FR2941779A1

FR2941779A1 - Circuit de detection d'un rayonnement lumineux

Info

Publication number: FR2941779A1
Application number: FR0900397A
Authority: FR
Inventors: Patrick Maillart
Original assignee: Societe Francaise de Detecteurs Infrarouges SOFRADIR SAS
Current assignee: Societe Francaise de Detecteurs Infrarouges SOFRADIR SAS
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-06
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: FR2941779B1

Abstract

Le circuit de détection de rayonnement lumineux comporte un photodétecteur (1 ). Le photodétecteur (1) est connecté en série successivement avec un premier interrupteur électronique (2) et un condensateur (3) entre un amplificateur différentiel (4) et la masse. Les première et seconde bornes d'entrée de l'amplificateur différentiel (4) sont connectées respectivement à des première et seconde bornes du condensateur (3). Un second interrupteur électronique (5) est connecté en parallèle du premier interrupteur électronique (2) et du condensateur (3). Des troisième (6) et quatrième (7) interrupteurs électroniques sont connectés respectivement entre les première et seconde bornes du condensateur (3) et un potentiel de référence (V ). Le circuit comportant également des moyens (9) de contrôle des interrupteurs électroniques.

Description

Circuit de détection d'un rayonnement lumineux Domaine technique de l'invention

L'invention est relative à un circuit de détection, comportant au moins un photodétecteur connecté en série successivement avec un premier interrupteur électronique et un condensateur entre une première borne ~o d'entrée d'un amplificateur différentiel analogique et la masse, le comparateur comportant une seconde borne d'entrée, les première et seconde bornes d'entrée du comparateur étant connectées respectivement à des première et second bornes du condensateur.

15 État de la technique

De manière conventionnelle, lorsqu'une scène est observée par un dispositif opto-électronique comportant une pluralité de pixels, chaque pixel du 20 dispositif comporte un détecteur de rayonnement lumineux qui délivre un courant proportionnel à la partie de la scène observée. Le courant issu du détecteur est intégré au moyen d'un condensateur pendant une période de temps prédéfini. Ainsi, à la fin de cette période, chaque pixel fournit une information sur la partie de la scène observée. Le détecteur pouvant être 25 assimilé à un générateur de courant, la charge Q accumulée dans le condensateur peut être formulée de la manière suivante : Q=I.t où Q représente la charge dans le condensateur, I représente le courant aux bornes du condensateur, t représente le temps de charge. 30

La quantité de charges Q accumulées dans le condensateur se traduit par l'apparition d'une différence de potentiel à ses bornes qui peut être formulée de la manière suivante : V = QIC où C représente la capacité électrique du condensateur, V représente la différence de potentiel aux bornes du condensateur. L'état d'une scène observée peut donc être suivi au moyen de la tension aux bornes d'un condensateur relié au détecteur.

Comme illustré à la figure 1, le courant émis par le détecteur 1 de rayonnement lumineux traverse un transistor de commande 2, de manière générale un interrupteur électronique, et atteint le condensateur 3. Le transistor de commande 2 est un transistor de polarisation qui sert à polariser le photodétecteur de manière appropriée. Ces éléments sont connectés entre une masse et une première borne d'entrée d'un amplificateur différentiel 4. Une première borne du condensateur 3 est connectée au transistor de polarisation 2. Une seconde borne du condensateur 3 est connectée directement à la première borne d'entrée de l'amplificateur différentiel 4, par exemple la borne plus. Une seconde borne d'entrée de l'amplificateur différentiel 4 est connectée à la première borne du condensateur 3. Le comparateur 4 est alors capable de fournir sur sa borne de sortie S une information relative sur la tension aux bornes du condensateur 3. Avantageusement, le circuit peut comporter également un premier interrupteur électronique 5 disposé entre le transistor de contrôle 2 et le condensateur.

Classiquement, lors de la réalisation d'un circuit intégré ou d'un pixel, les dimensions caractéristiques des différents composants sont limitées par des règles de dessins et de compatibilité. Avec la réduction continue des dimensions des circuits intégrés et des pixels, les dimensions du condensateur sont limitées, tout comme la valeur de sa capacité électrique C et donc de la quantité de charge Q emmagasinable dans le condensateur.

Afin d'éviter que le condensateur ne soit saturé et/ou détérioré, le temps d'intégration est réduit ce qui se traduit par une augmentation drastique du rapport signal à bruit du dispositif de lecture ce qui n'est pas acceptable. Par ailleurs, lorsque le dispositif opto-électronique doit détecter un mouvement, le dispositif observe des scènes qui évoluent rapidement. Le détecteur doit alors avoir un temps d'intégration très court pour comparer des prises de vue rapprochées dans le temps. Il en résulte alors une forte dégradation de la qualité lors de la détection d'objets en mouvement.

