristique spectrale est uniquement modifiée par le choix de la
tension de commande.
Suivant un mode de réalisation de l'invention, les tensions de
commande pour les éléments photodétecteurs de chaque groupe photo-
détecteur sont choisis et les tensions de sortie de signaux de ces éléments sont traitées dans les amplificateurs différentiels et les étages de traitement de telle manière que les allures de signaux
spectraux soient contiguës.
D'une manière avantageuse, le signal de sortie de l'élément photodétecteur ayant le signal spectral dont la longueur d'onde limite maximale est la plus proche de la longueur d'onde du seuil de
coupure de filtre est exploité sans formation de différence.
Le dispositif détecteur photosensible peut être avantageusement couplé avec un microordinateur qui, dans le cadre du programme de commande, tranfert les différentes valeurs de signaux des éléments de
prise d'images dans une mémoire d'écriture-lecture (mémoire vive).
Suivant un mode de réalisation particulièrement préféré, le circuit de commande pour le groupe photodétecteur comprend un multiplexeur par lequel tous les éléments photodétecteurs du groupement peuvent être commandés successivement par les différentes tensions de commande. En même temps, les signaux de sortie qui sont fonction de l'intensité de lumière peuvent être mémorisés dans la mémoire vive. Les différentes amplificateurs différentiels sont
disposés en aval de la mémoire vive.
En se référant aux dessins, on va décrire ci-après plus en détail des exemples de réalisation illustratifs et non limitatifs de l'invention; sur le dessin: la figure la est une représentation schématique d'un dispositif détecteur photosensible composé d'éléments de prise d'images disposés en lignes et en colonnes; la figure lb représente une ligne de détecteurs photosensibles; la figure 2 représente un circuit de commande par multiplexage pour le dispositif détecteur photosensible;
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la figure 3 représente schématiquement le dispositif détecteur photosensible avec des éléments qui y sont raccordés; la figure 4 montre un schéma de circuit du dispositif détecteur photosensible; la figure 5 donne la caractéristique spectrale d'un détecteur photosensible ainsi que la caractéristique d'un filtre monté en avant de ce détecteur; la figure 6 donne la caractéristique de sensibilité spectrale de trois éléments détecteurs photosensibles commandés différemment; la figure 7 donne l'allure de sensibilité spectrale de trois
plages spectrales après traitement.
Selon la figure la, la référence 1 désigne un dispositif détecteur photosensible qui comprend un grand nombre d'éléments détecteurs photosensibles Elll, E112, E113.. Elml, Elm2, Elm3 *..E E1, Eml2 E13; Em21, Em22 Em23.. et Emml, Emm, Emm. Comme le montre la figure lb, trois éléments détecteurs photosensibles
(pixels) voisins sont chaque fois associés à un groupe photo-
détecteur. Ainsi, par exemple, les pixels Elll, Ell2 et E113 sont associés au groupe photodétecteur Ell. Il en est de même pour les
autres pixels voisins.
Selon la figure la, les différents éléments détecteurs photo-
sensibles ou pixels sont disposés en lignes et en colonnes. Ils font partie d'un groupement ou agencement TTC photosensible. La référence 2 désigne un circuit de commande qui est relié c6té entrée à des générateurs de tension 3, 4 et 5. Le générateur de tension 3 fournit la tension d'entrée U1 tandis que les générateurs de tension 4 et 5 fournissent les tensions de commande U2 et U3, respectivement. Une première sortie du circuit de commande 2 est reliée à la première colonne de pixels de chaque groupe photodétecteur. La deuxième sortie du circuit de commande 2 est reliée à la deuxième colonne de pixels de chaque groupe photodétecteur, tandis que la troisième sortie du circuit de commande 2 est reliée à la troisième colonne de pixels de
chaque groupe photodétecteur.
Les pixels du dernière groupe photodétecteur Elm de la première ligne sont désignés Elml, Elm2 et Elm3. Les pixels du premier groupe 7photodétecteur de la dernière ligne sont désignés Emll, Eml2, Eml3, tandis que les pixels du dernier groupe photodétecteur de la dernière
ligne portent les références Emml, Emm et Emm3.
Le circuit de commande 2 est conçu de manière a fournir aux pixels la tension de commande désirée afin de produire une allure de sensibilité spectrale relative telle qu'illustrée par exemple par la
figure 6.
Cependant, il est également concevable de réaliser un circuit de commande 6 selon la figure 2 avec multiplexage dans le temps de manière que dans un premier mode, la tension de commande U1 soit appliquée à tous les pixels, que dans une seconde phase, une deuxième tension de commande U2 soit appliquée à la place de cette première tension de commande U1 et que par la suite, dans un troisième mode,
la tension de commande U3 soit appliquée.
