FR2915652A1

FR2915652A1 - Procede de commande d'un capteur d'images

Info

Publication number: FR2915652A1
Application number: FR0754767A
Authority: FR
Inventors: Benoit Deschamps
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-10-31
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: US20090027532A1; FR2915652B1; US8218045B2

Abstract

La demande concerne un procédé d'acquisition d'images au moyen d'au moins un capteur du type CMOS à quatre transistors comportant un point d'acquisition (K) et un point de lecture (SENSE), le point de lecture pouvant recevoir un signal de compression, comprenant une étape (REFERENCE) de lecture d'un état de référence du capteur, et les étapes suivantes :- une étape (RESET) de réinitialisation ;- une étape (INTEGRATION), pendant laquelle le capteur est exposé et pendant une partie de laquelle le signal de compression est appliqué au point de lecture ; et- une étape (DATA) de lecture de la donnée acquise pendant l'étape d'intégration ;le point de lecture étant isolé, pendant l'étape d'intégration, du point d'acquisition, sauf immédiatement avant l'application du signal de compression, moment auquel le point d'acquisition est connecté au point de lecture suffisamment longtemps pour permettre le transfert des charges présentes au point d'acquisition vers le point de lecture.

Description

B7756 - 06-GR1-234 1 PROCÉDÉ DE COMMANDE D'UN CAPTEUR D'IMAGES

Domaine de l'invention La présente demande concerne de façon générale les capteurs d'images réalisés sous forme monolithique et utilisés dans des dispositifs d'acquisition d'images numériques tels que des caméras et des appareils photographiques. La présente demande concerne de tels dispositifs que ceux-ci soient autonomes ou fassent partie d'un dispositif comportant d'autres fonctions telles que, par exemple, un téléphone portable ou un véhicule automobile, aérien ou nautique, par exemple pour une assistance à la vision pendant un déplacement de nuit ou dans des conditions météorologiques défavorables. La présente demande concerne plus particulièrement un capteur d'images dit à haute dynamique mettant en oeuvre un pro-cédé de compression.

Exposé de l'art antérieur Un pixel d'un capteur d'images comporte essentiel- lement une photodiode utilisée en inverse et dont la capacité de jonction est déchargée par un photocourant en fonction d'une intensité lumineuse reçue. La mesure du niveau d'éclairement reçu par un pixel s'effectue par la mesure de la tension aux bornes de la photodiode à des instants choisis parmi lesquels la fin d'une période, dite d'acquisition d'image ou d'intégration, B7756 - 06-GR1-234

2 avant et après laquelle le pixel est réinitialisé par rechargement de sa photodiode. La diminution de la tension aux bornes de la photodiode pendant l'acquisition, c'est-à-dire l'intensité du photocourant ayant déchargé sa capacité, est proportionnelle à l'intensité lumineuse. Pour des intensités lumineuses élevées, le photocourant peut être tel que la décharge de la capacité de jonction pendant la phase d'acquisition nuit à la mesure. En particulier, au-delà d'un certain seuil d'intensité lumineuse, qui dépend du temps d'intégration et des caractéristiques des éléments du pixel, la photodiode atteint avant la fin du temps d'intégration un niveau de décharge dit de saturation et les différences de luminosité ne sont plus discriminées. Pour accroître la discrimination de zones lumineuses à forte intensité, on a prévu que le pixel est commandé pendant une partie de la durée d'intégration, généralement sa seconde moitié, de façon à permettre une compression du signal. Un capteur utilisant une telle compression permet d'obtenir des images ayant un contraste réduit ce qui permet de couvrir une plage d'éclairement accrue et est appelé capteur à dynamique élevée.

Toutefois, quel que soit le mode de synchronisation de l'imageur, les imageurs utilisant des pixels à quatre transistors, dans lesquels un transistor de transfert est interposé entre la cathode de la photodiode et un point de lecture, pré-sentent des dysfonctionnements inattendus. En particulier, on observe des saturations des capteurs alors que la compression devrait permettre de repousser la limite de saturation. L'expression ci-dessus "mode de synchronisation de l'imageur" recouvre les dispositifs à obturateur déroulant (rolling shutter) et les dispositifs à obturateur global (global shutter). Dans un dispositif à obturateur déroulant chaque ligne de pixels est exposée successivement, les temps d'intégration de chaque ligne étant décalés les uns par rapport aux autres. Dans un dispositif à obturateur général, tous les pixels du capteur sont exposés simultanément. Un dispositif à obturateur général utilise de préférence des pixels à quatre transistors.

