FR3126172A1 - Capteur photosensible et procédé d’acquisition d’un signal optique correspondant - Google Patents

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Abstract

Le capteur photosensible, capable de fonctionner dans un mode à obturation globale (GS) et dans un mode à obturation roulante (RS), comprend au moins un pixel comportant une région photosensible (PD) adaptée pour photogénérer des charges électriques, et : - une première grille de transfert (MTG_GS) adaptée pour transférer des charges photogénérées de la région photosensible (PD) vers un nœud de transfert (SN), un transistor à source suiveuse (MPX) adapté pour transmettre un signal de lecture sur un nœud de lecture (CN) de façon commandée par le potentiel des charges sur le nœud de transfert (SN), dans le mode à obturation globale (GS) ; et - une deuxième grille de transfert (MTG_RS) adaptée pour transférer des charges photogénérées de la région photosensible (PD) vers le nœud de lecture (CN), dans le mode à obturation roulante (RS). Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Capteur photosensible et procédé d’acquisition d’un signal optique correspondant.
Des modes de réalisation et de mise en œuvre concernent les capteurs photosensibles pour l’acquisition d’un signal optique.
Des capteurs photosensibles, notamment appliqués à la « vision machine » (usuellement « machine vision » en anglais), sont capables de détecter à la fois la lumière visible, typiquement avec des pixels dédiés aux composantes rouge, verte et bleu « RGB » (pour « Red Green Blue » en anglais) ainsi que des pixels dédiés à une composante du proche infrarouge « NIR » (pour « Near Infra-Red » en anglais).
Or, la plupart des applications utilisant le proche infrarouge, par exemple les applications par illumination active, nécessitent une technique d’intégration à obturation globale (usuellement « global shutter » en anglais) ; tandis que pour la plupart des applications dans le spectre visible, une technique d’intégration à obturation roulante (usuellement « rolling shutter » en anglais) est plus efficace et polyvalente. Cela étant, l’obturation globale peut aussi être avantageuse pour des applications dans le spectre visible, notamment en cas d’acquisition d’objet en mouvement rapide par rapport au temps d’intégration.
L’obturation globale a la capacité de commencer et de terminer l’intégration du signal optique incident en même temps pour l’ensemble d’une matrice de pixels. Lors de la lecture, typiquement une seule rangée peut être lue à la fois, ainsi le signal intégré est stocké dans une mémoire à l’intérieur de chaque pixel. Cette mémoire est généralement sensible à la lumière et peut intégrer un signal parasite pendant la durée de la phase de lecture, selon un phénomène usuellement désigné « PLS » (pour « Parasitic Light Sensitivity » en anglais).
L’obturation roulante, quant à elle, commence et termine l’intégration de la lumière séquentiellement par rangée, une rangée à la fois. Ainsi, la première et la dernière rangée d’une matrice de pixels n’auront pas exactement le même instant d’intégration, l’intégration des rangées pouvant se chevaucher ou non selon la durée d’intégration. Pour l’obturation roulante, les pixels ne nécessitent pas de mémoire et sont donc insensibles au PLS.
Les pixels adaptés pour l’obturation globale comportent typiquement un nœud de mémoire, sur lequel est stockée le signal photogénéré, en attente de la lecture, et un nœud de lecture, sur lequel est transféré le signal depuis le nœud de mémoire par un étage d’amplification. La lecture est faite via une ligne de lecture sur laquelle est transféré le signal du nœud de lecture par un autre étage d’amplification.
Les pixels adaptés pour l’obturation roulante ne comportent typiquement pas le nœud de mémoire, le signal photogénéré pendant l’intégration étant directement transmis sur le nœud de lecture pour la lecture suivant immédiatement l’intégration.
Classiquement, les domaines d'application requérant la capacité de capturer à la fois des images dans le proche infrarouge et des images en couleur, ne disposent pas des avantages des deux techniques d’obturation globale et d’obturation roulante, et des compromis doivent être faits aux dépends notamment de la qualité des acquisitions.
Faire fonctionner un pixel adapté pour l’obturation globale en obturation roulante par une transmission directe du signal du nœud de mémoire vers le nœud de lecture, via l’étage d’amplification, introduit un bruit additionnel significatif.