Objet de l'invention

L'invention a pour objet un circuit de détection qui soit facile à mettre en oeuvre, compact et qui délivre une information ayant un rapport signal à bruit élevé.

Le circuit selon l'invention est caractérisé en ce qu'un second interrupteur électronique est connecté en parallèle du premier interrupteur électronique et du condensateur et que des troisième et quatrième interrupteurs électroniques sont connectés entre respectivement un potentiel de référence et les première et seconde bornes du condensateur, le circuit comportant des moyens de contrôle des interrupteurs électroniques.

Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : 30

la figure 1 représente schématiquement un circuit de détection selon l'art antérieur, la figure 2 représente, de façon schématique, un mode de réalisation particulier d'un circuit de détection selon l'invention, les figures 3 à 5 représentent différentes étapes d'un procédé d'intégration selon l'invention, la figure 6 représente l'évolution de la tension aux bornes du condensateur suivant les différentes étapes du procédé selon l'invention.

Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention

Le circuit de détection comporte de manière classique un détecteur 1 de rayonnement lumineux, c'est-à-dire un dispositif qui transforme un rayonnement lumineux en un courant électrique. Le détecteur 1 est connecté en série avec successivement un transistor de commande 2, un premier interrupteur électronique 5 et un condensateur 3. Cet ensemble est connecté entre une masse et une première borne d'entrée d'un amplificateur différentiel 4.

Le détecteur 1 transformant un rayonnement lumineux en un courant électrique, un photodétecteur, peut être, par exemple, une photodiode qui est avantageusement polarisée en inverse pour générer un courant. A titre d'exemple, le détecteur 1 est associé à la gamme de longueur d'onde LWIR comprise entre 8 et 14 m. Pour une longueur d'onde LWIR, le photodétecteur opère généralement à une température de 77K. Le détecteur 1 peut également être associé à la gamme de longueur d'onde MWIR comprise entre 3 et 5 m. Dans cette gamme, le photodétecteur opère généralement à une température comprise entre 130K et 200K.30

De cette manière, le courant émis par le détecteur 1 traverse successivement le transistor de commande 2 par ses première et seconde bornes d'entrée/sortie, le premier interrupteur électronique 5 et arrive à la première borne du condensateur 3. Le courant émis par le détecteur 1 peut alors charger le condensateur 3. Ainsi, la seconde borne d'entrée/sortie du transistor de commande 2 est connectée directement à une première borne du premier interrupteur 5 et une seconde borne du premier interrupteur 5 est connectée à la première borne du condensateur 3. La seconde borne du condensateur 3 est connectée directement à la première borne d'entrée du comparateur 4, par exemple la borne plus.

Le circuit de détection comporte également un second interrupteur 6 électronique qui est connecté en parallèle avec le premier interrupteur 5 électronique et le condensateur 3. Le second interrupteur 6 électronique est connecté à un premier noeud électrique F représenté par la connexion entre la seconde borne d'entrée/sortie du transistor de commande 2 et à la première borne d'entrée du premier interrupteur électronique 5. Le second interrupteur 6 électronique est également connecté à un second noeud électrique G représenté par la connexion entre la première borne d'entrée du comparateur 4 et la seconde borne du condensateur 3.

La seconde borne d'entrée de l'amplificateur différentiel 4, par exemple la borne moins, est connectée à la borne commune du premier interrupteur 5 électronique et du condensateur 3, c'est-à-dire un troisième noeud électrique H formé par la première borne du condensateur 3 et par la seconde borne du premier interrupteur 5.

Le circuit de détection comporte aussi des troisième 7 et quatrième 8 interrupteurs électroniques qui sont connectés chacun à un potentiel de référence VRef. Le troisième interrupteur 7 électronique est connecté entre le potentiel de référence VRef et le troisième noeud électrique H. Le troisième

interrupteur 7 électronique est donc en contact direct avec le premier interrupteur 5 électronique, le condensateur 3 et la seconde borne d'entrée de l'amplificateur différentiel 4. Le quatrième interrupteur 8 électronique est connecté entre le potentiel de référence VRef et le deuxième noeud électrique G. Le quatrième interrupteur 8 est donc en contact direct avec le second interrupteur électronique 6, le condensateur 3 et la première borne d'entrée de l'amplificateur différentiel 4. Le circuit comporte également des moyens 9 de contrôle des interrupteurs électroniques qui commande la synchronisation des ouvertures et de fermetures des différents interrupteurs électronique 5, 6, 7 et 8. Pour des raisons de clarté, les moyens 9 de contrôle des interrupteurs électroniques ne sont représentés que sur la figure 2, mais lesdits moyens sont également présents sur les figures 3, 4 et 5.

