WO2010066850A1 - Capteur d'image a double transfert de charges pour grande dynamique et procede de lecture - Google Patents

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WO2010066850A1
WO2010066850A1 PCT/EP2009/066860 EP2009066860W WO2010066850A1 WO 2010066850 A1 WO2010066850 A1 WO 2010066850A1 EP 2009066860 W EP2009066860 W EP 2009066860W WO 2010066850 A1 WO2010066850 A1 WO 2010066850A1
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sampling
integration
storage node
charges
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Jacques Leconte
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E2V Semiconductors
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    • H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters

Definitions

  • the invention relates to electronic image sensors and more particularly those that operate from pixels active in MOS technology.
  • the invention relates in particular to a method of controlling the different transistors that make up the pixels.
  • the active pixels generally comprise a photodiode and three, four or five MOS transistors for controlling the reading of the charges generated by the light in the photodiode.
  • the three-transistor pixels operate by transferring directly to a column conductor the potential of the photodiode, which potential varies according to the illumination and the integration time of the light.
  • the four-transistor pixels operate by first transferring the charges generated by the light from the photodiode to a capacitive storage node and then transferring the potential of the storage node to a column conductor; one of the transistors serves to reset the potential of the storage node before charge transfer from the photodiode to the storage node.
  • the five transistor pixels further include a photodiode potential reset transistor.
  • FIG. 1 The structure of a five-transistor pixel is recalled in FIG. 1.
  • a five-transistor pixel comprises a PD photodiode, a capacitive storage node ND (represented by a single point in FIG. 1, and realized in practice by a small diffusion of FIG. type N in a P-type substrate), a charge transfer transistor T1 between the cathode of the photodiode and the storage node, a resetting transistor T2 of the potential of the storage node, a resetting transistor T3 of the potential of the cathode of the photodiode, a follower transistor T4, a line selection transistor T5. For a pixel with four transistors the transistor T3 would be deleted.
  • the photodiode is generally constituted by an N-type diffusion in a substrate P, but this diffusion is preferably covered by a surface region P + connected to ground, which makes it possible to better fix its potential when it is reset.
  • the transfer transistor T1 is controlled by a transfer signal TG.
  • the transistor T2 reset the storage node has its drain connected to a reset potential VRS (which is generally the supply potential Vdd) and is controlled by a reset control signal RST.
  • the resetting transistor T3 of the photodiode is connected between the cathode of the photodiode and a supply potential Vdd. It is controlled by a reset signal Rph.
  • the follower transistor T4 has its drain connected to a reference potential which may be the supply Vdd, its source connected to the line selection transistor T5, and its gate connected to the storage node ND.
  • the line selection transistor T5 has its gate connected to a line selection conductor LS which connects all the line selection transistors of the same line of pixels; this line is controlled by a line selection signal SEL specific to this line; the drain of T5 is connected to the source of the follower transistor and its source is connected to a column conductor CC common to all the pixels of the same column of pixels. This column conductor is connected to a reading circuit, not shown, at the foot of the column.
  • the integration time Ti starts when this slot ends (time t 0 ).
  • a transfer slot TG is applied to the gate of the transfer transistors T1 of the line.
  • This slot allows the discharge in the storage node ND of all the charges accumulated in the photodiode.
  • the end of this slot marks the end of the integration time Ti for a row or for the entire matrix.
  • the line selection transistor T5 is then made conductive by a line selection slot SEL (line by line). Only the SEL slot for the first row of the matrix is represented.
  • the slots for the other lines follow, without overlapping.
  • the potential present on the storage node ND of the transistors of the line is carried by the follower transistor T4 on the column conductor CC and is read by a respective read circuit associated with each column.
  • a control slot SHS is applied in the read circuit (not shown) at the foot of the column of pixels, to take a first sample of the potential present on the column conductor. This potential depends on the quantity of charges resulting from the illumination of the pixel during the integration time Tj.
  • a slot RST L is applied to the gates of the transistors T2 of all the pixels of the selected line.
  • the potential of the storage node is reset to a value dictated by the value VRS applied to the drain of the transistors T2.
  • a slot SHR is applied to the reading circuit to take a second sample of the potential of the column conductor.
  • An analog-to-digital converter converts the difference between the two samples. The converter is specific to each column or unique for all columns.
  • the sensor record images having the greatest possible dynamics, that is to say we want sensitive pixels in the presence of low illumination but capable of receiving very bright images without saturation.
  • Several solutions have been sought to obtain a great dynamic.
  • One solution is to use a successive capture of several images with different integration times. If the signal provided by a pixel having undergone a long integration time is saturated, it is replaced by a signal of the same pixel, having undergone a short integration time. This supposes taking several successive images and the overall acquisition time is long. In addition it is necessary to process the images pixel by pixel to choose the most suitable signal for each one before moving on to a next image.