Faire fonctionner un pixel adapté pour l’obturation globale en obturation roulante par un court-circuit du second étage d’amplification entre le nœud de lecture et la ligne de lecture présente des difficultés dans la mesure où un courant de lecture important doit circuler vers la ligne de lecture. Or, typiquement, le nœud de mémoire est accessible via une ligne de command commune à une rangée de pixel, et la ligne de commande n’est typiquement pas capable de fournir un courant suffisant pour la lecture de tous les pixels de la rangée sur leurs lignes de lecture respectives. L’introduction de source de courant du type miroirs de courant dans les pixels augmente sensiblement le nombre de transistors par pixel. En conséquence, cette technique n’est pas applicable pour des capteurs compactes et économiques.
Il existe donc un besoin de disposer d'un capteur capable d’acquérir des signaux à la fois avec l’obturation global et avec l’obturation roulante, sans augmenter sensiblement ni la complexité, ni la taille, ni le coût du capteur.
Selon un aspect, il est proposé à cet égard un capteur photosensible capable de fonctionner dans un mode à obturation globale et dans un mode à obturation roulante, par exemple sur commande d’un utilisateur. Le capteur comprend au moins un pixel comportant une région photosensible adaptée pour photogénérer des charges électriques, et :
- une première grille de transfert adaptée pour transférer des charges photogénérées de la région photosensible vers un nœud de transfert, un transistor à source suiveuse adapté pour transmettre un signal de lecture sur un nœud de lecture de façon commandée par le potentiel des charges sur le nœud de transfert, dans le mode à obturation globale ; et
- une deuxième grille de transfert adaptée pour transférer des charges photogénérées de la région photosensible vers le nœud de lecture, dans le mode à obturation roulante.
Une grille de transfert est un élément de sélection ou de commutation, bien connue de l’homme de l’art, fonctionnellement analogue à un transistor MOS (acronyme bien connu de « Métal Oxide Semiconducteur ») mais pour lequel l’une des régions de conduction est formée par la région semiconductrice photosensible elle-même. Tandis que dans un transistor MOS, la région de conduction lui est spécifiquement propre, et doit usuellement être électriquement connectée à la région d’intérêt par un couplage ohmique.
En d’autres termes, le pixel selon cet aspect comporte deux grilles de transfert directement couplées sur la région photosensible, l’une transférant le signal photogénéré au nœud de transfert et permettant le fonctionnement dans le mode à obturation globale ; l’autre transférant le signal photogénéré au nœud de lecture et permettant le fonctionnement dans le mode à obturation roulante.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins un pixel comporte en outre un transistor de réinitialisation couplé au nœud de transfert et configuré pour :
- réinitialiser la charge du nœud de transfert, avant le transfert des charges photogénérées dans le mode à obturation globale ; et
- commander le transistor à source suiveuse pour réinitialiser la charge du nœud de lecture, avant le transfert des charges photogénérées dans le mode à obturation roulante.
En d’autres termes, le transistor de réinitialisation est configuré non-seulement pour la réinitialisation du nœud de transfert, faite de manière classique dans le mode à obturation globale, mais également avantageusement pour commander le transistor à source suiveuse, faisant office de transistor de réinitialisation configuré pour la réinitialisation du nœud de lecture dans le mode à obturation roulante.
En effet, les lignes de commande du transistor de réinitialisation et d’alimentation du transistor à source suiveuse peuvent être accédées sélectivement pour y transmettre des signaux permettant la configuration respective desdits transistors dans le mode à obturation globale et dans le mode à obturation roulante.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins un pixel comporte en outre deux nœuds d’échantillonnage couplés sur le nœud de lecture et configurés pour :
- stocker un signal de lecture de bruit et, respectivement, un signal de lecture de contenu dans le mode à obturation globale ; et
- présenter une haute impédance sur le nœud de lecture dans le mode à obturation roulante.
Dans le mode à obturation globale, cela correspond à l’utilisation avantageuse de la méthode de lecture à double échantillonnage corrélé, permettant en particulier de soustraire une composante de bruit temporel, appelé bruit kTC, au signal utile. Et, dans le mode à obturation roulante, les nœuds d’échantillonnage présentent une haute impédance au nœud de lecture, de manière à ne pas impacter le signal photogénéré transmis sur le nœud de lecture, par exemple en bloquant des commutateurs entre les nœuds d’échantillonnage et le nœud de lecture.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins un pixel comporte en outre un transistor de sortie à source suiveuse adapté pour transmettre un signal de sortie sur une ligne de lecture de façon commandée par le potentiel des charges sur le nœud de lecture, dans le mode à obturation globale et dans le mode à obturation roulante.
Selon un mode de réalisation, le transistor à source suiveuse est configuré pour transmettre ledit signal de lecture sur ledit nœud de lecture sans être polarisé par une source de courant.