Cela signifie que successivement, tous les pixels présentent la même caractéristique de sensibilité spectrale, ce qui offre
l'avantage que la résolution se trouve augmentée en conséquence.
Selon la figure 3, sur laquelle les parties correspondant à celles de la figure 1 portent les mêmes références, le dispositif détecteur photosensible 1 est relié à un circuit de traitement électronique 7 auquel est de nouveau relié un moniteur 8. Le dispositif détecteur photosensible 1 est précédé d'un filtre 8 qui présente un seuil de coupure prédéterminé comme cela apparatt en particulier sur les figures 5 et 6. Une optique montée en amount du
filtre est référencée 10.
Sur la figure 4, les parties correspondant à celles de la figure 1 portent de nouveau les mêmes références. Le dispositif détecteur photosensible 1 contient des groupes photodétecteurs Ell.., Elm.., Eml.., Emm. Ces groupes sont réalisés et agencés de la manière visible sur la figure la. Les tensions de commande U1, U2 et U3 sont appliquées chaque fois aux différentes groupes photodétecteurs des colonnes. La référence 11 désigne un circuit de commande de signaux d'adresse pour les différentes lignes, tandis que la référence 12 désigne un circuit de commande d'adresse pour les différentes colonnes des groupes photodétecteurs. Les signaux de commande
d'adresse sont fournis par une unité de sortie 13 d'un micro-
ordinateur 14 qui présente un microprocesseur 15, une mémoire d'écriturelecture (mémoire vive ou RAM) 16, une mémoire morte (ROM) de programme 17 et un circuit d'introduction 17. L'étage de sortie 13 est en outre relié à un moniteur 19. Les signaux de commande d'adresse pour les colonnes et les lignes du dispositif détecteur photoélectrique sont en outre appliqués aux circuits de commande
d'adresse 20 et 21 pour une mémoire d'écriture-lecture à semi-
conducteur 22. Cette mémoire d'écriture-lecture 22 comporte des colonnes et des lignes correspondant à celle du dispositif détecteur photosensible.
Le dispositif détecteur photosensible 1 avec ses groupes photo-
sensibles fait partie d'un agencement DTC.
Le circuit de commande d'adresse 12 pour les colonnes contient un circuit de sortie par lequel il existe, par l'intermédiaire de trois lignes de sortie, une liaison de commande avec un convertisseur analogiquenumérique 23. De ce convertisseur analogique-numérique 23, trois liaisons de signaux mènent à un circuit d'amplification et de traitement 24 qui élabore les signaux d'image numériques. Le circuit d'amplification et de traitement 24 est en outre commandé par trois
signaux de commande obtenus à partir d'un convertisseur analogique-
numérique 25 dont les entrées reçoivent les tensions de commande U1,
U2, U3.
En fonction du nombre de pixels par groupe photosensible, à savoir trois, il existe trois canaux spectraux à la sortie du circuit amplificateur 24. Le premier canal spectral 27 mène directement à une première entrée de données de l'étage de réception de données du circuit de commande d'adresse 21. Le deuxième canal spectral 28 mène à une première entrée d'un amplificateur différentiel 30 dont la seconde entrée est reliée au premier canal 27. La sortie de cet amplificateur différentiel 30 mène à la deuxième entrée de données de
l'étage de réception de données du circuit de commande d'adresse 21.
Le troisième canal spectral 29 est relié à la première entrée d'un autre amplificateur différentiel 31 dont la second entrée est reliée au deuxième canal spectral 28. La sortie de cet amplificateur différentiel 31 mène à la troisième entrée de données de l'étage de
réception de données du circuit de commande d'adresse 21.
Le circuit de commande d'adresse 21 présente par ailleurs un étage de sortie de données qui est relié par trois lignes de données
à l'étage d'entrée 18 du microordinateur 14.
Il ressort de la figure 5 que le filtre 9 monté en amont du dispositif détecteur photosensible 1 présente un seuil de coupure auquel est associé une longueur d'onde de coupure;F. La plage passante ou la transmission du filtre 9 amont subdivise la courbe de sensibilité spectrale relative S de chaque détecteur photosensible du dispositif détecteur photosensible 1 en une plage spectrale supérieure et une plage spectrale inférieure. Dans le cas présent, la plaque spectrale efficace de chaque détecteur photosensible est située entre le seuil de coupure F et la longueur d'onde supérieure ou maximale ?o ou u. La plage spectrale inférieure est éliminée
par le filtre.