  • Another solution is to have a mixed matrix with small pixels and large pixels. Small pixels, less sensitive, serve if there is a lot of light. Complex adaptive processing is required and the overall resolution of the matrix is reduced. Yet another solution consists in measuring the time that a pixel takes to reach saturation in order to deduce information on the level of light in the presence of saturating illuminations. This assumes more complex pixels. Solutions with logarithmic or linear-logarithmic or slope-varying pixels of the response curve have also been proposed for three-transistor pixels. They are based on a variation of the potential of the gate of the reset transistor of the photodiode. These solutions are sensitive to technological dispersions: dispersion of threshold voltages of the transistors of the different pixels and dispersion of the vacuum potential of the photodiode after reinitialization.
  • a device has been proposed whose reading circuit comprises a first capacitance for storing a reset potential level of the storage node of the pixel, a second capacitance for storing a potential level taken by the storage node after a first integration period, a third capacity for storing a potential level taken by the storage node after a second integration period following the first but much shorter than the first, and a threshold circuit for compare the potential level in the first capacitance with a threshold and use the potential stored in the second capacitance rather than in the first capacitor if, as a result of too much illumination, the threshold is exceeded.
  • This device requires three sampling capabilities. However, the sampling capacity occupies a very large area in the reading circuit (order of magnitude 15% of the area for each capacity).
  • the matrix image sensors are very sensitive to an effect which is the fixed reading noise in column. This noise results from the offset dispersions of the column amplifiers and results in parallel vertical lines very visible to the eye during the display of the images. There are methods to reduce it, but these methods do not apply if there are three capabilities. It may be noted, moreover, that if this noise is not eliminated, it is finally multiplied by the ratio of the integration times in the case where the second capacitance is used rather than the first.
  • the aim of the invention is to propose a method for controlling the sensor, which makes it possible to obtain a great dynamic, using only two capacities which allows in particular a reduction of the fixed noise of column, and maintaining a linearity of the signal compared to the received brightness, for the weak illuminations as for the strong illuminations.
  • This linearity facilitates in particular the colorimetric corrections in the color image sensors, whereas a non-linear response makes colorimetric corrections more difficult.
  • a non-linear response also makes it more difficult to automatically correct gain or exposure.
  • a method for reading the charges coming from the pixels of an image-taking matrix in which the pixels of the same line are addressed simultaneously to establish each, on a respective column conductor connected to a read circuit, a potential level representing the charges generated by the illumination of this pixel, and wherein a pixel comprises at least one photodiode, a charge storage node, and a line selection transistor for connecting the node storage to the column conductor or isolate it from this conductor.
  • the integration of charges in the photodiode and the reading of the charges are made according to the following succession of operations: integration of charges into the photodiode during a first integration period TM, first transfer of the charges thus integrated from the photodiode to the node storage at the end of the first integration period, integration of charges in the photodiode for a second duration T12 different from the first, establishment of a connection between the storage node and the column conductor, first sampling, in a reading circuit capacitance, a first potential level present at this time on the column conductor and resulting from the first charge transfer, second charge transfer from the photodiode to the storage node, and subsequently an analog-to-digital conversion the sampled potential level in the capacity.
  • the method is characterized in that a second conditional sampling, in the same capacity, of a second potential level present on the column conductor and resulting from the second charge transfer is carried out, the second sampling being conditioned by the result. a comparison between the first or second potential level present on the column conductor and a predetermined threshold level; the result of the comparison is transmitted to determine a multiplicative factor to be applied to the result of the analog-to-digital conversion.
  • two successive readings of potential level are made after two integrations of consecutive different durations, and the first reading is overwritten by the second as a function of the signal level generated on the column conductor by the longest of the two. durations.
  • the level in terms of level of illumination that is to say of amount of charges accumulated in the storage node
  • the threshold it is chosen to keep the level sampled in the capacity during the first duration or replace it with the one sampled after the second duration; the stored level or the new sampled level is then converted to a numerical value.
  • the result of the comparison is kept in memory. If the illumination threshold is exceeded, the result of the numerical conversion is subsequently multiplied by a value which is in the ratio of the longest to the shortest duration. If the threshold is not exceeded, we keep the result of the conversion.
  • the multiplication is done outside the image sensor, the sensor sending only one instruction bit on the necessity of a multiplication.
  • the invention is applicable in principle in the case of operating modes of so-called "rolling shutter” sensors, that is to say in which the resetting of the photodiodes is done line by line and not simultaneously for all the lines. All lines include charges for the same duration but not at the same time.
  • the pixel comprises a storage node resetting transistor, making it possible to reset the potential of the storage node to a predetermined level; the leveling is done by short conduction of this transistor after the first sampling; and an intermediate sampling, in a second sampling capacity of the sampling circuit, is performed between this updating and the second sampling; the analog-to-digital conversion deals with the difference in potential between the level sampled in the first capacity and the level of potential sampled in the second capacity, and not on the absolute value of the potential of the first capacitance, so that voltage drops such as the gate-source voltage drop of the follower transistor, as well as other low-frequency noise, are eliminated.
  • the first integration time Ti 1 is preferably a much shorter duration than the second integration time Ti 2.
  • the comparison with the threshold is performed with the second potential level present on the column conductor resulting from the second charge transfer from the photodiode to the storage node.
  • the comparison instant is located between the beginning of a selection slot of the pixel line and a reset of the potential of the storage node; the result of the comparison is then preserved.
  • the second storage period is much shorter than the first.