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3 Un dispositif à obturateur déroulant pourrait utiliser indifféremment des pixels à quatre transistors ou des pixels à trois transistors qui ne comportent pas de transistor de transfert. Toutefois, à cause des dysfonctionnements décrits précé- demment, les imageurs à obturateur déroulant utilisent de préférence des pixels à trois transistors. Toutefois, des imageurs à trois transistors présentent divers effets parasites qui n'existent pas avec les imageurs à quatre transistors. Notamment, les photodiodes utilisées dans un pixel à trois transistors présentent un courant inverse (ou courant d'obscurité) élevé qui, de plus, croît de façon importante avec la température. Ce courant d'obscurité est lié à la structure des photodiodes et notamment à la présence de nombreuses interfaces avec des isolants dans la zone de stockage des charges. Les pixels à quatre transistors par contre utilisent des photodiodes dans lesquels le courant inverse est considérablement réduit, notamment car les charges sont stockées dans une zone délimitée en volume par des régions non isolantes. Résumé de l'invention Un objet est de pallier tout ou partie des inconvé- nients des capteurs d'images connus à dynamique élevée. Un autre objet est d'accroître les performances des capteurs d'images utilisant des pixels à quatre transistors. Un autre objet est d'améliorer la compression des 25 données de tels capteurs. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu un procédé d'acquisition d'images au moyen d'au moins un capteur du type CMOS à quatre transistors comportant un point d'acquisition et un point de lecture, le 30 point de lecture pouvant recevoir un signal de compression, comprenant une étape de lecture d'un état de référence du capteur, comprenant également les étapes suivantes : - une étape de réinitialisation ; B7756 - 06-GR1-234

4 - une étape d'intégration, pendant laquelle le capteur est exposé et pendant une partie de laquelle le signal de compression est appliqué au point de lecture ; et - une étape de lecture de la donnée acquise pendant l'étape d'intégration ; le point de lecture étant, pendant l'étape d'intégration, isolé du point d'acquisition, sauf immédiatement avant l'application du signal de compression, moment auquel le point d'acquisition est connecté au point de lecture suffisamment longtemps pour permettre le transfert des charges présentes au point d'acquisition vers le point de lecture. Selon un mode de réalisation, le signal de compression est un train d'impulsions, le point d'acquisition étant connecté au point de lecture avant l'application de chaque impulsion de compression au point de lecture. Selon un mode de réalisation, le signal de compression est appliqué pendant la dernière moitié de l'étape d'intégration. Selon un mode de réalisation, le signal de compression 20 est appliqué pendant le dernier quart de l'étape d'intégration pendant laquelle le capteur est exposé. Selon un mode de réalisation, le signal de compression est appliqué pendant le dernier huitième de l'étape d'intégration. 25 Selon un mode de réalisation, l'étape de lecture d'un état de référence du capteur est mise en oeuvre immédiatement après l'étape de réinitialisation. Selon un mode de réalisation, l'étape de lecture d'un état de référence du capteur est mise en oeuvre pendant l'étape 30 d'intégration iituttédiatement avant le premier transfert de charges. Selon un mode de réalisation, la présente demande prévoit également un dispositif d'acquisition d'images du type à obturateur déroulant mettant en oeuvre le procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents.

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Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 5 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 illustre sous forme de schéma de circuit un exemple de pixel de capteur d'images à quatre transistors ; les figures 2A, 2B, 2C, 2D, 2E et 2F sont des chrono-grammes qui illustrent un mode de fonctionnement du pixel de la figure 1 ; les figures 3A, 3B, 3C et 3D sont des chronogrammes qui illustrent une partie du fonctionnement du pixel de la figure 1 ; les figures 4A, 4B, 4C, 4D, 4E et 4F sont des chrono-15 grammes qui illustrent un autre mode de fonctionnement du capteur d'images de la figure 1 ; les figures 5A, 5B et 5C sont des chronogrammes qui illustrent un mode de fonctionnement d'une phase de réinitialisation du capteur d'images de la figure 1 ; et 20 les figures 6A, 6B, 6C, 6D et 6E sont des chronogrammes qui illustrent un mode de fonctionnement d'une phase de lecture du capteur d'images de la figure 1. Par souci de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures et, de plus, 25 les chronogrammes des figures 2, 3, 4, 5 et 6 ne sont pas tracés à l'échelle. Description détaillée La figure 1 illustre un schéma électrique équivalent d'un pixel d'un capteur d'images à quatre transistors. Le pixel 30 comporte une photodiode D utilisée en inverse. L'anode de la photodiode D est connectée à un rail d'alimentation basse, géné- ralement la masse GND du circuit. Sa cathode K est reliée, par l'intermédiaire d'un transistor de transfert 2, à un point de lecture SENSE. Le point SENSE est relié, par un transistor de 35 réinitialisation/compression 4, à un rail d'alimentation haute B7756 - 06-GR1-234

