LU87822A1 - Circuit d'amplification d'un signal video dans une camera du type ccd - Google Patents

Description

Circuit d'amplification d'un signal vidéo dans une caméra du type CCD L'invention se réfère à un circuit d'amplification d'un signal vidéo dans une caméra du type CCD dont la matrice opto-élec-tronique présente, en bordure de chaque ligne, quelques pixels correspondant aux charges accumulées dans les sites cachés et constituant la référence du noir.

Les dispositifs matriciels au silicium dits CCD (charge coup-led device) sont de plus en plus utilisés comme capteurs photoniques dans les caméras modernes, car ils sont compacts et de mise en oeuvre aisée.

Ils comportent généralement une zone formée d'environ 300 lignes de 400 sites photosensibles chacune (taille d'un pixel environ 20 pm fois 20 um). Lorsque cette partie est illuminée, les électrons créés par effet photoélectrique s'accumulent dans des puits de potentiel pendant une durée dite d'intégration. En général, ils sont ensuite transférés, ligne par ligne, dans une zone mémoire d'architecture identique à la précédente, mais maintenus dans l'obscurité.

Une nouvelle période d'intégration peut alors commencer, en mime temps que débute la phase de lecture de la mémoire. Les charges associées aux pixels de chaque ligne sont déposées dans un registre de lecture, puis décalées séquentiellement vers une capacité de conversion dans laquelle elles sont transférées après décharge préalable de celle-ci. La tension résultante constitue le signal vidéo proportionnel au flux lumineux absorbé par chaque élément photosensible. Chaque ligne vidéo est complétée par quelques pixels, par exemple par 10 pixels, qui correspondent aux charges accumulées dans des sites cachés; celles-ci sont créées par agitation thermique et constituent la référence dite "du noir".

Ce signal est soit mélangé à des impulsions de synchronisation pour être visualisé sur un écran, soit numérisé, pixel par pixel, et stocké dans la mémoire d'un ordinateur pour y subir un traitement immédiat ou différé.

La plupart des caméras disponibles sur le marché fonctionnent selon les normes CCIR. La cadence des prises de vue est donc de 50 images par seconde, ce qui correspond à un temps d'intégration fixe, légèrement inférieur à 20 ms, et à une fréquence de lecture du registre de sortie de 7,4 MHz (soit environ 135 ns par pixel). Le signal délivré par le capteur est amplifié par un étage vidéo, habituellement à liaisons alternatives, associé à un système de restitution du niveau continu.

Ce dispositif est souvent de réalisation délicate, et son efficacité devient problématique dans le cas de caméras à haute sensibilité, d'autant que les variations du niveau du noir ne sont pratiquement jamais corrigées. Ces variations sont induites par l'augmentation du nombre des porteurs libres générés par agitation thermique et correspondent à un coefficient voisin de 3 mV/°C à 25°C. Cette dérive réduit assez nettement la résolution en intensité de la caméra. En effet, si l'on considère un accroissement de la température du substrat de l'ordre de 10°C et si l'on tient compte du seuil de solarisation qui est proche de 1 Volt, on en déduit que la résolution pratique, approximativement égale à 3%, est très supérieure à la limite théorique imposée par les convertisseurs analogiques-numériques à 8 bits couramment utilisés (0,4%).

Par ailleurs, les circuits de contrôle du capteur CCD et 1'amplificateur présentent généralement des caractéristiques telles que la largeur spectrale du signal vidéo excède rarement 5 MHz au lieu de 7 MHz escomptés. Il en résulte évidemment une détérioration de la résolution spatiale.

Enfin, il existe actuellement des caméras vidéo rapides capables de délivrer 100 à 200 images par seconde. Elles travaillent en général avec une définition spatiale réduite d'un facteur compris entre 2 et 4. En effet, pour diminuer le débit d'informations à traiter, les contenus de lignes et colonnes voisines sont sommées. Ainsi, il est possible d'augmenter la cadence de prise de vue avec une bande vidéo modérée ne dépassant en aucun cas 14 MHz. L'objectif de l'invention est d'atteindre une cadence de 200 images par seconde en conservant la résolution spatiale intrinsèque du capteur CCD et en portant la résolution en intensité à une valeur inférieure à 0,02%, soit une amélioration d'un facteur supérieur à 100 par rapport aux réalisation actuelles.

Cet objectif est atteint selon l'invention par le fait que le signal sortant de la matrice opto-électronique est appliqué à un amplificateur différentiel qui reçoit en outre sur sa seconde entrée un signal de réaction provenant d'une boucle qui incorpore une porte de tri dont la fenêtre correspond aux pixels constituant la référence du noir et dont l'entrée est reliée à la sortie dudit amplificateur différentiel, cette porte étant suivie d'un circuit moyenneur, d'un échantil-lonneur-bloqueur et d'un comparateur-correcteur fournissant ledit signal de réaction.

De préférence, le comparateur-correcteur compare le signal sortant de 1'échantillonneur-bloqueur à une valeur de consigne de "noir" et fournit audit amplificateur différentiel un signal qui est fonction de la divergence dudit signal sortant de 1'échantillonneur-bloqueur par rapport à la valeur de con- signe.

Pour profiter de la résolution accrue grâce à la boucle de stabilisation du niveau du "noir", il est nécessaire d'utiliser un convertisseur analogique-numérique à au moins 10 bits. Si la vitesse de ce convertisseur ne suffit pas pour la cadence de conversion souhaitée, on utilise de préférence deux circuits de conversion identiques qui travaillent en modes alternés. L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation et des figures annexées.

La figure 1 est un schéma du circuit d'amplification selon l'invention, et la figure 2 représente deux signaux vidéo à deux endroits différents du circuit selon l'invention.