  • the comparison with the threshold would be made with the potential present on the column conductor and stored in the first sampling capacity after the first charge transfer.
  • the invention proposes an image sensor in MOS technology, comprising a matrix of pixels organized in rows and columns, the pixels of the same column being connected to a driver of column itself connected to a read circuit, each pixel having a photodiode connected by a transfer transistor to a storage node, and a line selection transistor for connecting the storage node to the column conductor or isolating it from this driver.
  • This sensor comprises means for performing, during the same integration cycle and for reading the charges of one pixel, two charge transfers, the first after a first integration period, the second after a second integration period different from the first one. first, and means for sampling in a sampling capacity the potential level taken by the column conductor after the first charge transfer.
  • the sensor is characterized in that it comprises a comparator for comparing with a threshold the potential taken by the column driver after the longest of the two durations, a means for replacing or not, depending on the result of the comparison, the content the sampling capacity by the potential level taken by the column driver after the second transfer of charges, and a means for providing a digital output signal which is, according to the result of the comparison,
  • This bit represents information on the choice of the transmitted value. It also represents a binary instruction on the necessity (in the second case) of multiplying the output value by the ratio between the longest and the shortest of the two durations.
  • the first duration is very advantageously the shortest.
  • FIG. 1 already described, represents the conventional constitution of a CMOS active pixel with five transistors
  • FIG. 2 already described, represents the conventional operating chronogram of the pixel of FIG. 1;
  • FIG. 3 represents the timing diagram of operation in the method according to the invention
  • FIG. 4 represents a read circuit adapted to the implementation of the reading method according to the invention
  • the method according to the invention can be applied to a five-transistor pixel similar to that of FIG.
  • the control chronogram according to the invention is represented in FIG. 3 in a case where a charge integration cycle comprises two successive periods Ti 1 and then Ti 2 where Ti 1 is much shorter than Ti 2.
  • a reset time slot Rph is applied to the gate of transistor T3 for a whole row of pixels. This slot acts to empty to the supply potential Vdd the charges stored in the photodiode PD. As long as this slot lasts, the integration of charges in the photodiode is prevented. It is then authorized at the end of this slot, at a time t 0 and until the end of the reading of the charges corresponding to the current integration cycle.
  • a new integration cycle begins in a new Rph slot.
  • the slot Rph is provided independently for each line, so that the time t 0 starts at successive times for the successive lines. Only the chronogram corresponding to a line is represented.
  • a first integration of charges into the photodiode PD occurs from the time t 0 and for a duration TM.
  • a short slot RST 3 is generated on the gate of the transistors T2 of all the pixels of the line, which makes these transistors conductive.
  • the potential of the storage node ND is reset, for all the transistors of the line, to a fixed value.
  • a load transfer slot TG 3 is applied to the control gate of the transfer transistors T1 of the line.
  • the charges generated by the light in the photodiode flow into the storage node. They modify the potential of this node.
  • the end of the first charge integration period Ti 1 is defined by the end of the first transfer slot TG 3 .
  • a second integration period Ti2 then begins. The photodiode was emptied of its charges during slot TG 3 and now incorporates other charges.
  • a selection slot of the line of pixels is set on the line LS to start the process of reading the pixels of this line.
  • This slot makes conductive the line selection transistor T5.
  • This activates the follower transistor T4 and reports the potential of the storage node ND on the column conductor CC (at a gate-source transistor voltage).
  • the column driver then takes a first level of potential.
  • the SEL slot remains active for the duration of the reading of the pixels of the line considered, then it stops and it is only after this interruption that a similar niche can be applied to another line. During the SEL slot, the following operations are performed:
  • a control slot SHS1 is applied in the read circuit (shown in FIG. 4) at the foot of the column of pixels, in order to collect in a first capacitor C1 of the reading circuit a first sample of the potential present on the column conductor ; this potential results from the first charge transfer and therefore depends on the illumination of the pixel during the first integration period TM; - In the case where we want to do (which is much preferable) a reading by difference between the potential level after charge spill and the potential level after resetting the storage node, it establishes a second reset slot RST b ; this slot is applied to the gates of the transistors T2 of the pixel line; the potential of the storage node is reset to a fixed value; a control slot SHR is then applied to the read circuit, to take an intermediate sample of the reset column potential, in a second sampling capacitor C2 of the read circuit;
  • a second transfer slot TG b is applied to the gate of the transfer transistor T1; the integrated charges during the duration T12 in the photodiode are discharged into the storage node ND; the duration T12 ends at the end of the slot TG b ; the potential of the column conductor follows (at a gate-source voltage close) the new potential of the storage node following this second charge transfer.
  • the potential taken at that moment by the column conductor is chosen to store or not to store in the first capacity of the reading circuit, and the choice is made in the example of the timing diagram of FIG. as a function of the second potential level taken by the column conductor as a result of the second discharge of charges representing the illumination during the duration Ti2: if this second level indicates the exceeding of a threshold of quantity of charges in the node of storage, which amounts to indicating a risk of saturation of the measured signal, the spillage is not made; if, on the contrary, there is no exceeding of this threshold of quantity of charges, the spill is made.