Cela correspond par exemple à un pixel à sept transistors, capable de fonctionner dans le mode à obturation globale et dans le mode à obturation roulante.
Selon un mode de réalisation, le capteur comporte une pluralité du pixel défini ci-avant, agencés dans une matrice de détection, comportant des pixels dédiés à des composantes optiques visibles, et des pixels dédiés à une composante optique infra-rouge, et des moyens de commande configurés pour commander une acquisition d’un signal optique dans le mode à obturation globale ou dans le mode à obturation roulante par les pixels dédiés aux composantes optiques visibles, et, distinctement, dans le mode à obturation globale ou dans le mode à obturation roulante par les pixels dédiés la composante optique infra-rouge.
Ainsi le capteur peut être configuré sur commande dans le mode à obturation globale ou dans le mode à obturation roulante, par exemple selon l’application du capteur et/ou des conditions d’utilisations du capteur, et en outre selon le type de composante détectée.
En particulier, une configuration avantageuse du capteur sera une acquisition des composantes visibles du signal optique dans le mode à obturation roulante, et une acquisition de la composante infrarouge du signal optique dans le mode à obturation globale.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé d’acquisition d’un signal optique par au moins un pixel d’un capteur photosensible, comprenant une photogénération de charges électriques par une région photosensible du pixel excitée par le signal optique, et :
- dans un mode à obturation globale, un transfert des charges photogénérées de la région photosensible vers un nœud de transfert par l’intermédiaire d’une première grille de transfert, une transmission d’un signal de lecture sur un nœud de lecture par un transistor à source suiveuse commandé par le potentiel des charges sur le nœud de transfert ; et
- dans un mode à obturation roulante, un transfert des charges photogénérées de la région photosensible vers le nœud de lecture par l’intermédiaire d’une deuxième grille de transfert.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre :
- dans le mode à obturation globale, une réinitialisation de la charge du nœud de transfert, par l’intermédiaire d’un transistor de réinitialisation couplé au nœud de transfert, avant le transfert des charges photogénérées ; et
- dans le mode à obturation roulante, une réinitialisation de la charge du nœud de lecture par l’intermédiaire du transistor à source suiveuse commandé par le transistor de réinitialisation, avant le transfert des charges photogénérées.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre :
- dans le mode à obturation globale, un stockage d’un signal de lecture de bruit, et d’un signal de lecture de contenu, dans respectivement deux nœuds d’échantillonnage couplés sur le nœud de lecture ; et
- dans le mode à obturation roulante, une application dans les deux nœuds d’échantillonnage d’une haute impédance présentée sur le nœud de lecture.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre, dans le mode à obturation globale et dans le mode à obturation roulante, une transmission d’un signal de sortie sur une ligne de lecture par l’intermédiaire d’un transistor de sortie à source suiveuse commandé par le potentiel des charges sur le nœud de lecture.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit transfert des charges photogénérées de la région photosensible vers le nœud de lecture est effectué sans polariser le transistor à source suiveuse par une source de courant.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend l’acquisition du signal optique par une pluralité dudit pixel agencés dans une matrice de détection du capteur photosensible, dans lequel l’acquisition du signal optique est mise en œuvre dans le mode à obturation globale ou dans le mode à obturation roulante par des pixels dédiés à des composantes optiques visibles, et, distinctement, dans le mode à obturation globale ou dans le mode à obturation roulante par des pixels dédiés à une composante optique infra-rouge.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en œuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels :
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illustrent des modes de réalisation et de mise en œuvre de l’invention.
La illustre un circuit de principe d’un pixel PX d’un capteur photosensible, capable de fonctionner à la fois dans un mode à obturation globale GS ( ) et dans un mode à obturation roulante RS ( ).
Le pixel PX comprend une région photosensible PD, typiquement une photodiode telle qu’une photodiode pincée, adaptée pour photogénérer des charges électriques en cas d’incidence d’un signal optique.
L’anode de la photodiode PD est par exemple couplée à un niveau de potentiel de référence bas VSS, de manière à photogénérer des charges négatives sur sa cathode.
Une première grille de transfert MTG_GS est couplée entre la région photosensible PD et un nœud de transfert SN afin de transférer des charges photogénérées de la région photosensible PD vers le nœud de transfert SN.
Un transistor de réinitialisation MRT couplé au nœud de transfert SN est adapté pour réinitialiser la charge du nœud de transfert SN.