6 VRT. Le point SENSE est par ailleurs relié à la grille d'un transistor 6 monté en source suiveuse. Le drain du transistor 6 est connecté au rail d'alimentation haute VRT. La source du transistor 6 est reliée par un transistor de sélection 8 à une ligne de bits BL du réseau matriciel comportant le pixel. Par exemple, deux éléments capacitifs d'échantillonnage identiques Cl et C2 sont connectés entre la ligne de bits BL et la masse GND. Un commutateur respectif 10, 12 relie la ligne de bits BL et chacun des éléments Cl et C2. Les élé- ments Cl et C2 permettent d'effectuer une lecture différentielle. Par exemple, les différents transistors 2, 4, 6 et 8 ainsi que les commutateurs 10 et 12 sont tous des transistors à canal N.

Les figures 2A, 2B, 2C, 2D, 2E et 2F sont des chronogrammes illustrant le fonctionnement du capteur de la figure 1. La figure 2A représente l'allure de la tension d'alimentation haute VRT. La figure 2B illustre le signal RST de commande du transistor de réinitialisation/compression 4. La figure 2C illustre le signal TG de commande du transistor de transfert 2. La figure 2D illustre le signal SEL de commande du transistor de sélection 8. La figure 2E illustre le signal REF de commande du transistor de référence 10 associé à l'élément Cl. La figure 2F illustre le signal READ de commande du tran- sistor de lecture 12 associé à l'élément capacitif C2. Selon un mode de lecture, comme cela ressortira de la description ci-après, l'élément capacitif Cl est destiné à constituer un élément de référence, prenant en compte l'état du point SENSE après une réinitialisation du pixel. L'élément capa- citif C2 est alors destiné à être un élément de lecture, prenant en compte l'état du point SENSE à la fin d'une acquisition ou intégration de données (exposition à la lumière). Une acquisition d'images commence par une phase de réinitialisation RESET. Cette phase s'effectue en trois étapes.

Dans un premier temps, le signal RST est à un niveau, par B7756 -06-GR1-234

7 exemple haut, tel que le transistor de réinitialisation 4 est complètement fermé de façon à réinitialiser le point SENSE au niveau VRT (à la chute de tension grille-source du transistor 4 près). Ensuite, le signal RST est à un niveau bas tel que le transistor de réinitialisation 4 est complètement ouvert de façon à isoler le point SENSE de l'alimentation VRT. Le transistor de transfert 2 est alors commandé (figure 2C) à la fermeture de façon à réinitialiser le point K en transférant toutes les charges au point SENSE. Ensuite, le transistor de transfert 2 est rouvert, isolant le point SENSE du point K, et l'état du point SENSE est de nouveau réinitialisé. Dès que la réinitialisation RESET est terminée, se déclenche une phase REFERENCE de lecture de la référence. Le signal SEL commande le transistor de sélection 8 de façon qu'il soit passant. Le signal REF est alors commuté de façon que le transistor 10 soit fermé pour que l'état de référence du pixel soit stocké dans l'élément capacitif Cl. Les signaux SEL et REF sont synchronisés de façon à ne maintenir les transistors 8 et 10 ouverts que pendant la durée minimale nécessaire à l'échan- tillonnage de la donnée de référence. Ensuite, les transistors 8 et 10 sont maintenus ouverts pendant toute la période d'intégration. De façon similaire, à la fin d'une phase INTEGRATION d'acquisition de la donnée, avant la phase de réinitialisation suivante, a lieu une phase DATA de lecture de la donnée. Les signaux SEL et READ sont commutés de façon à permettre le transfert de l'état du pixel dans l'élément C2. Les données de Cl et C2 sont ensuite comparées. Un tel double échantillonnage permet de s'affranchir d'éventuelles dispersions de la tension seuil du transistor suiveur 6 d'un pixel à l'autre. En pratique, le niveau de référence mémorisé par la capacité Cl est obtenu suite à une réinitialisation postérieure à l'échantillonnage de lecture stocké dans C2 en fin de période d'intégration. Pendant la phase INTEGRATION d'exposition à la lumière, la tension au point K (non représentée) tend à décroître sous l'effet de l'intensité lumineuse reçue par la photodiode. Comme B7756 - 06-GR1-234