  • a second control slot SHS2 is applied conditionally to the read circuit to take a second sample of the potential of the column conductor in the first sampling capacity of the read circuit.
  • This slot SHS2 is applied only subject to a condition defined by the comparison between the second potential level of the column driver after the second spill and a threshold value.
  • the SHS2 slot has been shown in dashed lines in FIG. 3 because it may be present or absent depending on the result of the comparison.
  • the comparison is made during the reading, that is during the SEL slot.
  • the instant of the comparison t CO m p is located after the end of the second transfer slot TG b .
  • the comparison with a threshold is therefore made from the potential present on the column conductor and resulting from the second discharge of charges. This potential represents the illumination during the duration Ti2.
  • the potential of the column conductor resulting from the second charge spill shows that the quantity of charges integrated during the duration Ti2 exceeds a threshold, then it is considered that the storage node is saturated; we do not issue a SHS2 slot; the charges stored in the first sampling capacity are stored; they are converted into digital, they are transmitted to the output of the sensor and a bit of saturation information is also transmitted which will be used (in principle outside the sensor) to multiply the numerical value provided by the ratio between the duration Ti2 and the duration Ti 1; the value resulting from the multiplication is a value proportional to the illumination during the duration TM;
  • the threshold of quantity of charges is not exceeded, there is no risk of saturation; the SHS2 slot is issued; the content of the first sampling capacity is overwritten and takes a new sample of the potential of the column, resulting from the second spill of loads; the sample thus represents the illumination during the duration Ti2; it is this sample that is converted into digital; the output signal of the reading circuit is this value, proportional to the illumination; the saturation information bit indicates that there is no saturation so no need to multiply by a coefficient the digital value provided by the sensor.
  • analog-to-digital converter for providing a signal value representing illumination, both at low illuminance and at high illumination. This eliminates, by difference, the offset voltages introduced in particular by the follower transistor T4, and it also eliminates to a large extent, for the lowest levels of illumination (below the saturation threshold), the noise that can affect the level of the reset potential of the storage node (noise called "reset noise"). Indeed, it makes the difference between a level read during the SHS2 slot and a reset level read immediately before (during the SHR slot).
  • the analog-to-digital conversion is performed from an instant t conv located after the SHS2 slot. It can be done after the end of the SEL line selection slot, provided that it is completed before the SHS1 slot of the next line.
  • FIG. 4 represents a read circuit making it possible to implement the reading method according to the invention.
  • a pixel at the intersection of a row and a column has been represented.
  • the reading circuit is placed at the foot of the column. It includes in this example two sampling capacities C1 and C2; the capacitor C1 is connected to the column conductor CC by means of a switch K1 actuated by the signals SHS1 (at each new reading of a line) and SHS2 (at each line reading but each time subject to the result provided by a comparator CMP).
  • the capacitor C2 is connected to the column conductor CC via a switch K2 actuated by the signals SHR (at each new reading of a line).
  • An AMP amplifier collects the difference between the levels stored in both capacities and transmits it to an ADC analog-to-digital converter. The latter is activated at time t ⁇ nv as explained above.
  • a small logic circuit associated with the comparator CMP produces the slot SHS2 as a function of the result of the comparison between a potential level present on the column conductor (at the instant t COm p defined above) and a threshold level Vth.
  • the result of the comparison is kept in memory between the instant t COm p and the end of the reading of the line.
  • the logic circuit produces both the slot SHS1 and the slot SHS2. It receives for this purpose a time slot SH1 and a time slot SH2 which are produced by a sequencer at two different times corresponding to the times chosen for the slots SHS1 and SHS2.
  • the slot SH1 is applied to an input of an OR gate LG2 whose output controls the switch K1. It passes through this gate when it is issued and produces the SHS1 signal.
  • the slot SH2 is applied to an input of an AND gate LG1. It only passes through this gate, to provide a signal SHS2, for one of the two output states of the comparator CMP.
  • a second input of the AND gate LG1 receives for this purpose the output of the comparator CMP.
  • the output of the AND gate LG1 is applied to another input of the OR gate LG2.
  • the comparator CMP stores the result (SAT signal) of the comparison.
  • the signal SAT has, for example, a logic state 1 if the quantity of charges discharged during the second integration period (the longest) exceeds a threshold indicating a risk of saturation.
  • the SAT signal is supplied at the output of the sensor and is used to establish the final digital value of the signal representing the illumination seen by the pixel.
  • the ADC analog-to-digital converter provides a numerical value for example on N bits and this value is the result of the first or the second integration according to the state of the output SAT. If the SAT signal is at a level (for example 1) which indicates that there is saturation, the value resulting from the digital analog conversion results from the integration on the shorter of the two durations and will have to be multiplied, in principle outside the sensor, by a coefficient representing the ratio Ti2 / T1 i. Otherwise, the N-bit output value is used as is.
  • the direction of operation of the comparator depends on the sign of the potential variations of the column conductor.
  • the potential of the column conductor is even lower than the quantity of charges discharged into the storage node is greater. Therefore, exceeding a charge quantity threshold results in a decrease of the column conductor potential below a threshold.
  • the number N can be 10, and the ratio of the durations can be 64 or 128.