L'amplificateur différentiel 4 peut être réalisé par un amplificateur opérationnel et le transistor de commande 2 peut être un transistor à effet de champ. Les premier, second, troisième et quatrième interrupteurs électroniques (5, 6, 7, 8) peuvent être réalisés par des transistors, par exemple, à effet de champ.

Au moyen des différents interrupteurs électroniques disposés aux bornes du condensateur 3, il est possible d'envoyer le courant provenant du détecteur 1 sur l'une ou l'autre des bornes du condensateur 3. Le courant pouvant arriver sur la première ou la seconde borne du condensateur, la différence de potentiel aux bornes du condensateur peut être positive ou négative entre les première et seconde bornes du condensateur 3. Le signe de la tension aux bornes du condensateur est défini arbitrairement.

Les première et seconde bornes de l'amplificateur différentiel 4 étant connectées aux première et seconde bornes du condensateur 3, il délivre sur sa borne de sortie une information analogique qui correspond à la différence de potentiel entre les première et seconde bornes du condensateur 3.

Comme illustré aux figures 3 à 6, le procédé d'utilisation du circuit de détection peut être décomposé de la manière suivante : Dans une première phase, le condensateur 3 est mis à l'équilibre, il y a alors la même quantité de charge de chaque côté du condensateur 3 et la tension à ses bornes est nulle. Cette mise à l'équilibre du condensateur 3 est réalisée en fermant les troisième 7 et quatrième 8 interrupteurs électroniques et en ouvrant les premier 5 et second 6 interrupteurs électroniques. Le potentiel de référence VRef est alors appliqué simultanément aux deux bornes du condensateur 3 (figure 3).

Dans une seconde phase, illustrée à la figure 4, le premier interrupteur 5 électronique est fermé et le troisième interrupteur 7 électronique est ouvert.

Les second 6 et quatrième 8 interrupteurs électroniques restent dans le même état que précédemment, c'est-à-dire respectivement ouvert et fermé. Durant cette seconde phase, la seconde borne du condensateur 3 reste au potentiel de référence VRef alors que le courant émis par le détecteur 1 charge la première borne du condensateur 3. Il en résulte une évolution de la tension aux bornes du condensateur jusqu'à, par exemple, une tension Vo (figure 6).

Dans une troisième phase, illustrée à la figure 5, l'état de tous les interrupteurs est inversé. Le premier 5 et le quatrième 8 interrupteurs électroniques sont ouverts tandis que le second 6 et le troisième 7 interrupteurs électroniques sont fermés. Durant cette troisième phase, la première borne du condensateur 3 reste au potentiel de référence VRef alors que le courant émis par le détecteur arrive à la deuxième borne du condensateur 3 et la charge. Il en résulte une évolution de la tension aux bornes du condensateur dans le sens inverse à celui de la seconde phase depuis la tension obtenue à la fin de la seconde phase, ici -Vo (figure 6).

Ainsi, comme illustré à la figure 6 pour trois cycles distincts d'intégration, la tension aux bornes du condensateur 3 évolue dans un sens, choisi arbitrairement positif, dans la seconde phase du procédé (noté A sur la figure 6) et évolue dans le sens opposé pendant la troisième phase du procédé (noté B sur la figure 6). A titre d'exemple, durant les deux premiers cycles d'intégration (A1-B, et A2-B2), le courant délivré par le détecteur 1 a été plus important pendant la troisième phase B que pendant la seconde phase A. II y a donc eu modification de la scène observée par le détecteur entre ces deux ~o phases et la troisième phase B a, typiquement, été plus lumineuse que la seconde phase A. Pour le troisième cycle d'intégration (A3-B3), la modification de la scène observée a eu lieu dans l'autre sens.

L'amplificateur différentiel 4 réalise ensuite la mesure de la tension aux 15 bornes du condensateur 3 et délivre une donnée de type analogique. La tension en sortie de l'amplificateur différentiel correspond à la différence de charge intégrée par le condensateur 3 entre les seconde et troisième phases. Cette tension peut être positive ou négative ce qui indique que la scène qu'observe le détecteur 3 a évolué. Si la scène observée par le 20 détecteur est identique dans les seconde et troisième phases, la différence de potentiel aux bornes du condensateur 3 est nulle.