8 cela est connu, au-delà d'un certain seuil, la photodiode est totalement chargée en électrons avant la fin du temps d'intégration. La donnée lue est alors la même pour toutes les intensités lumineuses supérieures à ce seuil. Il n'est alors plus possible de distinguer des intensités lumineuses élevées qui peuvent être très différentes. Pour accroître la dynamique du capteur, on procède pendant l'intégration à une compression, phase COMPRESSION. Cottutte cela est décrit dans la demande internationale N 2004/064386 pour un capteur à trois transistors, pendant cette phase, le transistor 4 tente d'imposer sur le point SENSE une tension Ucomp de plus en plus basse à des intervalles de temps de plus en plus rapprochés. Pour ce faire, il est possible de rendre le transistor 4 passant et de commuter l'alimentation VRT à des niveaux de plus en plus bas. Selon une variante, il est préférable de maintenir la tension VRT stable et de provoquer des ouvertures successives partielles de plus en plus réduites du transistor 4. Pour ce faire, comme cela est décrit dans la demande internationale N 2004/064386, le signal RST (figure 2B) appliqué sur la grille du transistor 4 est constitué d'une suite d'impulsions de valeur décroissante de plus en plus rapprochées. De préférence, les impulsions RST suivent une loi de décroissance logarithmique. Pour le capteur à quatre transistors considéré, comme cela est proposé dans l'article "A wide-VGA CMOS Image Sensor with Global Shutter and Extended Dynamic Range" de N. Bock et al. publié dans IEEE Workshop 2005, pages 222 à 225, à partir du début de la phase COMPRESSION, le signal TG est commuté à un niveau par exemple haut tel que transistor de transfert 2 est passant, permettant le transfert des charges du point K sur le point SENSE. Pendant toute la durée de l'intégration, donc éga- lement pendant la phase de compression, la photodiode D est exposée à une intensité lumineuse. La photodiode D se décharge avec une pente donnée proportionnelle à l'intensité lumineuse à laquelle elle est exposée. Une telle décharge impose sur le B7756 - 06-GR1-234

9 point SENSE un niveau de décharge Ud qui dépend notamment de la valeur de l'intensité lumineuse, du niveau initial et du temps d'exposition. Le comportement du point SENSE au moment de l'applica- tion d'un niveau de compression Ucomp - c'est-à-dire d'une impulsion RST sur la grille du transistor 4 - dépend de la différence entre le niveau Ud imposé par la décharge et le niveau de compression Ucomp que tente d'imposer le transistor 4. Les figures 3A, 3B, 3C et 3D illustrent de façon détaillée une étude effectuée par l'inventeur du comportement du point SENSE pendant une phase de compression selon le procédé de la figure 2. Par souci de clarté, comme l'illustre l'allure du signal RST représenté en figure 3A, on considère un cas simple dans lequel seules trois impulsions de compression successives sont appliquées par le transistor 4. En d'autres termes, on tente d'appliquer au point SENSE trois valeurs de tension de compression successivement décroissantes Ucompl, Ucomp2 et Ucomp3. Comme cela a été décrit, le signal TG, illustré en figure 3B, est maintenu pendant toute la compression à un état par exemple haut tel que le transistor de transfert 2 est complètement fermé. La figure 3C illustre l'allure théorique de la variation du niveau de tension au point SENSE lorsque la photodiode est exposée à cinq intensités lumineuses distinctes croissantes I1, I2, I3, I4 et I5 (I1<I2<I3<I4<I5). La figure 3D illustre l'évolution réelle de la tension sur le point SENSE pour les mêmes cinq intensités lumineuses. Comme l'illustre la figure 3C et comme cela a été indiqué précédemment, l'allure du signal SENSE dépend de la comparaison de la valeur Ud imposée par la décharge de la photodiode et de la valeur Ucompl, Ucomp2 ou Ucomp 3 que tente d'imposer le transistor 4. Lorsque le niveau de compression Ucomp est inférieur 35 au niveau Ud imposé par la décharge, comme c'est le cas pour B7756 - 06-GR1-234