Un premier étage d’amplification SF_SN couplé entre le nœud de transfert SN et un nœud de lecture CN, est configuré pour transmettre un signal de lecture sur un nœud de lecture CN, issu des charges présentes sur le nœud de transfert SN.
Un circuit d’échantillonnage SMPL est couplé sur le nœud de lecture, et permet en particulier de stocker des signaux pour une mise en œuvre d’un double échantillonnage corrélé.
Enfin, un deuxième étage d’amplification SF_CN est couplé entre le nœud de lecture et une ligne de lecture VX<y>.
En outre, une deuxième grille de transfert MTG_RS est couplée entre la région photosensible PD et le nœud de lecture CN afin de transférer directement les charges photogénérées de la région photosensible PD vers le nœud de lecture CN, sans passer par l’intermédiaire du premier étage d’amplification SF_SN.
La voie de transfert des charges photogénérée allant de la photodiode PD à la ligne de lecture VX<y>, et passant par la première grille de transfert MTG_GS, le nœud de transfert SN, le premier étage d’amplification SF_SN, le circuit d’échantillonnage SMPL sur le nœud de lecture CN, et le deuxième étage d’amplification SF_CN, est dédiée au mode à obturation globale GS ( ).
La voie de transfert des charges photogénérée allant de la photodiode PD à la ligne de lecture VX<y>, et passant par la deuxième grille de transfert MTG_RS, le nœud de lecture CN, et le deuxième étage d’amplification SF_CN, est dédiée au mode à obturation roulante RS ( ).
En particulier, la deuxième grille de transfert MTG_GS est commandée bloquée dans le mode à obturation globale GS, et la première grille de transfert MTG_GS est commandée bloquée dans le mode à obturation roulante RS.
On se réfère désormais à la .
La illustre plus en détails le circuit d’une réalisation du pixel PX décrit en relation avec la , sur laquelle sont encadrés la partie du circuit correspondant au mode à obturation globale GS, et la partie du circuit correspondant au mode à obturation roulante RS.
La première grille de transfert MTG_GS, couplée entre la région photosensible PD et le nœud de transfert SN et dédiée au mode à obturation globale GS, comporte une région de grille, analogue à une grille de transistor MOS, et deux régions de conductions. L’une des régions de conduction est constituée de la région photosensible PD, ou plus particulièrement la cathode de la photodiode PD, l’autre est constituée d’une région dopée, adaptée pour collecter (ou drainer) des charges, formant le nœud de transfert SN.
Un signal TG_GS commande la première grille de transfert MTG_GS pour transférer des charges photogénérées de la région photosensible PD vers le nœud de transfert SN.
Par exemple le signal de commande de grille de transfert TG_GS est un signal non-décodé, c’est-à-dire globalement appliqué dans tous les pixels PX d’une matrice de détection ARR ( ) du capteur pendant la phase d’intégration du mode à obturation globale GS.
Un transistor de réinitialisation MRT est commandé par un signal de réinitialisation RT de manière à porter un potentiel VPIX<n> de réinitialisation sur le nœud de transfert SN.
Les signaux de réinitialisations RT, VPIX<n> sont générés à des potentiels adaptés pour réinitialiser la charge du nœud de transfert SN, avant chaque transfert des charges photogénérées dans le mode à obturation globale GS.
Par exemple, le signal de commande de réinitialisation RT est un signal non-décodé, c’est-à-dire globalement appliqué dans tous les pixels PX de la matrice ARR ( ) pendant la phase de réinitialisation du mode à obturation globale GS, tandis que le potentiel de réinitialisation VPIX<n> est un signal décodé par rangée, c’est-à-dire sélectivement activé pour les pixels PX appartenant à une même rangée de la matrice ARR ( ).
Le premier étage d’amplification SF_SN ( ), comporte un premier transistor à source suiveuse MPX, dont la grille est couplée sur le nœud de transfert SN, une région de conduction est couplée au nœud de lecture CN, et l’autre région de conduction est couplé à une ligne d’alimentation VD<n> décodée par rangée. Le décodage par rangée de la ligne d’alimentation VD<n> permet de sélectionner la rangée du pixel PX pour la lecture sur la ligne de lecture VX<y>, la ligne de lecture VX<y> étant quant à elle accessible sélectivement par colonne.
En particulier, les régions de conduction du premier transistor à source suiveuse MPX ne sont pas polarisées par une source de courant au sein du pixel PX. Cela permet avantageusement de limiter le nombre de transistors dans chaque pixel PX et ainsi limiter la taille de chaque pixel PX.
