FR2807264A1 - Dispositif d'imagerie a pixels actifs et a accumulation - Google Patents

Abstract

Le dispositif d'imagerie comportant une matrice d'au moins une ligne de plusieurs cellules (81 , 82 ,..., 8 i ,... 8m ), constituant chacune un capteur actif de pixel, chaque cellule ayant un élément photosensible (16) et un circuit de lecture du capteur. Chaque circuit de lecture comprend un nombre N de branches reliées en parallèle à un étage de sortie, chaque branche ayant un condensateur (28) d'accumulation de charges et un interrupteur (26) de liaison avec l'élément photosensible et avec l'étage de sortie.Un décodeur d'adresses fournit, à intervalles de temps correspondant à des intervalles entre tirs successifs d'un émetteur de lumière, des séquences successives d'impulsions d'échantillonnage, chaque impulsion provoquant la fermeture simultanée des interrupteurs des branches de même rang de toutes les cellules de la même ligne.

Description

DISPOSITIF D'IMAGERIE A PIXELS ACTIFS ET A ACCUMULATION présente invention concerne les dispositifs d'imagerie comportant une matrice d'au moins une ligne de plusieurs cellules constituant chacune un pixel actif, fréquemment désigné par terme anglais "active pixel sensor", chaque cellule ayant un élément photosensible et un circuit de lecture du capteur.

On connaît déjà de tels dispositifs d'imagerie dont un exemple, comprenant une seule ligne de cellules, est montré figure 1. Il comprend plusieurs cellules 81, 8z,,.,. , 8i,... 8m, seule la cellule 8i étant représentée en détail. Il comporte également un séquenceur 10 ayant une sortie 12 de remise des cellules condition initiale et des sorties 141, ..., 14m de lecture des cellules. La cellule 8i montrée à titre d'exemple comprend un élément photosensible 16, représentée sous forme d'une photodiode mais qui peut être également une porte photosensible, et un circuit de lecture. Ce circuit comporte un transistor de réinitialisation ou de remise à zéro 18 dont la source est reliée à la photodiode 16, un transistor tampon 20 dont la grille est reliée à la sortie de la photodiode 16 un transistor de lecture 22 est monté en série avec la source du transistor tampon 22 et relié à la sortie 24 de la cellule. Les trous des paires électron-trou créés dans la diode 16 par l'énergie lumineuse augmentent la tension de sortie de la photodiode 16. A la fin de chaque période d'illumination, la tension à la sortie de la photodiode 16 est représentative du nombre de photons reçus par la photodiode.

En général, le circuit associé à chaque photodiode est réalisé en technologie CMOS.

On a déjà constitué des dispositifs d'imagerie à plusieurs lignes et colonnes de cellules ayant chacune 1a constitution montrée en figure 1. Lorsque ce dispositif est destiné à l'imagerie dans le spectre allant du proche ultra violet proche infrarouge, un même substrat en silicium peut servir à constituer les éléments photosensibles et les circuits. On obtient ainsi un détecteur monolithique. A chaque pixel est alors affectée une zone du substrat dont une fraction est photosensible et dont l'autre comporte des portions dopées ou revêtues pour constituer le circuit de lecture.

Lorsque le dispositif est destiné à de l'imagerie pour des longueurs d'ondes supérieures à lpm ou inférieures à 0,3 pm, l'élément photosensible ne peut être constitué par du silicium. On utilise alors une constitution hybride. Les zones photosensibles, qui peuvent cette fois être directement adjacentes entre elles puisqu'il n'est plus nécessaire de réserver la place requise pour le circuit, sont montées sur le substrat contenant les circuits de lecture, souvent par l'intermédiaire de billes d'indium. Les traitements des zones photosensibles étant alors indépendants de ceux des circuits, le processus de réalisation des éléments photosensibles peut être optimisé, par exemple par un choix approprié de l'épaisseur, la mise place d'une pellicule anti-reflets, etc.