Sur la figure 6 sont représentées différentes caractéristiques de sensibilité spectrale Sul, Su2, Su3. Ces caractéristiques spectrales différentes présentent des longueurs d'onde maximales Vol' 02 et o3 respectivement. La plage spectrale utile est comprise entre \F et o01' Les signaux des différents détecteurs photosensibles sont envoyés par l'intermédiaire du circuit amplificateur 24 aux amplificateurs différentiels 30 et 31. Les caractéristiques représentées sur la figure 6 apparaissant forme numérique à la sortie
du circuit amplificateur 24.
A l'entrée de l'étage d'introduction du circuit de commande d'adresse 21 apparaissent sous forme numérique des caractéristiques spectrales telles qu'illustrées par la figure 7. Par un autre traitement des signaux, il est possible de différencier les différentes caractéristiques spectrales sélectionnées de façon encore plus nette les unes des autres. Ainsi, par le choix de tensions de commande U1, U2 et U3 ainsi que le choix du seuil de coupure A du filtre amont, on obtient les allures de sensibilité spectrale
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désirées qui non seulement conviennent à mais en plus sont
particulièrement avantageuses pour le traitement d'images couleur.
Les avantages essentiels de ce dispositif détecteur photosensible consiste dans le fait qu'il permet, sans utilisation de bandes de filtre amont, de régler la sensibilité spectrale, le nombre des canaux spectraux, la position des canaux spectraux et la résolution du dispositif détecteur photosensible. Il est ainsi concevable de
faire varier l'ordre de commande des différents éléments photo-
détecteurs par le choix approprié de la tension de commande. De cette manière, la succession des couleurs dans chaque groupe photodétecteur
peut être modifiée en conséquence.
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Claims (6)
1. Dispositif détecteur photosenible comprenant de nombreux éléments photodétecteurs présentant chacun une structure multicouche matériau semiconducteur à dopage alterné positif et négatif, avec une structure de grille de surface et des électrodes de commande disposées perpendiculairement aux couches semi-conductrices de façon adjacente aux faces frontales de ces dernières, électrodes auxquelles est applicable une tension de commande pour commander la sensibilité spectrale, caractérisé par le fait qu'il est prévu un groupement de groupes photodétecteurs (Ell à Emm) présentant chacun un nombre prédéterminé (par exemple trois) d'éléments détecteurs photosensibles (E 111, E112, E113... ou Emml, Emm2, Emm3), que les électrodes de commande des éléments photodétecteurs de chaque groupe photodétecteur sont reliées à des générateurs de tension (3, 4, 5) réglables, que les générateurs de tension permettent de régler de façon différente et étagée les longueurs d'ondes limites supérieures et/inférieures
(to /o ?u) des éléments photodétecteurs des différents groupes photo-
détecteurs, le groupement de groupes photodétecteurs est précédé d'un agencement de filtre (9) présentant une caractéristique passe-haut ou passe-bas, dont le seuil de coupure (AF) subdivise la plage
spectrale des différents éléments photodétecteurs des groupes photo-
détecteurs en une plage spectrale efficace supérieure ou inférieure
(AF- Ào3, F-o2, ÀF-\ol) et que les signaux des éléments photo-
détecteurs de chaque groupe photodétecteur commandent des amplificateurs différentiels (30, 31) dont les entrées sont commandées par les signaux spectraux des sorties de deux éléments photodétecteurs voisins de telle manière que des signaux spectraux sélectionnés différenciables apparaissent aux sorties des
amplificateurs différentiels.
2. Dispositif détecteur photosensible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les tensions de commande (Ui, U2, U3) pour les éléments photodétecteurs de chaque groupe photodétecteur sont choisies et les tensions de sortie de signaux sont traitées dans les amplificateurs différentiels et dans des étages de traitement de
telle manière que les allures de signaux spectraux soient contiguës.
3. Dispositif détecteur photosensible suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les tensions de commande sont appliquées aux éléments photodétecteurs par l'intermédiaire d'un
circuit de commande (2, 6).
4. Dispositif détecteur photosensible suivant l'une quelconque
des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le signal
de sortie de l'élément photodétecteur ayant le signal spectral dont la longueur limite maximale est la plus proche de la longueur d'onde du seuil de coupure de filtre (\F) est traité sans formation de
différence.
5. Dispositif détecteur photosensible suivant l'une quelconque
des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'au
groupement des groupes photodétecteurs est associée une mémoire
adressable à semi-conducteur, en particulier une mémoire d'écriture-
lecture (22) reliée à un microordinateur (14).
6. Dispositif détecteur photosensible suivant l'une quelconque
des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que le circuit de
commande présente un multiplexeur (6) par lequel tous les éléments photodétecteurs du groupement peuvent être commandés successivement par chacune des différentes tensions de commande et, simultanément, les signaux de sortie dépendant l'intensité de lumière peuvent être mémorisés dans la mémoire d'écriture-lecture, et que les amplificateurs différentiels sont monté en aval de la mémoire d'écriture-lecture.
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