FR2751824A1

FR2751824A1 - Capteur d'image a acces aleatoire en technologie cmos a filtrage passe-bas integre

Info

Publication number: FR2751824A1
Application number: FR9609424A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1998-01-30
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: FR2751824B1

Abstract

La présente invention concerne un capteur d'image CMOS à accès aléatoire avec un filtre passe-bas temporel incorporé. Ledit capteur comprend des cellules (Pixel) ayant chacune une photodiode (D) constituée d'une jonction PN dans le substrat P, un transistor de précharge (T1) du type PMOS, un autre transistor d'échantillonnage (T2) également du type PMOS, un transistor de lecture (T3) du type NMOS et un transistor de sélection (T4) du type NMOS également. Selon différents agencements entre les signaux Préc et Sample sur les grilles des transistors T2 et T4, ledit capteur peut avoir soit un mode de capture simple, soit un mode de capture à filtrage passe-bas temporel. Ledit capteur comprend en outre une mémoire analogique, dans chaque cellule (Pixel), constituée d'une capacité de grille d'un transistor du type NMOS (T3) et un transistor d'échantillonnage du type PMOS (T2) pour mémoriser le signal capté. Le transistor d'échantillonnage du type PMOS (T2) est logé dans un caisson N (Nwell) et protégé contre la lumière par au moins une couche métallique au-dessus. Ledit capteur comprend en outre deux décodeurs d'adresse X et Y pour une lecture asynchrone d'une cellule sélectionnée. Une simple application des adresses X et Y permet de lire le pixel correspondant parmi l'ensemble des pixels du capteur, et ceci ne nécessite aucun signal d'horloge.

Description

I Introduction
Les services multimédia sur réseaux informatiques nécessitent des composants de très bon marché dans ses terininaux d'utilisateurs. Si le modem, fax et téléphone sont déjà accessibles a un trés large public, les services visionjques restent encore réservés aux professionnels, et ceci est due a un court important du capteur d'image indispensable dans ces terminaux.

La présente invention concerne un imageur CMOS à accès aléatoire qui incorpore un filtre passe-bas temporel. Ce filtre passe-bas, débrayable, favorise la continuité des images en mouvement et améliore la compression ultérieure des images. Le mode d'accès aléatoire de cette image facilite son interfaçage avec un processeur numérique.

2. Structure schématiaue et son fonctionnement
La figure 1 montre la structure schématique d'un pixel de cet imageur CMOS. Le signal Préc précharge la photodiode D à la tension de l'alimentation Vdd. Après avoir exposé la photodiode D à la lumière, la tension résiduelle sur D sera échantillonnée par le signal Sample sur la grille du transistor T3. Quand le signal Sélect est à 'dd, cette tension sera lue via T4 à la sortie. Selon différent chronogramme des signaux Préc et Sample, nous pouvons avoir un mode sans filtrage passe-bas et un autre mode avec un filtrage passe-bas temporel.

2.1 Capture d'image sans filtrage
Si on agence les signaux Préc et Sample comme montre la figure 2, on réalise une prise d'image directe sans filtrage passe-bas. On baisse les signaux Préc et Sample simultanément au début du cycle, ensuite la phase d'exposition sera entamée par la montée des signaux Préc et Sample. Après une durée "Texp" préalablement fixée, seul le signal Sample reçoit une impulsion "zéro" Cette impulsion débloque le transistor T2 et la tension résiduelle sur la photodiode D sera échantillonnée sur la grille du transistor T3. Cette tension sur la grille de T3, en fonction linéaire avec l'éclairement sur la photodiode D, sera lue à la Sortie en activant le signal Sélect.

Une fois que le signal Sortie est prélevé par l'utilisateur (souvent un processeur digital), on peut entamer un deuxième cycle de capture.

On peut constater qu'a chaque capture, les transistors Tl, T2 et la photodiode D sont préchargés à une tension constante (celle de l'alimentation), et la sortie dépend uniquement de la quantité des photons tombant sur la photodiode pendant la durée d'exposition. Donc aucun filtrage temporel n'est appliqué à l'image captée.

2.2 Capture d'uniate avec filtrage
Si les signaux Préc et Sample sont agencés comme montre la figure 3. on effectuera en mème temps que l'acquisition d'image un filtrage passe-bas temporel. Comparé avec le mode de fonctionnement précédent, la seule différence est que la tension sur la grille du transistor T3 n'est pas initialisée à la tension de l'alimentation au début d'un cycle de capture.