  • FIG. 5 represents a variant of an operating timing diagram in which a duration Ti 2 much shorter than the duration TM is chosen.
  • This variant is however much less interesting in the sense that it allows a correlated true double sampling measurement for measurements of high luminances (beyond the saturation threshold), therefore for the measurements resulting from the short integration, but not for low luminance measurements.
  • Figure 3 and Figure 4 allow true dual correlated sampling for low luminance measurements below the saturation threshold, but not for high luminance measurements. It is much more beneficial to have true dual correlated sampling for low luminance.
  • the difference with respect to the timing diagram of FIG. 3 is that the instant of the comparison t COm p is located before the second transfer slot TG b .
  • the comparison with a threshold is therefore made from the potential present on the column conductor and resulting from the first spill of charges. This potential represents the illumination during the timeTM whereas in the case of FIG. 3 it represented the illumination during the duration Ti2.
  • the comparison can compare with a threshold either the potential of the column conductor when it is at the first level, or, which amounts to the same, the potential that has been stored in the first sampling capacitor C1 since it is exactly equal to this first level. If the comparison is made using the column driver, the comparison must be made at a time t COm p necessarily before the second transfer slot TG b and even before the reset slot RST b of the storage node. otherwise the comparison is made by using the potential of the first sampling capacitor, one can make the comparison at a time t p COm but one located after the SHS1 niche (and of course prior to the time scheduled for SHS2 niche. the The result of the comparison is kept in memory until the end of the reading and the analog-to-digital conversion since it must be transmitted as binary saturation information SAT at the output of the sensor.
  • a circuit similar to that of FIG. 4 can still be used but with the following two differences: on the one hand, the direction of the comparison must be reversed, in that the signal SHS2 must be transmitted when there is a risk of saturation (exceeding a quantity of charges discharged into the storage node during the duration TM); the potential of the sampling capacity (resulting from illumination during the duration TM) is then replaced by the second potential level of the column conductor resulting from the second charge transfer. And on the other hand, in case of saturation, the saturation bit means that the output of the sensor by Ti1 / Ti2 and not by Ti2 / Ti1, that is to say that it is always multiplied by the ratio between the longest duration and the shortest duration.

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Abstract

L'invention concerne les capteurs d'image à pixels actifs. Pour obtenir une grande dynamique de fonctionnement, on lit les pixels en faisant une double intégration de charges, pendant des durées de valeurs différentes (Ti1, Ti2). On échantillonne (commande SHS1) dans une capacité d'échantillonnage le résultat de la première intégration (durée Ti1), et on échantillonne conditionnellement (commande SHS2) dans la même capacité le résultat de la deuxième intégration (durée Ti2). Ce deuxième échantillonnage dépend de l'observation du potentiel du conducteur de colonne après l'intégration de charges correspondant à la durée la plus longue; ce potentiel est comparé à un seuil. Si la comparaison indique un risque de saturation, on recueille ou on conserve dans la capacité d'échantillonnage l'information recueillie pendant la durée la plus courte en vue de la multiplier par un coefficient représentant le rapport entre la durée la plus longue et la durée la plus courte. Si la comparaison indique qu'il n'y a pas de risque de saturation, on recueille ou on conserve dans la capacité d'échantillonnage l'information recueillie pendant la durée la plus longue. La durée la plus courte est en principe celle de la première.

Description

CAPTEUR D'IMAGE A DOUBLE TRANSFERT DE CHARGES POUR GRANDE DYNAMIQUE ET PROCEDE DE LECTURE
L'invention concerne les capteurs d'image électronique et plus particulièrement ceux qui fonctionnent à partir de pixels actifs en technologie MOS. L'invention concerne notamment un procédé de commande des différents transistors qui constituent les pixels. Les pixels actifs comprennent en général une photodiode et trois, quatre ou cinq transistors MOS permettant de contrôler la lecture des charges générées par la lumière dans la photodiode. Les pixels à trois transistors fonctionnent en transférant directement sur un conducteur de colonne le potentiel de la photodiode, potentiel qui varie en fonction de l'éclairement et du temps d'intégration de la lumière. Les pixels à quatre transistors fonctionnent en transférant d'abord de la photodiode vers un nœud de stockage capacitif les charges générées par la lumière, puis en reportant sur un conducteur de colonne le potentiel du nœud de stockage ; un des transistors sert à réinitialiser le potentiel du nœud de stockage avant le transfert de charges de la photodiode vers le nœud de stockage. Les pixels à cinq transistors comportent en outre un transistor de réinitialisation du potentiel de la photodiode.
On s'intéresse ici plus particulièrement aux pixels à quatre ou cinq transistors. La structure d'un pixel à cinq transistors est rappelée à la figure 1. Un tel pixel comporte une photodiode PD, un nœud de stockage capacitif ND (représenté par un simple point sur la figure 1 , et réalisé en pratique par une petite diffusion de type N dans un substrat de type P), un transistor de transfert de charges T1 entre la cathode de la photodiode et le nœud de stockage, un transistor T2 de réinitialisation du potentiel du nœud de stockage, un transistor T3 de réinitialisation du potentiel de la cathode de la photodiode, un transistor suiveur T4, un transistor de sélection de ligne T5. Pour un pixel à quatre transistors le transistor T3 serait supprimé.