10 l'intensité I1 dès la première compression au niveau Ucompl, la décharge n'est pas affectée. Le pixel atteint à la fin de l'intégration un niveau V1 qui dépend uniquement du temps d'intégration, de l'intensité I1 et du niveau de précharge. Lorsque le niveau de compression Ucomp est supérieur au niveau Ud imposé par une intensité lumineuse I2, I3, I4 ou I5, le niveau de compression Ucompl, Ucomp2 ou Ucomp3 est imposé sur le point SENSE et la décharge reprend à partir du niveau Ucomp- Ce mécanisme se répète à chaque application d'un niveau de compression Ucompl, Ucomp2 et Ucomp3. Ainsi, comme l'illustre la figure 3C, on comprendra que, si le niveau atteint par la décharge provoquée depuis un niveau de compression précédent Ucompl par une intensité lumineuse telle que l'inten- 15 sité I2, est supérieur au niveau de compression considéré Ucomp2, la décharge se poursuit sans être affectée par la compression. Par contre, si, au moment de l'application du niveau de compression suivant Ucomp2 ou Ucomp3, le niveau atteint par 20 la décharge provoquée par une intensité lumineuse I3, I4 ou I5 est inférieur au niveau de compression considéré, la décharge recommence à partir de ce niveau de compression. Ainsi, des intensités I2, I3, I4 ou I5 confondues en l'absence de compression en raison d'une saturation du pixel 25 sont discriminées par des niveaux du point SENSE distincts V2, V3, V4 et V5. On observe toutefois en pratique des anomalies par rapport au fonctionnement théorique décrit précédemment. Comme l'illustre la partie droite de la figure 3D, les 30 valeurs observées V'1, V'2, V'3, V'4 et V'S sont différentes des valeurs attendues. On observe une modification tant des valeurs observées que de leur distribution les unes par rapport aux autres. Les contrastes observés sont accrus, la plage de couleur ou dynamique du capteur étant réduite. 10 B7756 - 06-GR1-234

11 L'inventeur attribue ces résultats à un effet de modification AV -généralement une élévation - du niveau de tension du point SENSE qui se produit lors de la fermeture du transistor de transfert 2. Une telle modification disparaît ensuite lors de l'ouverture du transistor 2. Cette modification est attribuable à des phénomènes de couplage capacitif qui se produisent entre la commande TG du transistor de transfert 2 et le point SENSE. Cette modification fausse les valeurs observées ainsi que leur distribution, donc l'échelle des contrastes. La modification peut être telle que la compression devient inopérante. Par souci de clarté, on suppose que le couplage capacitif est tel que la modification AV introduite conduit à imposer une situation particulièrement défavorable, telle que, comme l'illustre la figure 3D, toutes les valeurs observées en fin d'intégration sont faussées. Pour les intensités lumineuses les plus élevées (I3, I4 ou I5), la décharge induite est suffisamment importante pour que les compressions successives Ucomp2 et Ucommp3 soient effectuées malgré la modification. Le niveau atteint à la fin de Pinté- gration avant la commutation d'ouverture du transistor 2 est le niveau attendu V3, V4 ou V5. L'ouverture du transistor 2 retire l'effet de couplage, c'est-à-dire introduit l'effet inverse -AV ce qui modifie - abaisse dans l'exemple considéré - les valeurs observées de façon correspondante. D'une part les valeurs observées sont faussées. D'autre part, pour des intensités lumineuses très élevées (I5), l'introduction de l'effet inverse ramène les valeurs observées à une valeur de saturation VSAT• Des intensités lumineuses normalement discriminées ne le sont plus. La dynamique est abaissée.

Pour des intensités lumineuses de valeur moyenne (I2), la modification est telle qu'elles ne sont plus affectées par la compression. Ainsi, comme cela ressort de la comparaison des figures 3C et 3D, la décharge selon l'intensité I2 n'est plus affectée par la compression à Ucomp2. La distribution de telles intensités par rapport aux autres intensités est alors modifiée.

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12 L'homme de l'art comprendra que dans le cas d'une exposition d'un imageur à de faibles intensités lumineuses, non susceptibles d'être affectées par la compression, l'effet décrit précédemment est négligeable. Dans le cas d'images présentant une plage de luminosité étendue pour des intensités lumineuses élevées, cet effet est par contre irrémédiable car tant les valeurs observées que leur distribution des valeurs sont modifiées, certaines intensités (I2) n'étant plus affectées par la compression et d'autres (I5) n'étant plus discriminées par rapport au niveau de saturation. Les figures 4A, 4B, 4C, 4D, 4E et 4F sont des chrono-grammes illustrant les signaux de commande VRT, RST, TG, SEL, REF et READ selon un autre exemple. Par rapport aux chronogrammes des mêmes signaux des figures 2A, 2B, 2C, 2D, 2E et 2F, seule l'allure du signal de commande TG du transistor de transfert 2 est modifiée. Plus particulièrement, cottutte cela ressort de la comparaison des figures 2C et 3C, le signal TG est constitué d'une série d'impulsions. Plus particulièrement, les impulsions ont toutes une même valeur optimale telle que le transistor de transfert 2 est commandé de façon à se fermer complètement pour permettre le transfert complet des charges du point K sur le point SENSE. La séquence d'impulsions TG est synchronisée avec le signal de compression RST de façon que le transistor de transfert 2 ne soit ainsi fermé qu'iituttédiatement avant l'application d'un signal de compression RST. Le transistor de transfert 2 est ouvert pendant le reste de l'intégration. En particulier, on notera que les impulsions TG sont telles que le transistor de transfert 2 est ré-ouvert avant l'application d'une impulsion de compression RST. Pendant l'application d'une impulsion de compression RST, le transistor de transfert 2 est alors non-passant et isole le point SENSE du point K. Le transistor 4 n'est alors pas affecté par le photocourant (de décharge) provenant de la diode D. Le niveau Ucomp éventuellement imposé par la compression est, le cas échéant, imposé.