La tension sur la grille du transistor T3, à la fin d'un cycle, est un moyen pondéré entre la tension précédente sur la grille du 73 et la tension courante de D. Cette moyenne pondérée effectue un filtrage passe bas équivalent sur l'image captée. Les coefficients de pondération seront conditionnés par le rapport entre les capacités parasites de la photodiode et du transistor T3. Plus ce rapport est grand, plus le filtrage est faible.

Ce filtrage lisse les images captées dans le temps et crée ainsi une plus grande continuité temporelle. Cette continuité temporelle rend plus flous les objets en mouvement, réduit la quantité d'information dans ces zones et favorise la compression de ces images pour la transmission sur réseau informatique.

2.3 Accès aléatoire des pixels
On peut observer dans la figure 1 que le signal d'image est stocké sur la grille du T3 à la fin de chaque cycle de capture. Donc cette mémorisation analogique rend possible un mode d'accès aléatoire à des pixels. Ce mode permet de lire et relire des pixels dans un ordre arbitraire. n donne au capteur une interface similaire que celle d'une mémoire classique, il est donc très adaptée au microprocesseur. La figure 4 montre un capteur composé de 2x2 pieds
Les réalisations antérieures n'ont pas donné un fonctionnement satisfaisant à cause d'une perte importante d'information dans la mémoire analogique que représente la grille du transistor T3. La présente invention utilise une structure spéciale qui augmente considérablement le temps de rétention de cette mémoire analogique.

3 Structure physique d'un pixel
La structure physique d'un pixel est montrée sur la figure 5. Dans cette structure, le transistor d'accès T2 est mis dans un "caisson N' afin de diminuer le courant de fuite de la mémoire analogique (capacité parasite de la grille du transistor T3). De plus, une couche de Metai2 couvre entièrement le circuit (à exception de la photodiode) avec la quelle la décharge de la mémoire analogique provoquée par la lumière sera minimisée.

Claims

REVENDICATIONS

1 Capteur d'image à semi-conducteur, du type comprenant un ensemble de cellules (Pi.eel) comprenant chacune une photodiode (/)) constituée d'un jonction PN dans le substrat P, un transistor de précharge (7/) du type PMOS, un autre transistor d'échantillonnage (T2) également du type PMOS, un transistor de lecture (T3) du type NMOS et un transistor de sélection (74) du type NMOS également

Le transistor Tl précharge la photodiode à la tension d'alimentation au début de chaque cycle de capture par application d'une tension basse du signal Préc sur la grille du transistor Tl. La tension résiduelle de la photodiode D sera échantillonnée vers la grille du transistor T3 via le transistor T2 par application d'une tension basse du signal

Sample sur la grille de celui-ci. La tension sur la grille du transistor T3 pourra être lue en activant le transistor 74 par application d'une tension haute du signal Sélect sur la grille du transistor T4.

Une capture d'image simple se fait en activant les transistors TI et T2 en meme temps au début d'un cycle de capture (par application d'une tension basse des signaux Préc et Sample sur les grilles des transistors Tl et T2). A la fin de cycle, le transistor T2 sera activé par application d'une tension basse sur la grille Sample du transistor 12 afin de transférer la tension finale de la photodiode D sur la grille du transistor T3. L'application d'une tension haute du signal Sélect sur la grille du transistor 74 permet une lecture de la tension sur la grille de T3.

2. Capteur selon la revendication I caractérisé par deux modes de fonctionnement : capture simple et capture à filtrage passe-bas temporel

Une capture à filtrage passe-bas temporel se fait en activant seulement le transistor Tl au début d'un cycle de capture (par application d'une tension basse du signal Préc sur la grille du transistor Tel). A la fin de capture, le transistor 72 sera activé par application d'une tension basse du signal Sample sur la grille du transistor T2. Cette mise conduction du transistor T2 permet de mélanger la tension sur la grille du transistor T3 avec celle de la photodiode, cela équivaut à un filtrage passe-bas temporel sur l'image captée. L'application d'une tension haute du signal Sélect sur la gnlle du transistor TV permet une lecture de la tension sur la gnlle de T3.

3. Capteur selon les revendications I et 2 caractérisé par une mémorisation du signal capté dans chaque cellule (Pixel). Cette mémoire analogique est constituée d'une capacité de grille d'un transistor du type NMOS (T3) et un transistor d'accès du type PMOS (T2). Le transistor d'accès du type PMOS (72) est logé dans un caisson (Nwell) et protégé contre la lumière par au moins une couche métallique au dessus.

4. Capteur selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé par une lecture asynchrone et sélectionnée par deux décodeurs d'adresse X et Y. Une simple application des adresses X et Y permet de lire le pixel correspondant parmi l'ensemble des pixels du capteur, et ceci ne nécessite aucun signal d'horloge.