De cette manière, le temps d'intégration du signal provenant du détecteur 1 est doublé ce qui permet d'accumuler plus de charges et donc de réduire 25 l'importance du bruit dans la mesure. Dans la première phase de la mesure, l'accumulation des charges est réalisée classiquement par rapport au potentiel de référence. Dans la seconde phase de la mesure, les charges sont envoyées sur l'autre borne du condensateur ce qui se traduit par une élimination progressive des charges du condensateur 3. La mesure finale 30 réalisée par le comparateur n'est plus une mesure sur l'ensemble des charges accumulées sur la durée d'intégration, mais une mesure

différentielle entre les charges accumulées durant la première phase et les charges éliminées durant la seconde phase. L'amplificateur différentiel 4 délivre alors sur sa sortie la différence de potentiel aux bornes du condensateur 3 qui provient de la différence de charges entre les seconde et troisième phases. Il en ressort que le sens de modification de la scène observée est directement obtenu au moyen du signe de la tension délivrée par l'amplificateur différentiel 4 et que l'importance de cette modification est obtenue au moyen de la valeur de la tension délivrée par l'amplificateur différentiel 4 sur sa sortie S.

Les seconde et troisième phases peuvent être réalisées une fois ou une multitude de fois selon la quantité de charges que l'on souhaite intégrer. Les secondes et troisièmes phases sont réalisées chacune avec une durée identique pour pouvoir comparer l'évolution du courant fourni par le détecteur. Ainsi, lorsque le circuit est utilisé avec une scène dont la luminosité évolue au cours des seconde et troisième phases, le comparateur délivre une information analogique qui est représentative de l'évolution de la scène durant la période d'intégration. II permet en particulier de détecter le déplacement rapide d'un objet dans la scène observée.

La durée d'intégration correspondant à la durée des seconde et troisième phase est de l'ordre de 1.10"3s, ce qui permet d'atteindre des fréquences de lecture de l'ordre de 1 kHz. Typiquement, la durée de fermeture des premier et troisième interrupteurs électronique et des second 6 et quatrième 8 interrupteurs électronique est de l'ordre de 10"3s

Dans un mode de réalisation particulier, l'amplificateur différentiel 4 n'est alimenté qu'après la période d'intégration, c'est-à-dire uniquement quand le comparateur est utilisé pour fournir une information sur la tension aux bornes du condensateur 3. Ainsi, une diminution de la consommation du circuit peut être observée.

Claims

Revendications1. Circuit de détection, comportant au moins un photodétecteur (1) connecté en série successivement avec un premier interrupteur électronique (5) et un condensateur (3) entre une première borne d'entrée d'un amplificateur différentiel analogique (4) et la masse, l'amplificateur différentiel (4) comportant une seconde borne d'entrée, les première et seconde bornes d'entrée de l'amplificateur différentiel (4) étant connectées respectivement à des première et second bornes du condensateur (3), circuit caractérisé en ce qu'un second interrupteur électronique (6) est connecté en parallèle du premier interrupteur électronique (5) et du condensateur (3) et que des troisième (7) et quatrième (8) interrupteurs électroniques sont connectés entre respectivement un potentiel de référence (Vref) et les première et seconde bornes du condensateur (3), le circuit comportant des moyens (9) de contrôle des interrupteurs électroniques (5, 6, 7, 8).
2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les interrupteurs électroniques (5, 6, 7, 8) sont des transistors à effet de champ.
3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le photodétecteur est une diode fonctionnant en inverse.
4. Procédé d'utilisation du dispositif selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte successivement au moins : la fermeture des troisième (7) et quatrième (8) interrupteurs électronique, et l'ouverture des premier (5) et second (6) interrupteurs électroniques, la fermeture des premier (5) et quatrième (8) interrupteurs électroniques, 30 et l'ouverture des second (6) et troisième (7) interrupteurs électroniques, 1020- la fermeture des second (6) et troisième (7) interrupteurs électroniques, et l'ouverture des premier (5) et quatrième (8) interrupteurs électroniques.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la durée de fermeture simultanée des premier (5) et troisième (7) interrupteurs électroniques est identique à la durée de fermeture simultanée des second (6) et quatrième (8) interrupteurs électroniques.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la durée de fermeture des premier et troisième interrupteurs électroniques et des second (6) et quatrième (8) interrupteurs électroniques est de l'ordre de 1 o -3s.15