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13 Par exemple, le transistor 2 n'est maintenu fermé avant l'application d'une impulsion RST que le temps minimal nécessaire pour garantir le transfert de l'état du point K au point SENSE.

Une telle commande du transistor de transfert par des impulsions permet notamment d'accroître la dynamique des capteurs. Une commande par une série d'impulsions du transistor de transfert (figure 4C) avant chaque impulsion de compression (figure 4B) permet de supprimer l'effet décrit précédemment. En effet, à chaque transfert de charge, l'effet de couplage capacitif est introduit et immédiatement retiré. L'état du point SENSE ne dépend alors plus que de la quantité de charges photo-électriques sans être affecté par un effet de couplage. Aux différentes intensités lumineuses I1, I2, I3, I4 et I5 correspon- dent alors les valeurs lues V1, V2, V3, V4 et V5 distinctes attendues (figure 3C). On notera que le fait qu'une commande par des impulsions successives du transistor de transfert 2 soit aussi avantageuse par rapport à une situation dans laquelle le tran- sistor est maintenu fermé en permanence est inattendu car l'homme de l'art s'attendrait à ce que l'introduction d'une telle pulsation au coeur du pixel perturbe le système. Une telle commande par impulsions permet d'utiliser des pixels à quatre transistors dans des systèmes à obturateur déroulant plutôt que des pixels à trois transistors. Cela est avantageux car cela permet, dans le cas d'image à bas niveau de signal (c'est-à-dire à intensités lumineuses faibles), d'améliorer le contraste de tels systèmes en supprimant - ou en réduisant considérablement - le bruit introduit par le courant d'obscurité présent dans les pixels à trois transistors. La réduction de ce bruit permet en pratique de réduire le contraste des images obtenues en étendant la plage d'intensités lumineuses discriminées, c'est-à-dire la dynamique du capteur.

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14 Les figures 5A, 5B et 5C sont des chronogrammes qui illustrent les signaux VRT, RST et TG, respectivement, pendant un mode de réalisation d'une phase de réinitialisation. Selon un mode de réalisation, la phase de réinitia- lisation RESET est modifiée de la façon suivante. Pendant la réinitialisation RESET, nous avons exposé que le point SENSE est en pratique réinitialisé à deux reprises une fois au début et une fois à la fin de la phase RESET. Entre ces deux réinitialisations du point SENSE, le point K est réinitialisé par un transfert de charge au point SENSE comme l'illustre la figure 5C. Cottutte l'illustre la figure 5A, pour garantir d'atteindre rapidement à chaque réinitialisation un même niveau relativement élevé, la valeur de l'alimentation haute VRT est commutée de façon à être tout d'abord à une première valeur haute RT1, par exemple de l'ordre de 1,5 V, qui est rapidement recopiée au point SENSE puis montée à sa valeur nominale RTn, de l'ordre de 3,3 V. Cela permet de garantir que, quel que soit l'état initial du point SENSE, son niveau à la fin de la réinitialisation est au moins égal au premier niveau RT1. De préférence, comme l'illustre la figure 5B, pendant chacune des commutations de l'alimentation VRT, le point SENSE est isolé de l'alimentation VRT par l'ouverture du transistor 4. Dans les modes de réalisations précédents, la lecture a été effectuée au moyen de seulement deux condensateurs Cl et C2 par un protocole de lecture différentielle à double échantillonnage doublement corrélé qui utilise pour la lecture d'une donnée (stockée dans C2) la référence prélevée immédiatement après la réinitialisation mise en oeuvre après la lecture de cette donnée. Un tel protocole permet de n'utiliser que deux condensateurs par colonne. Toutefois, une telle lecture est faussée par deux bruits thermiques du type kTC différents, non corrélés, intro- duits par la résistance à l'état passant (ON) du transistor 4.