Quel que soit le mode de réalisation adopté, le dispositif d'imagerie à pixels actifs à technologie CMOS présente, du point de des performances, des avantages importants par rapport aux dispositifs utilisant le couplage et le transfert charges, dit CCD. Après intégration du signal lumineux par cellule, l'information peut être lue plusieurs fois, ce qui réduit le bruit. Le circuit de lecture peut comprendre un étage de sortie à gain élevé, de l'ordre de 40 microvolts par électron, d'où des performances élevées à faible niveau de signal. Le dispositif peut être conçu pour intégrer des fonctions pilotage et de traitement du signal, par exemple par seuillage du signal analogique ou par numérisation directement le substrat.

Pour certain nombre d'applications toutefois, dispositifs d'imagerie à pixels actifs présentent limitations qui ne permettent pas de les substituer directement aux dispositifs imageurs à couplage de charges. C'est particulier le cas des dispositifs destinés à la mesure de distance obstacles réfléchissants et éventuellement de dispersion ou Rayleigh, pour lesquels on dispose de dispositifs couplage et accumulation de charges (brevets FR 2 735 935 et 2 769 450, demande FR 99 16 482). Ces derniers dispositifs, s'ils présentent la limitation d'obliger à lire totalité des pixels pour réaliser une mesure, ont en revanche l'intérêt d'avoir une sensibilité élevée, grâce à accumulation des échos de plusieurs tirs successifs.

Les dispositifs existants à pixels actifs, qu'ils soient monolithiques ou hybrides, ont au contraire l'inconvénient d'obliger à lire l'information acquise par chaque capteur après réception chaque échantillon temporel, ce qui augmente le bruit du à lecture.

On pourrait penser qu'il est possible de réduire cet inconvénient en effectuant une lecture multiple non destructive de chaque pixel. Mais un tel procédé se heurte au fait chaque échantillon temporel requis pour réaliser un appareil mesure de distance ou lidar doit être court (souvent microsecondes environ pour un lidar atmosphérique tel qu'un lidar vent où par exemple on utilise une matrice de 1 6 pixels). Pour une acquisition chaque microseconde, il faut fréquence de lecture de 32 mégapixels par seconde même pour seule lecture par pixel. La présente invention vise notamment à fournir un dispositif d'imagerie à pixels actifs répondant mieux que ceux antérieurement connus exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet d'arriver à des performances, en matière de sensibilité, comparables à celles des dispositifs à détecteurs CCD, tout en conservant tous les avantages des dispositifs à capteurs actifs.

Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif du genre ci-dessus défini caractérisé en ce chaque circuit de lecture comprend un nombre N de branches étant un entier supérieur à 1) reliées en parallèle à un étage de sortie, chaque branche ayant un condensateur d'accumulation de charges et un interrupteur de liaison avec l'élément photosensible et avec l'étage de sortie et en ce que le dispositif comprend un décodeur d'adresses destiné à fournir, à intervalles de temps correspondant à des intervalles entre tirs successifs d'un émetteur de lumière, des séquences successives d'impulsions d'échantillonnage, chaque impulsion provoquant fermeture simultanée des interrupteurs des branches de même rang de toutes les cellules de la même ligne.

Ainsi, le dispositif effectue une accumulation analogique des échos, reproduisant les fonctions assurées par les dispositifs décrits dans le document FR 2 769 450, en conservant les avantages des dispositifs à capteurs actifs.

Le décodeur d'adresses permet d'activer un pixel à partir d'une commande d'entree donnant les coordonnées X,Y du pixel. Le décodeur est relié à un séquenceur qui fixe les instants de fermeture et qui peut etre implanté sur le même substrat que la matrice de cellules ou etre externe au détecteur. Dans le cas d'un dispositif destiné à être associé à un laser à impulsions pour constituer un lidar appliqué à la mesure de la rétrodiffusion par des couches atmosphériques situées à différentes altitudes, avec cadence d'impulsions laser de 100 Hz, on pourra notamment utiliser N = 25 branches, permettant d'obtenir 25 échantillons temporels par écho. En réalisant les circuits de mesure en technologie CMOS, chaque circuit aura un encombrement de quelques dizaines de microns, qui ne réduit pas de façon excessive la surface sensible dans le cas d'un dispositif monolithique. Au surplus, le format de chaque capteur peut être adapté à la taille l'image.