Ainsi, le potentiel des charges sur le nœud de transfert SN permet de commander la transmission du signal de lecture sur le nœud de lecture CN, par le premier transistor à source suiveuse MPX, dans le mode à obturation globale GS.
Le pixel PX comporte en outre un circuit d’échantillonnage SMPL couplé sur le nœud de lecture CN, notamment destiné à la lecture par double échantillonnage corrélé. Le double échantillonnage corrélé correspond sommairement à un échantillonnage du bruit temporel « kTC » issu de la réinitialisation du nœud de transfert SN, puis d’un échantillonnage du signal utile incluant le bruit temporel kTC, afin de soustraire la composante de bruit temporel kTC au signal utile bruité.
Le circuit d’échantillonnage SMPL comporte à cet égard deux nœuds d’échantillonnage C1, C2 couplés sur le nœud de lecture CN et configurés pour stocker un signal de lecture de bruit et, respectivement, un signal de lecture de contenu dans le mode à obturation globale GS. Les nœuds d’échantillonnage comportent chacun un élément capacitif C1, C2 pour stocker par effet capacitif lesdits signaux de lecture respectifs, et un commutateur MS1, MS2 entre l’élément capacitif C1, C2 et le nœud de lecture CN, par exemple un transistor MOS, commandé par un signal de commutation respectif S1<n>, S2<n> décodé par rangée.
Le deuxième étage d’amplification SF_CN ( ), comporte un deuxième transistor à source suiveuse MSF, également désigné transistor de sortie à source suiveuse, dont la grille est couplée au nœud de lecture CN et dont les régions de conductions sont couplées à une ligne d’alimentation de lecture VRT d’une part et à la ligne de lecture VX<y> d’autre part.
Par exemple, la ligne d’alimentation de lecture VRT n’est pas décodé, c’est-à-dire commune à tous les pixels PX de la matrice ARR ( ), tandis que ligne de lecture VX<y> peut être décodée par colonnes, c’est-à-dire être accessible sélectivement pour les pixels PX appartenant à une même colonne de la matrice ARR ( ).
La ligne d’alimentation de lecture VRT permet notamment de fournir un courant de lecture adapté pour les lectures faites sur les lignes de lecture VX<y> du capteur, dans le mode à obturation globale GS et dans le mode à obturation roulante RS.
Dans une alternative, un transistor d’accès décodé par rangée peut être couplé en série entre le transistor de sortie à source suiveuse MSF et la ligne de lecture VX<y>. Dans ce cas, la ligne d’alimentation VD<n> du premier transistor à source suiveuse MPX n’a pas besoin d’être décodée par rangée.
Là encore, le potentiel des charges sur le nœud de lecture CN permet de commander le transistor de sortie à source suiveuse MSF pour transmettre le signal de sortie sur la ligne de lecture VX<y> dans le mode à obturation globale GS et aussi dans le mode à obturation roulante RS.
Ainsi, la partie du pixel PX correspondant au mode à obturation globale GS incorpore la première grille de transfert MTG_GS, le transistor de réinitialisation MRT, le premier transistor à source suiveuse MPX, le circuit d’échantillonnage SMPL et le transistor de sortie à source suiveuse MSF.
La partie du pixel correspondant au mode à obturation roulante RS incorpore quant à elle la deuxième grille de transfert MTG_RS, et le et le transistor de sortie à source suiveuse MSF. Cela étant, comme décrit ci-après en relation avec les figures 3A et 3B, la partie du pixel correspondant au mode à obturation roulante RS incorpore avantageusement en outre le transistor de réinitialisation MRT et le premier transistor à source suiveuse MPX.
De façon analogue à la première grille de transfert MTG_GS, la deuxième grille de transfert MTG_RS couplée entre la région photosensible PD et le nœud de lecture CN et dédiée au mode à obturation roulant RS, comporte une région de grille, analogue à une grille de transistor MOS, et deux régions de conductions. L’une des régions de conduction est constituée de la région photosensible PD, ou plus particulièrement la cathode de la photodiode PD, l’autre est constituée d’une région dopée, adapté pour collecter (ou drainer) des charges, formant le nœud de lecture CN.
Un signal TG_RS<n> commande séquentiellement la deuxième grille de transfert MTG_RS pour transférer des charges photogénérées de la région photosensible PD vers le nœud de lecture CN.