Un premier bruit est introduit lors de l'initialisation effectuée B7756 -06-GR1-234

15 au début d'une intégration et se retrouve dans la donnée stockée dans C2. Un second bruit, distinct du premier, se retrouve dans la référence stockée dans Cl. Bien que l'origine des bruits soient la même - le bruit thermique du transistor 4 - leurs valeurs au moment de la lecture et de l'acquisition de la référence sont distincts. Ces bruits réduisent la dynamique en tension (rapport signal utile sur bruit) du pixel. Pourpallier ce problème, on a proposé d'utiliser la donnée de référence lue au début de l'intégration lors de la lecture différentielle plutôt que la référence lue avant l'intégration suivante. Toutefois, cela impose de pouvoir stocker pendant l'intégration l'état de référence. Pour ce faire, il faut disposer d'une mémoire de référence de la même taille que l'imageur et associée à des circuits périphériques d'adressage.

Ainsi, le bruit thermique kTC introduit par le transistor 4 lors de l'initialisation, présent dans la donnée lue à la fin de l'intégration, se trouve dans la référence mémorisée au début de l'intégration et est éliminée lors de la lecture différentielle. Pour des raisons d'encombrement du dispositif de réfé- rence, on préfère souvent se passer d'un dispositif de référence complexe et on accepte de conserver le bruit thermique en utilisant le protocole à seulement deux condensateurs. Les figures 6A, 6B, 6C, 6D et 6E sont des chrono-grammes qui illustrent un mode de réalisation de l'acquisition de la référence. Pendant l'intégration, à un instant tl (figure 4C) est effectué le premier transfert de charge du point K (figure 1) au point SENSE par l'application de la première impulsion de transfert TG (figure 4C). Ensuite, la première impulsion de compression RST (figure 4B) est appliquée. Selon un mode de réalisation, immédiatement avant l'instant tl, le point SENSE est réinitialisé et l'état de réfé- rence est lu. Pour ce faire, alors que le transistor de trans- fert 2 est maintenu ouvert, le signal VRT est commuté à une valeur basse puis ramené à sa valeur haute nominale (figure 6A).

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16 Le transistor de réinitialisation 4 est commandé à la fermeture lorsque l'alimentation VRT est à sa valeur basse puis ouvert un certain temps après que l'alimentation a été ramenée à sa valeur nominale. Comme cela a été décrit en relation avec la figure 5B et comme l'illustre la figure 6B, le transistor 4 peut être ouvert pendant la phase de changement de valeur du signal VRT. Une fois la réinitialisation achevée, alors que le transistor de transfert 2 est toujours maintenu ouvert, isolant le point d'acquisition K du point de lecture SENSE, le signal SEL et le signal REF sont commutés de façon à lire l'état de référence du point SENSE avant le premier transfert de charge qui survient à t1. La donnée de référence ainsi acquise est mémorisée et comparée ensuite à la donnée lue à la fin de l'intégration. La donnée de référence et la donnée lue comportent alors le même bruit thermique kTC qui est éliminé. La qualité de l'image obtenue est ainsi améliorée. Le prix à payer pour une telle amélioration est relativement réduit. En effet, la donnée de référence ne doit plus être stockée pendant toute la durée de l'intégration mais seulement pendant sa dernière partie. La mémoire de référence correspondante est alors inférieure à celle du capteur. Par exemple, pour un capteur à N lignes, il faudra mémoriser les données de référence de seulement C lignes, où C est une frac- tion de N, à savoir le nombre de lignes qui subissent simultanément la compression. Selon un autre exemple non représenté, le nombre d'impulsions de compression appliquées par le transistor 4 - et de façon correspondante le nombre de commutations du transistor de transfert 2 - est réduit. Jusqu'à présent, la compression était effectuée à partir de la moitié de la période d'inté- gration en commençant par une impulsion RSTmax propre à imposer sur le point SENSE une valeur proche d'une valeur de réini- tialisation. Maintenant, le ou les premiers niveaux de compression ne sont pas appliqués. La compression est limitée à B7756 -06-GR1-234

17 une dernière fraction du temps d'intégration, par exemple, au dernier quart, au dernier huitième, voire au dernier seizième du temps d'intégration. De préférence, le nombre et le moment d'application des impulsions appliquées sont paramétrables. Pen- dant une telle dernière fraction, sont appliquées les impulsions de transfert et de compression prévues par le cycle complet de compression. L'instant d'application de la première, des deux premières, des trois ou plus premières impulsions n'est pas décalé dans le temps, mais ces impulsions sont supprimées.