La photodiode est en général constituée par une diffusion de type N dans un substrat P, mais cette diffusion est de préférence recouverte d'une région superficielle P+ reliée à la masse, ce qui permet de mieux fixer son potentiel lorsqu'elle est réinitialisée. Le transistor de transfert T1 est commandé par un signal de transfert TG. Le transistor T2 de réinitialisation du nœud de stockage a son drain relié à un potentiel de réinitialisation VRS (qui est en général le potentiel d'alimentation Vdd) et il est commandé par un signal de commande de réinitialisation RST. Le transistor T3 de réinitialisation de la photodiode est relié entre la cathode de la photodiode et un potentiel d'alimentation Vdd. Il est commandé par un signal de réinitialisation Rph. Le transistor suiveur T4 a son drain relié à un potentiel de référence qui peut être l'alimentation Vdd, sa source reliée au transistor de sélection de ligne T5, et sa grille reliée au nœud de stockage ND. Enfin, le transistor de sélection de ligne T5 a sa grille reliée à un conducteur de sélection de ligne LS qui relie tous les transistors de sélection de ligne d'une même ligne de pixels ; cette ligne est commandée par un signal de sélection de ligne SEL propre à cette ligne ; le drain de T5 est relié à la source du transistor suiveur et sa source est reliée à un conducteur de colonne CC commun à tous les pixels d'une même colonne de pixels. Ce conducteur de colonne est relié à un circuit de lecture non représenté, au pied de la colonne.
Le fonctionnement habituel d'une matrice comprenant de tels pixels à cinq transistors est le suivant. Il est décrit en référence au chronogramme de la figure 2. Un créneau temporel Rph est appliqué à la grille du transistor T3.
Sa durée ou sa position dépend du temps d'intégration désiré pour une image. En effet, tant que ce créneau est actif il empêche toute intégration de charges dans la photodiode. Le temps d'intégration Ti démarre lorsque ce créneau se termine (temps t0). A la fin de la durée Ti un créneau de transfert TG est appliqué à la grille des transistors de transfert T1 de la ligne. Ce créneau autorise le déversement dans le nœud de stockage ND de toutes les charges accumulées dans la photodiode. La fin de ce créneau marque la fin du temps d'intégration Ti pour une ligne ou pour toute la matrice. Le transistor de sélection de ligne T5 est alors rendu conducteur par un créneau de sélection de ligne SEL (ligne par ligne). Seul le créneau SEL pour la première ligne de la matrice est représenté. Les créneaux pour les autres lignes suivent, sans se chevaucher. Pendant tout le créneau SEL, le potentiel présent sur le nœud de stockage ND des transistors de la ligne est reporté par le transistor suiveur T4 sur le conducteur de colonne CC et est lu par un circuit de lecture respectif associé à chaque colonne.
Pendant le créneau SEL, et ceci pour chaque ligne, un créneau de commande SHS est appliqué dans le circuit de lecture (non représenté) au pied de la colonne de pixels, pour prendre un premier échantillon du potentiel présent sur le conducteur de colonne. Ce potentiel dépend de la quantité de charges résultant de l'éclairement du pixel pendant la durée d'intégration Tj.
Puis, toujours pendant le même créneau SEL, un créneau RSTL est appliqué aux grilles des transistors T2 de tous les pixels de la ligne sélectionnée. Le potentiel du nœud de stockage est réinitialisé à une valeur dictée par la valeur VRS appliquée au drain des transistors T2.
Enfin, toujours pendant le même créneau SEL, un créneau SHR est appliqué au circuit de lecture pour prendre un deuxième échantillon du potentiel du conducteur de colonne. Un convertisseur analogique-numérique convertit la différence entre les deux échantillons. Le convertisseur est spécifique à chaque colonne ou bien unique pour toutes les colonnes.
On souhaite que le capteur enregistre des images ayant la plus grande dynamique possible, c'est-à-dire qu'on veut des pixels sensibles en présence d'un faible éclairement mais capables de recevoir des images très lumineuses sans saturation. Plusieurs solutions ont été recherchées pour obtenir une grande dynamique.
Une solution consiste à utiliser une capture successive de plusieurs images avec des temps d'intégration différents. Si le signal fourni par un pixel ayant subi un temps d'intégration long est saturé, il est remplacé par un signal du même pixel, ayant subi un temps d'intégration court. Cela suppose de prendre plusieurs images successives et le temps d'acquisition globale est long. De plus il faut traiter les images pixel par pixel pour choisir le signal le mieux adapté pour chacun avant de passer à une image suivante.