Le signal de commande séquentiel de grille de transfert TG_RS<n> est un signal décodé par rangée, et est séquentiellement appliqué dans les pixels PX des différentes rangées de matrice de détection ARR ( ) du capteur pendant les phases d’intégration du mode à obturation roulante RS.
A l’issue de chaque phase d’intégration des différentes rangées de pixels PX, le potentiel des charges sur le nœud de lecture CN permet de commander le transistor de sortie à source suiveuse MSF pour transmettre le signal de sortie sur la ligne de lecture VX<y>, de manière analogue à la phase de lecture dans le mode à obturation globale GS.
Dans le mode à obturation roulante RS, les commutateur MS1, MS2 du circuit d’échantillonnage SMPL sont commandé bloqués, par les signaux de commande de commutation S1<n>, S2<n> de manière à présenter une haute impédance sur le nœud de lecture CN et ainsi ne pas générer de perturbation sur le signal photogénéré transmis sur le nœud de lecture CN.
Par ailleurs, le premier transistor à source suiveuse MPX et le transistor de réinitialisation MRT, peuvent avantageusement être réexploités dans le mode à obturation roulante RS afin de réinitialiser la charge du nœud de lecture CN, avant les transferts des charges photogénérées.
On se réfère à cet égard aux figures 3A et 3B.
La illustre le circuit décrit en relation avec la , dans un état correspondant à une phase de réinitialisation du nœud de lecture CN pour le mode à obturation roulante RS.
Les éléments communs supportent les mêmes références et ne sont pas à nouveau détaillés.
Cela étant, les signaux commandant les éléments du circuit sont illustrés pour la phase de réinitialisation du nœud de lecture CN, et le cadre RS représentant la partie du circuit correspondant au mode à obturation roulante RS incorpore le transistor de réinitialisation MRT et le premier transistor à source suiveuse MPX.
Ainsi, lors de la réinitialisation du nœud de lecture CN, d’une part la première grille de transfert MTG_GS est bloquée par la commande TG_GS à un potentiel de niveau bas V_lo.
D’autre part, le transistor de réinitialisation MRT est commandé passant par la commande de réinitialisation RT à un potentiel de niveau haut V_hi, et est alimenté par le potentiel de réinitialisation décodé en rangée VPIX<n>.
Ainsi le potentiel de réinitialisation VPIX<n> est communiqué sur le nœud de transfert SN, et permet de commander le premier transistor à source suiveuse MPX.
Le premier transistor à source suiveuse MPX permet ainsi de transmettre au nœud de lecture CN le signal présent sur la ligne d’alimentation décodée en rangée VD<n>, de façon commandée par le transistor de réinitialisation MRT.
Et, le potentiel sur la ligne d’alimentation décodée en rangée VD<n> est porté à un niveau adapté pour réinitialiser la charge du nœud de lecture CN.
On notera que la sélectivité par rangée de la ligne transmettant le potentiel de réinitialisation VPIX<n> et de la ligne d’alimentation VD<n> du premier transistor à source suiveuse MPX permettent de mettre en œuvre la réinitialisation du nœud de lecture CN séquentiellement et de manière adaptée aux phases d’intégrations séquentielles du mode à obturation roulante RS.
La représente un diagramme temporel des niveaux des signaux TG_RG<n>, VPIX<n>, et VD<n> mettant en œuvre un cycle d’acquisition en mode à obturation roulante RS.
Le signal de commande séquentielle de la deuxième grille de transfert TG_RG<n>, le signal de potentiel de réinitialisation VPIX<n>, et le signal de la ligne d’alimentation décodée en rangée VD<n>, ainsi que certains éléments du circuit PX, tels que le premier transistor à source suiveuse MPX, seront directement désignés par leurs références respectives.
Le cycle d’acquisition comprend une phase de réinitialisation RST, une phase d’intégration INTG, et une phase de lecture RD.
Dans la phase de réinitialisation RST, une première impulsion du signal de commande de la grille de transfert TG_RS<n> est faite pendant des niveaux hauts du signal VPIX<n> et du signal VD<n>, de façon à réinitialiser « fermement » la région photosensible PD par le niveau haut du signal VD<n> polarisant directement le nœud de lecture CN. La seconde impulsion du signal TG_RS<n> est faite pendant un niveau bas du signal VPIX<n> bloquant le transistor MPX et plaçant ainsi le nœud de lecture CN à un potentiel flottant, ce qui permet d’équilibrer les charges et d’éviter notamment des bruits de transferts.