Dans le cas d'un lidar destiné à la mesure des vitesses, notamment à la mesure de la vitesse du vent à partir d'un aéronef ou d'un satellite, l'image à détecter sera une frange fournie par un système optique genre décrit dans le document FR-A-2 769 450 déjà mentionné suffit alors d'un dispositif dont la matrice de capteurs actifs se réduit à une ligne.

Le dispositif est également utilisable pour effectuer de l'imagerie en accumulant les échos provenant de tirs laser successifs sur les cellules dispositif matriciel à deux dimensions. Le dispositif peut également être incorporé dans un récepteur de type Rayleigh fonctionnant suivant un principe radiométrique, tel que celui decrit dans le brevet FR 89 08462.

Les caractéristiques ' dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1, déjà mentionnée, montre une constitution connue de dispositif à capteurs actifs, à une seule ligne d'éléments photosensibles ; - la figure 2 est un schéma de principe montrant constitution d'un capteur actif appartenant à un dispositif genre montre en figure 1, mais à accumulation , mettant en oeuvre l'invention, - la figure 3 est un diagramme montrant un exemple variation dans le temps du niveau d'un signal rétrodiffusé l'atmosphère ; - la figure 4 est un schéma en plan montrant une répartition possible des éléments d'un dispositif monolithique bidimensionnel ; - la figure 5 est un schéma en plan montrant une disposition possible éléments dont le dispositif monolithique monodimensionnel ; - la figure 6 est un schéma en perspective destiné à montrer une utilisation possible d'un dispositif monodimensionnel dans un lidar vent ; - la figure 7 est un schéma éclaté, en perspective, montrant une répartition possible d'un dispositif hybride monodimensionnel.

La cellule 8 montrée à titre d'exemple en figure 1 comporte, en plus éléments montrés en figure 1, N branches ayant chacune un interrupteur 261, ..., 26N et un condensateur de stockage 281, ...28N_ Chacun des interrupteurs peut être constitué par un transistor MOS. Lorsque l'ensemble des cellules et des circuits d'exploitation est intégré sur une même tranche silicium, les condensateurs peuvent avoir une constitution comparable à celle utilisée dans les mémoires dynamiques DRAM.

Les branches sont reliées en parallèle à une ligne liaison avec l' entrée d'un étage de sortie 30 ayant fonction d'amplification, activable par un signal fourni sur une entrée 32.

Le fonctionnement d'un dispositif comportant des cellules du genre montré en figure 2 est le suivant, dans l'application à un lidar permettant de relever les échos de tirs laser successifs, espacés d'intervalles de temps T (figure qui sont par exemple les échos diffusés par des couches atmosphériques à des altitudes différentes. La fréquence 1/T répétition des tirs laser est typiquement d'environ 100 Hz pour cette application.

Les lignes 34 de la figure 3 montrent allure possible de l'écho reçu à chaque tir. Le dispositif suivant l'invention permet de prélever des échantillons de chaque écho à des intervalles de temps courts t, typiquement de quelques microsecondes, en nombre égal à celui des branches d'une même cellule. Avec des échantillons aussi courts, les flux détectés sont généralement très faibles, de quelques photons par échantillon. Pour accumuler analogiquement les électrons provenant d'échantillons de même rang d'échos successifs, correspondant donc à des échos à la même altitude, les interrupteurs 261, ...26N sont commandés séquentiellement par le circuit de contrôle 10. Chaque ensemble interrupteur- condensateur peut avoir un encombrement quelques dizaines de microns seulement lorsqu'il est réalisé technologie CMOS sur une tranche de silicium.