Le bloc 1 de la figure 1 représente une matrice au silicium dite CCD qui est associée à des lentilles optiques non représentées et reçoit le flux lumineux correspondant à l'image à capter. Le temps de lecture d'un pixel est d'environ 35 ns, ce qui donne une fréquence d'environ 28 MHz pour l'échantillonnage des pixels. La matrice 1 reçoit des signaux de commande par une entrée 3, qui proviennent d'un circuit de contrôle 4 assurant le synchronisme de l'ensemble. Les signaux sortant de la matrice 1 par la sortie 2 sont du type tel que représenté sur la figure 2a. On y voit six impulsions correspondant à six pixels, dont les trois premiers appartiennent à des pixels de 1'image à capter et les trois restants appartiennent à des sites cachés constituant la référence du noir. Ce signal est appliqué à un amplificateur différentiel 5, qui est réalisé à l'aide de deux transistors bipolaires. Le gain de cet amplificateur est voisin de 5 et sa bande passante supérieure à 30 MHz. En plus, son taux de rejection en mode commun élevé garantit une stabilité thermique bien meilleure que celle de la matrice 1. La seconde entrée de l'amplificateur différentiel 5 fait partie d'une boucle de réaction qui comporte en série un circuit de tri 6 commandé par le circuit de contrôle 4, et qui sélectionne la partie du signal correspondant aux pixels des sites cachés, un circuit moyenneur 7, un échantillonneur-blo-queur 8 et un comparateur-correcteur 9. L'entrée du circuit de tri est reliée à la sortie de l'amplificateur différentiel 5 et la sortie du comparateur-correcteur 9 est reliée à la seconde entrée de cet amplificateur. Le comparateur-correcteur 9 comporte un circuit d'addition 10, qui reçoit sur une entrée REF une tension de référence et sur une autre entrée le signal de sortie de 1'échantillonneur-bloqueur 8. Le signal vidéo amplifié, qui est disponible à la sortie de l'amplificateur différentiel 5, est appliqué à un convertisseur analogique-numérique 11 lorsqu'on désire une sortie numérisée. Autrement, le signal analogique est combiné avec des signaux de synchronisation standardisés en vue d'une visualisation sur un écran de télévision.

Le fonctionnement du circuit d'amplification selon l'invention est le suivant:

Comme il a été exposé ci-dessus, la résolution d'un signal vidéo provenant d'une matrice CCD est affectée par la sensibilité thermique de cette matrice. Cette sensibilité a pour conséquence que les amplitudes des signaux électriques correspondant aux différents pixels ne dépend non seulement de la lumière incidente, mais également de la température à laquelle est soumise la matrice 1 et du temps d'intégration de la lumière. Sans cette sensibilité, le niveau "noir" qu'on peut extraire des pixels cachés serait toujours constant. Or, en réalité, cette amplitude varie dans une fourchette qui est symbolisée par 12 dans la figure 2a. Corrélativement, les signaux vidéo utiles sont affectés de la même imprécision.

La figure 2b représente les signaux qui sont disponibles (après inversion) à la sortie de l'amplificateur différentiel 5. Grâce à la boucle comportant les éléments 6 à 9, le niveau du noir est ramené à une valeur constante définie par la tension de référence, et cela indépendamment d'un changement de la température dans la matrice 1 et (ou) du temps d'intégration. La boucle avec les éléments 6 à 9 constitue donc une boucle de contrôle automatique du niveau du noir. Le coéffici-ent de température apparent, ramené à la sortie de la matrice 1, est suffisamment faible (inférieur à 8 uV/°C) pour que l'on puisse envisager de numériser le signal vidéo sur 12 ou même 14 bits, soit une résolution équivalente d'environ 60 pV à la sortie de la matrice. Si le convertisseur 11 n'est pas capable de faire face à un temps de conversion inférieur à 40 ns, on peut envisager l'emploi de deux convertisseurs qui fonctionnent en modes alternés.

Les performances accrues de ce circuit selon l'invention lui ouvrent un vaste champ d'applications. De manière générale, celles-ci concernent l'observation et l'analyse en temps réel de phénomènes qui varient avec des constantes de temps de l'ordre de la milliseconde. En outre, l'adjonction d'un obturateur rapide permet l'enregistrement des phénomènes transitoires dans le domaine des nanosecondes. Le correcteur 9 peut corriger les variations du niveau de noir en un temps très court équivalent à 3 ou 4 lignes vidéo.

Claims (4)

1. Circuit d'amplification d'un signal vidéo dans une caméra du type CCD dont la matrice opto-électronique (1) présente, en bordure de chaque ligne, quelques pixels correspondant aux charges accumulées dans des sites cachés et constituent la référence du noir, caractérisé en ce que le signal sortant de ladite matrice opto-électronique (1) est appliquée à un amplificateur différentiel (5) qui reçoit en outre sur sa seconde entrée un signal de réaction provenant d'une boucle qui incorpore une porte de tri (6) dont la fenêtre correspond aux pixels constituant la référence du noir et dont l'entrée est reliée à la sortie dudit amplificateur différentiel, cette porte étant suivie d'un circuit moyenneur (7), d'un échantil-lonneur-bloqueur (8) et d'un comparateur-correcteur (9) fournissant ledit signal de réaction.

2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comparateur-correcteur (9) compare le signal sortant de 1'échantillonneur-bloqueur (8) à une valeur de référence de "noir" et fournit audit amplificateur différentiel (5) un signal qui est fonction de la divergence dudit signal sortant de 1'échantillonneur-bloqueur (8) par rapport à la valeur de référence.

3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le signal sortant de l'amplificateur différentiel (5) est appliqué à un convertisseur analogique-numérique (11) à au moins 10 bits.

4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le convertisseur (11) comporte deux circuits de conversion identiques qui travaillent en modes alternés.