Dans la phase d’intégration INTG, le signal VPIX<n> est à un niveau haut, commandant le transistor MPX passant, afin de transmettre le signal VD<n> sur le nœud de lecture CN. Le signal VD<n> est à un niveau bas, afin de bloquer le transistor de sortie à source suiveuse MSF, pour permettre la lecture des autres rangées de pixels sur la même ligne de lecture VX<y>.
Dans la phase de lecture RD, le niveau du signal VD<n> est remonté au niveau haut, suffisamment longtemps avant d’abaisser le niveau du signal VPIX au niveau bas, pour polariser le nœud de lecture CN à un potentiel flottant de niveau haut. Une première lecture « ref » peut mesurer un niveau de référence sur la ligne de lecture VX<y>, puis une deuxième lecture « sgnl », après une impulsion sur le signal de commande de la grille de transfert TG_RS<n>, mesure le signal photogénéré pendant la phase d’intégration INTG.
La illustre schématiquement un capteur photosensible CPT capable de fonctionner dans un mode à obturation globale GS et dans un mode à obturation roulante RS au moyen de pixels PX tels que décrits précédemment en relation avec les figures 1, 2, 3A et 3B.
Le capteur photosensible CPT comporte une pluralité de ce pixel PX, agencés dans une matrice de détection ARR. L’agencement des pixels PX dans la matrice de détection ARR est typiquement fait par rangées sélectionnables par un décodeur de rangées DEC<n>, et par colonnes sélectionnables par un décodeur de colonnes DEC<y>.
En particulier, le décodeur de rangées DEC<n> est configuré pour distribuer les signaux TG_RS<n>, VPIX<n> et VD<n> dans la rangée « n » sélectionnée ; et le décodeur de colonnes DEC<y> est configuré pour accéder à la ligne de lecture VX<y> de la colonne « y » sélectionnée.
La matrice ARR comporte des pixels dédiés à des composantes optiques visibles RGB, et des pixels dédiés à une composante optique infra-rouge IR, typiquement au moyen de filtres optiques placés devant les pixels PX respectifs.
Par ailleurs, le capteur comporte des moyens de commande COM configurés pour commander une acquisition d’un signal optique dans le mode à obturation globale GS ou dans le mode à obturation roulante RS, notamment par l’intermédiaire des décodeurs de rangées DEC<n> et de colonnes DEC<y>. On pourra considérer que les décodeurs de rangées DEC<n> et de colonnes DEC<y> font partie des moyens de commande COM.
En outre, les moyens de commande COM peuvent commander l’acquisition du signal optique incident par les pixels du visibles RGB et infrarouges IR distinctement dans le mode à obturation globale GS ou dans le mode à obturation roulante RS.
En particulier, une configuration avantageuse des moyens de commande COM du capteur CPT exécutera une acquisition du signal optique dans le mode à obturation roulante RS avec les pixels dédiés aux composantes visibles RGB, et une acquisition du signal optique dans le mode à obturation globale GS avec les pixels dédiés à la composante infrarouge IR.

Claims (12)

  1. Capteur photosensible capable de fonctionner dans un mode à obturation globale (GS) et dans un mode à obturation roulante (RS), comprenant au moins un pixel comportant une région photosensible (PD) adaptée pour photogénérer des charges électriques, et :
    - une première grille de transfert (MTG_GS) adaptée pour transférer des charges photogénérées de la région photosensible (PD) vers un nœud de transfert (SN), un transistor à source suiveuse (MPX) adapté pour transmettre un signal de lecture sur un nœud de lecture (CN) de façon commandée par le potentiel des charges sur le nœud de transfert (SN), dans le mode à obturation globale (GS) ; et
    - une deuxième grille de transfert (MTG_RS) adaptée pour transférer des charges photogénérées de la région photosensible (PD) vers le nœud de lecture (CN), dans le mode à obturation roulante (RS).
  2. Capteur photosensible selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un pixel comporte en outre un transistor de réinitialisation (MRT) couplé au nœud de transfert (SN) et configuré pour :
    - réinitialiser la charge du nœud de transfert (SN), avant le transfert des charges photogénérées dans le mode à obturation globale (GS) ; et
    - commander le transistor à source suiveuse (MPX) pour réinitialiser la charge du nœud de lecture (CN), avant le transfert des charges photogénérées dans le mode à obturation roulante (RS).