La séquence de fonctionnement est alors la suivante. Initialement, tous les interrupteurs de toutes les cellules sont ouverts.

A réception du premier écho rétrodiffusé, les interrupteurs des premières branches de chacune des cellules sont fermés en cascade, chaque fois pendant une durée t égale à celle d'un échantillon temporel.

Après acquisition du premier échantillon temporel du premier écho, tous les interrupteurs des premières branches restent ouverts jusqu'au second tir.

Pendant la durée du second échantillon à prélever, sont les interrupteurs 262 des secondes branches qui sont fermés en cascade chaque fois pendant la durée d'un échantillon correspondant à une profondeur déterminée.

L'opération est répétée jusqu'au prélèvement des échantillons correspondant à la Nième branche.

A l'issue de cette première période d'observation, mêmes opérations sont répétées à la suite d'un nouveau tir laser. Ainsi, réalise une sommation analogique de l'information dans les condensateurs 28, chaque branche correspondant à une altitude donnée. Cette opération est effectuée jusqu'à obtention d'un rapport signal sur bruit suffisant, par exemple 50 fois.

Une fois l'accumulation terminée, les interrupteurs des branches successives sont fermés en cascade en même temps que le circuit de sortie est excité, de façon à transformer le signal, accumule sous forme de charges, en une tension de sortie.

En de détection dans le spectre visible, l'ensemble des composants du dispositif peut être intégré sur une tranche de silicium. L'ensemble constitué par les condensateurs et les interrupteurs et le circuit de sortie occupent alors une fraction 36 de la surface de chaque pixel et réduit la zone sensible, donc le rendement quantique effectif.

En utilisant des liaisons enterrées, il est possible de constituer un dispositif monolithique bidimensionnel, comme celui de la figure 4 à P lignes et R colonnes dont les pixels peuvent être sensiblement jointifs. Un tel dispositif permet de former une image bidimensionnelle d'une scène.

Un tel dispositif, ayant par exemple 16x16 pixels, permet également de réaliser un lidâr ayant des fonctions comparables à celles décrites dans le document FR-A-2 735 935. La taille donnee à chaque pixel constituera un compromis entre la performance de détection recherchée (c'est à dire la valeur maximale du courant d'obscurité) et la baisse de sensibilité provoquée par l'encombrement du circuit de lecture, d'autant plus marquée que la taille des pixels est plus faible.

Pour des applications en imagerie bidimensionnelle, la taille des pixels devra fréquemment être relativement faible. Au contraire, les pixels de grande taille seront souvent utilisables pour la constitution de lidars ce qui réduit l'action défavorable de l'encombrement des composants de lecture sur sensibilité du dispositif.

façon générale, les dispositifs monolithiques, dont la partie capteur ne peut être optimisée du fait 'elle est sur le même substrat que les circuits, ont un rendement quantique qui ne peut guère dépasser 30% à 355 nm.

Dans le cas d'application à un lidar vent, le dispositif est complété par un système optique. I1 peut notamment avoir la constitution décrite dans le document FR 2 735 935 et avoir une source d'impulsion lumineuse brève, 20 à 30 ns par exemple, une optique télescopique qui fournit un faisceau parallèle et un filtre interférentiel qui génère une frange linéaire dont la position est décalée, rapport à un plan médian de la matrice de cellules, en fonction du décalage spectral. Le système optique comprend encore optique de sortie qui forme l'image de la frange de sortie de l'interféromètre sur les cellules. Dans une variante de réalisation, montrée en figure 6, le système optique 38 est suivi, sur le trajet de la lumière, d'un organe optique d'anamorphose, représenté sous forme d'une lentille cylindrique 40. Cette lentille concentre le flux lumineux reçu sous forme d'une image allongée, ramenant l'image 42 de la frange dans une bande étroite 44. Dans ce cas, il est possible d'utiliser, comme organe de détection et d'accumulation, une matrice monodimensionnelle. Comme le montre la figure 5, la zone photosensible 46, regroupant des cellules 8 du genre montré en figure 1, ne comporte pas de zone réservée pour les circuits de lecture. Ces circuits, comportant les interrupteurs et les condensateurs, peuvent être disposés de part et d'autre de la zone photosensible, comme indiqué en 50.