Une autre solution consiste à avoir une matrice mixte avec des petits pixels et des grands pixels. Les petits pixels, moins sensibles, servent s'il y a beaucoup de lumière. Il faut un traitement adapté complexe et on réduit la résolution globale de la matrice. Une autre solution encore consiste à mesurer le temps que met un pixel pour arriver à saturation pour en déduire une information sur le niveau de lumière en présence d'éclairements saturants. Cela suppose des pixels plus complexes. Des solutions avec des pixels à fonction logarithmique ou linéaire- logarithmique ou à variation de pente de la courbe de réponse ont par ailleurs été proposées pour des pixels à trois transistors. Elles reposent sur une variation du potentiel de la grille du transistor de réinitialisation de la photodiode. Ces solutions sont sensibles à des dispersions technologiques : dispersion de tensions de seuil des transistors des différents pixels et dispersion du potentiel à vide de la photodiode après réinitialisation.
Dans la publication PCT WO 99/34592, on a proposé un dispositif dont le circuit de lecture comprend une première capacité pour stocker un niveau de potentiel de réinitialisation du nœud de stockage du pixel, une deuxième capacité pour stocker un niveau de potentiel pris par le nœud de stockage après une première durée d'intégration, une troisième capacité pour stocker un niveau de potentiel pris par le nœud de stockage après une deuxième durée d'intégration suivant la première mais beaucoup plus courte que la première, et un circuit à seuil pour comparer le niveau de potentiel dans la première capacité à un seuil et utiliser le potentiel stocké dans la deuxième capacité plutôt que dans la première au cas où, par suite d'un éclairement trop fort, le seuil serait dépassé.
Ce dispositif requiert trois capacités d'échantillonnage. Or, les capacités d'échantillonnage occupent une surface très importante dans le circuit de lecture (ordre de grandeur 15% de la surface pour chaque capacité). D'autre part, les capteurs d'image matriciels sont très sensibles à un effet qui est le bruit de lecture fixe en colonne. Ce bruit résulte des dispersions d'offset des amplificateurs de colonne et se traduit par des lignes verticales parallèles très visibles à l'œil lors de l'affichage des images. Il existe des procédés pour le réduire, mais ces procédés ne s'appliquent pas s'il y a trois capacités. On peut noter d'ailleurs que si ce bruit n'est pas éliminé, il est finalement multiplié par le rapport des durées d'intégration dans le cas où on utilise la deuxième capacité plutôt que la première.
L'invention a pour but de proposer un procédé de commande du capteur, qui permet d'obtenir une grande dynamique, en utilisant seulement deux capacités ce qui autorise en particulier une réduction du bruit fixe de colonne, et en conservant une linéarité du signal par rapport à la luminosité reçue, pour les faibles éclairements comme pour les forts éclairements. Cette linéarité facilite en particulier les corrections colorimétriques dans les capteurs d'image en couleurs, alors qu'une réponse non linéaire rend plus difficile les corrections colorimétriques. Une réponse non linéaire rend également plus difficile les corrections automatique de gain ou d'exposition.
Selon l'invention, on propose un procédé de lecture des charges issues des pixels d'une matrice de prise d'image, dans lequel les pixels d'une même ligne sont adressés simultanément pour établir chacun, sur un conducteur de colonne respectif relié à un circuit de lecture, un niveau de potentiel représentant les charges générées par l'éclairement de ce pixel, et dans lequel un pixel comprend au moins une photodiode, un nœud de stockage de charges, et un transistor de sélection de ligne pour relier le nœud de stockage au conducteur de colonne ou l'isoler de ce conducteur. L'intégration de charges dans la photodiode et la lecture des charges sont faites selon la succession d'opérations suivantes : intégration de charges dans la photodiode pendant une première durée d'intégration TM , premier transfert des charges ainsi intégrées de la photodiode vers le nœud de stockage à la fin de la première durée d'intégration, intégration de charges dans la photodiode pendant une deuxième durée TÏ2 différente de la première, établissement d'une connexion entre le nœud de stockage et le conducteur de colonne, premier échantillonnage, dans une capacité du circuit de lecture, d'un premier niveau de potentiel présent à ce moment sur le conducteur de colonne et résultant du premier transfert de charges, deuxième transfert de charges de la photodiode dans le nœud de stockage, et ultérieurement une conversion analogique-numérique du niveau de potentiel échantillonné dans la capacité. Le procédé est caractérisé en ce que l'on effectue un deuxième échantillonnage conditionnel, dans la même capacité, d'un deuxième niveau de potentiel présent sur le conducteur de colonne et résultant du deuxième transfert de charges, le deuxième échantillonnage étant conditionné par le résultat d'une comparaison entre le premier ou le deuxième niveau de potentiel présent sur le conducteur de colonne et un niveau de seuil prédéterminé ; le résultat de la comparaison est transmis pour déterminer un facteur multiplicatif à appliquer au résultat de la conversion analogique-numérique..
En d'autres mots, deux lectures successives de niveau de potentiel sont faites après deux intégrations de durées différentes consécutives, et on écrase la première lecture par la deuxième en fonction du niveau de signal engendré sur le conducteur de colonne par la plus longue des deux durées. Selon que le niveau (en termes de niveau d'éclairement c'est-à-dire de quantité de charges accumulées dans le nœud de stockage) dépasse ou non le seuil on choisit de conserver le niveau échantillonné dans la capacité pendant la première durée ou de le remplacer par celui qui est échantillonné après la deuxième durée ; on convertit ensuite en valeur numérique le niveau conservé ou le nouveau niveau échantillonné. De plus on conserve en mémoire le résultat de la comparaison. Si le seuil d'éclairement est dépassé, on multiplie ultérieurement le résultat de la conversion numérique par une valeur qui est dans le rapport de la plus longue à la plus courte durée. Si le seuil n'est pas dépassé, on conserve le résultat de la conversion. En pratique la multiplication est faite en dehors du capteur d'image, le capteur n'envoyant qu'un bit d'instruction sur la nécessité d'une multiplication.