  3. Capteur photosensible selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un pixel comporte en outre deux nœuds d’échantillonnage (MS1, C1, MS2, C2) couplés sur le nœud de lecture et configurés pour :
    - stocker un signal de lecture de bruit et, respectivement, un signal de lecture de contenu dans le mode à obturation globale (GS) ; et
    - présenter une haute impédance sur le nœud de lecture (CN) dans le mode à obturation roulante (RS).
  4. Capteur photosensible selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un pixel comporte en outre un transistor de sortie à source suiveuse (MSF) adapté pour transmettre un signal de sortie sur une ligne de lecture (VX<y>) de façon commandée par le potentiel des charges sur le nœud de lecture (CN), dans le mode à obturation globale (GS) et dans le mode à obturation roulante (RS).
  5. Capteur photosensible selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le transistor à source suiveuse (MPX) est configuré pour transmettre ledit signal de lecture sur ledit nœud de lecture (CN) sans être polarisé par une source de courant.
  6. Capteur photosensible selon l’une des revendications précédentes, comportant une pluralité dudit pixel agencés dans une matrice de détection (ARR), comportant des pixels dédiés à des composantes optiques visibles (RGB), et des pixels dédiés à une composante optique infra-rouge (IR), et des moyens de commande (COM) configurés pour commander une acquisition d’un signal optique dans le mode à obturation globale (GS) ou dans le mode à obturation roulante (RS) par les pixels dédiés aux composantes optiques visibles (RGB), et, distinctement, dans le mode à obturation globale (GS) ou dans le mode à obturation roulante (RS) par les pixels dédiés la composante optique infra-rouge (IR).
  7. Procédé d’acquisition d’un signal optique par au moins un pixel d’un capteur photosensible, comprenant une photogénération de charges électriques par une région photosensible (PD) du pixel excitée par le signal optique, et :
    - dans un mode à obturation globale (GS), un transfert des charges photogénérées de la région photosensible (PD) vers un nœud de transfert (SN) par l’intermédiaire d’une première grille de transfert (MTG_GS), une transmission d’un signal de lecture sur un nœud de lecture (CN) par un transistor à source suiveuse (MPX) commandé par le potentiel des charges sur le nœud de transfert (SN) ; et
    - dans un mode à obturation roulante (RS), un transfert des charges photogénérées de la région photosensible (PD) vers le nœud de lecture (CN) par l’intermédiaire d’une deuxième grille de transfert (MTG_RS).
  8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre :
    - dans le mode à obturation globale (GS), une réinitialisation de la charge du nœud de transfert (SN), par l’intermédiaire d’un transistor de réinitialisation (MRT) couplé au nœud de transfert (SN), avant le transfert des charges photogénérées ; et
    - dans le mode à obturation roulante (RS), une réinitialisation de la charge du nœud de lecture (CN) par l’intermédiaire du transistor à source suiveuse (MPX) commandé par le transistor de réinitialisation (MRT), avant le transfert des charges photogénérées.
  9. Procédé selon l’une des revendications 7 ou 8, comprenant en outre :
    - dans le mode à obturation globale (GS), un stockage d’un signal de lecture de bruit, et d’un signal de lecture de contenu, dans respectivement deux nœuds d’échantillonnage (MS1, MS2) couplés sur le nœud de lecture ; et
    - dans le mode à obturation roulante (RS), une application dans les deux nœuds d’échantillonnage (MS1, MS2) d’une haute impédance présentée sur le nœud de lecture (CN).
  10. Procédé selon l’une des revendications 7 à 9, comprenant en outre, dans le mode à obturation globale (GS) et dans le mode à obturation roulante (RS), une transmission d’un signal de sortie sur une ligne de lecture (VX<y>) par l’intermédiaire d’un transistor de sortie à source suiveuse (MSF) commandé par le potentiel des charges sur le nœud de lecture (SN).
  11. Procédé selon l’une des revendications 7 à 10, dans lequel ledit transfert des charges photogénérées de la région photosensible (PD) vers le nœud de lecture (CN) est effectué sans polariser le transistor à source suiveuse (MPX) par une source de courant.
  12. Procédé d’acquisition d’un signal optique selon l’une des revendications 7 à 11 par une pluralité dudit pixel (PX) agencés dans une matrice de détection (ARR) du capteur photosensible (CPT), dans lequel l’acquisition du signal optique est mise en œuvre dans le mode à obturation globale (GS) ou dans le mode à obturation roulante (RS) par des pixels dédiés à des composantes optiques visibles (RGB), et, distinctement, dans le mode à obturation globale (GS) ou dans le mode à obturation roulante (RS) par des pixels dédiés à une composante optique infra-rouge (IR).
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