Une telle disposition présente de nombreux avantages. La sensibilité est accrue. Le format de chaque pixel peut être adapté à la taille de l'image et on peut notamment utiliser des pixels plus hauts larges pour optimiser une plage optique. Le composant monolithique est facile à réaliser. Une grande surface est disponible pour y intégrer les circuits de lecture et de traitement.

Pour certaines plages de fréquence, il n'est pas possible d'utiliser un dispositif monolithique, aussi bien pour une structure monodimensionnelle que bidimensionnelle. On peut alors être amené à adopter une constitution hybride, telle que celle schématisée sur figure 7. Un intérêt supplémentaire de la structure hybride qu'il est possible d'arriver à des rendements quantiques elevés, comparables à ceux des dispositifs CCD minces.

Le dispositif hybride montré en figure 7 est utilisable notamment dans lidar. Les zones photosensibles 8 sont intégrées sur couche d'un matériau choisi en fonction de la longueur d'onde du rayonnement à détecter. La couche a une épaisseur optimisée en fonction de la longueur d'onde du rayonnement à détecter. Cette épaisseur sera plus importante pour un détecteur IR que pour un détecteur UV. Des liaisons entre chaque cellule 8 et le circuit 50 correspondant sont effectuées exemple par des billes d'indium dispositif tel que décrit peut également fonctionner sans accumulation dans les cas les flux de photons sont élevés ou avec un étage de sortie à fort gain.

Dans le cas d'un dispositif bidimensionnel incorporé à un lidar, une accumulation supplémentaire peut être effectuée, cette fois sous forme numérique, en utilisant le circuit de lecture numérique 10. Pour cela on relie le circuit de lecture successivement aux cellules de même rang des différentes lignes, afin d'accumuler les charges stockées sur les condensateurs de toutes les cellules de même rang d'une même colonne.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'imagerie comportant une matrice d'au moins une ligne de plusieurs cellules ( 81, 82"", , 8i,... 8m), constituant chacune capteur actif de pixel, chaque cellule ayant un élément photosensible (16) et un circuit de lecture du capteur, caractérisé en ce que chaque circuit de lecture comprend un nombre N branches (N étant un entier supérieur à 1) reliées en parallèle à un étage de sortie, chaque branche ayant un condensateur d'accumulation de charges et un interrupteur de liaison avec l'élément photosensible et avec l'étage de sortie et en ce que le dispositif comprend un décodeur d'adresses destiné à fournir, à intervalles de temps correspondant à des intervalles entre tirs successifs d'un émetteur de lumière, des séquences successives d'impulsions d'échantillonnage, chaque impulsion provoquant la fermeture simultanée des interrupteurs des branches de même rang de toutes les cellules de la même ligne.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice comporte une seule ligne de cellules.

3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est de constitution monolithique et en ce que les circuits de lecture sont constitués à côté de la ligne, sur le même substrat que les éléments photosensibles.

4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en qu'il de constitution hybride, un substrat sur lequel sont constitués le circuits de lecture étant monté sur un substrat sur lequel sont formés les circuits par l'intermédiaire billes indium.

5. Lidar comprenant une source impulsionnelle de lumière et un dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes placé pour recevoir la lumière réfléchie ou rétrodiffusée sur des obstacles, dans lequel le séquenceur est prévu pour provoquer l'accumulation de charges pendant périodes d'observation successives correspondant chacune l'écho d'une impulsion de la source. Lidar vent suivant la revendication 5, caractérisé en ce 'il comporte également un interféromètre optique permettant associer chaque cellule à un décalage spectral et en ce la matrice comporte une seule ligne de cellules sur laquelle formée l'image de la frange par une optique d'anamorphose.