L'inventeur a observé qu'une telle réduction du nombre d'impulsions n'affecte pas la réponse des pixels et donc la qualité de l'image acquise par le capteur. Une telle réduction du nombre d'impulsions de compression est également avantageuse combiné à l'utilisation du mode de lecture de référence décrit en relation avec les figures 6A à 6D. En effet, la réduction du nombre d'impulsions de compression permet de retarder le moment auquel la référence doit être acquise. Le nombre de lignes pour lesquelles les états de référence doivent être mémorisés est alors réduit. La taille de mémoire de référence est alors encore réduite et son utilisation devient rentable en termes de coût et d'encombrement comparé au gain de qualité du capteur. Bien entendu, les modes de réalisation décrits précédemment sont susceptibles de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, seuls les éléments et phases de fonctionnement nécessaires à la compréhension des exemples ont été représentés et décrits. Ainsi, la façon dont les signaux de commande d'un capteur d'images sont produits n'a pas été détaillée.

De plus, le procédé a été décrit comme permettant d'éliminer un effet de couplage provoquant une élévation du niveau de tension sur le point SENSE. L'homme de l'art comprendra toutefois que le procédé décrit permet également d'éliminer un effet de couplage provoquant un éventuel abaissement de la ten- Sion.

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18 Par ailleurs, l'homme de l'art comprendra que ce qui a été décrit pour des pixels à quatre transistors s'applique également à des pixels à cinq transistors, dans lesquels un transistor supplémentaire est introduit entre l'alimentation VRT et la cathode K. En outre, le procédé décrit s'applique à tout type de synchronisation temporelle utilisée pour lire les données. Ainsi, ce procédé peut être mis en oeuvre dans un système à obturateur déroulant (rolling shutter). Toutefois, il peut également être mis en oeuvre dans un système à obturateur général (global shutter). Seuls les éléments nécessaires à la compréhension ont été décrits. Le fonctionnement et la structure d'un pixel à quatre (ou cinq) transistors ont été simplifiés par souci de clarté. L'homme de l'art saura également adapter les modes de réalisation décrits précédemment aux circuits connus ou introduire des mesures de protection couramment utilisées. Ainsi, dans les exemples précédents, le rail VRT assurait les alimentations de drain des transistors 4 et 6 (ainsi que celle d'un éventuel cinquième transistor). Toutefois, le rail VRT destiné à être commuté lors des phases de réinitialisation peut n'être connecté qu'au transistor 4 de réinitialisation. Un autre rail d'alimentation haute alimente alors le transistor suiveur 6.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'acquisition d'images au moyen d'au moins un capteur du type CMOS à quatre transistors comportant un point d'acquisition (K) et un point de lecture (SENSE), le point de lecture pouvant recevoir un signal de compression, le procédé comprenant une étape (REFERENCE) de lecture d'un état de référence du capteur, le procédé comprenant également les étapes suivantes : - une étape (RESET) de réinitialisation ; une étape (INTEGRATION) d'intégration, pendant laquelle le capteur est exposé et pendant une partie de laquelle le signal de compression est appliqué au point de lecture ; et - une étape (DATA) de lecture de la donnée acquise pendant l'étape d'intégration ; dans lequel, pendant l'étape d'intégration, le point de lecture est isolé du point d'acquisition, sauf immédiatement avant l'application du signal de compression, moment auquel le point d'acquisition est connecté au point de lecture suffisamment longtemps pour permettre le transfert des charges présentes au point d'acquisition vers le point de lecture.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le signal de compression est un train d'impulsions, le point d'acquisition étant connecté au point de lecture avant l'application de chaque impulsion de compression au point de lecture.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le signal de compression est appliqué pendant la dernière moitié de l'étape d'intégration.

4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le signal de compression est appliqué pendant le dernier quart de l'étape d'intégration pendant laquelle le capteur est exposé.

5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le signal de compression est appliqué pendant le dernier huitième de l'étape d'intégration.B7756 - 06-GR1-234 20

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape (REFERENCE) de lecture d'un état de référence du capteur est mise en oeuvre immédiatement après l'étape (RESET) de réinitialisation.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape (REFERENCE) de lecture d'un état de référence du capteur est mise en oeuvre pendant l'étape d'intégration immédiatement avant le premier transfert de charges.

8. Dispositif d'acquisition d'images du type à obturateur déroulant, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.

9. Dispositif d'acquisition d'images du type à obturateur général, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.