L'invention est applicable en principe dans le cas des modes de fonctionnement de capteurs dits en "rolling shutter", c'est-à-dire dans lesquels la réinitialisation des photodiodes est faite ligne par ligne et non simultanément pour toutes les lignes. Toutes les lignes intègrent des charges pendant une même durée mais pas aux mêmes moments.
En pratique, le pixel comprend un transistor de remise à niveau du nœud de stockage, permettant de remettre à un niveau prédéterminé le potentiel du nœud de stockage ; la remise à niveau est faite par mise en conduction brève de ce transistor après le premier échantillonnage ; et un échantillonnage intermédiaire, dans une deuxième capacité d'échantillonnage du circuit d'échantillonnage, est effectué entre cette remise à niveau et le deuxième échantillonnage ; la conversion analogique- numérique porte sur la différence de potentiel entre le niveau échantillonné dans la première capacité et le niveau de potentiel échantillonné dans la deuxième capacité, et non sur la valeur absolue du potentiel de la première capacité, de sorte que des chutes de tension telles que la chute de tension grille-source du transistor suiveur, ainsi que d'autres bruits basse fréquence, s'éliminent.
La première durée d'intégration Ti 1 est de préférence une durée beaucoup plus courte que la deuxième durée d'intégration Ti2. Dans ce cas, la comparaison avec le seuil est effectuée avec le deuxième niveau de potentiel présent sur le conducteur de colonne, résultant du deuxième transfert de charges de la photodiode vers le nœud de stockage. Pour cela, l'instant de comparaison est situé entre le début d'un créneau de sélection de la ligne de pixels et une réinitialisation du potentiel du nœud de stockage ; le résultat de la comparaison est conservé ensuite.
On pourrait aussi prévoir (de manière moins avantageuse) que la deuxième durée de stockage est beaucoup plus courte que la première. Dans ce cas la comparaison avec le seuil serait effectuée avec le potentiel présent sur le conducteur de colonne et stocké dans la première capacité d'échantillonnage après le premier transfert de charges.
Outre le procédé de lecture qui vient d'être résumé, l'invention propose un capteur d'image en technologie MOS, comprenant une matrice de pixels organisée en lignes et en colonnes, les pixels d'une même colonne étant reliés à un conducteur de colonne lui-même relié à un circuit de lecture, chaque pixel comportant une photodiode reliée par un transistor de transfert à un nœud de stockage, et un transistor de sélection de ligne pour relier le nœud de stockage au conducteur de colonne ou l'isoler de ce conducteur. Ce capteur comprend des moyens pour effectuer pendant un même cycle d'intégration et de lecture des charges d'un pixel deux transferts de charges, le premier après une première durée d'intégration, le deuxième après une deuxième durée d'intégration différente de la première, et un moyen pour échantillonner dans une capacité d'échantillonnage le niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne après le premier transfert de charges. Le capteur est caractérisé en ce qu'il comporte un comparateur pour comparer à un seuil le potentiel pris par le conducteur de colonne après la plus longue des deux durées, un moyen pour remplacer ou non, en fonction du résultat de la comparaison, le contenu de la capacité d'échantillonnage par le niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne après le deuxième transfert de charges, et un moyen pour fournir un signal de sortie numérique qui est, selon le résultat de la comparaison,
- soit une valeur numérique représentant le niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne après la plus longue des deux durées,
- soit une valeur numérique représentant le niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne après la plus courte des deux durées,
- et un bit d'information sur le résultat de la comparaison. Ce bit représente une information sur le choix de la valeur transmise. Il représente aussi une instruction binaire sur la nécessité (dans le deuxième cas) de multiplier la valeur fournie en sortie par le rapport entre la plus longue et la plus courte des deux durées. La première durée est très avantageusement la plus courte.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 , déjà décrite, représente la constitution classique d'un pixel actif CMOS à cinq transistors ;
- la figure 2, déjà décrite, représente le chronogramme classique de fonctionnement du pixel de la figure 1 ;
- la figure 3 représente le chronogramme de fonctionnement dans le procédé selon l'invention ; - la figure 4 représente un circuit de lecture adapté à la mise en œuvre du procédé de lecture selon l'invention ;
- la figure 5 représente un autre chronogramme possible dans une variante de réalisation du procédé de lecture.
Le procédé selon l'invention peut être appliqué à un pixel à cinq transistors semblable à celui de la figure 1 . Le chronogramme de commande selon l'invention est représenté à la figure 3 dans un cas où un cycle d'intégration de charges comprend deux durées successives Ti 1 puis Ti2 où Ti 1 est beaucoup plus courte que Ti2. On verra plus loin que l'inverse peut être prévu. Un créneau temporel de réinitialisation Rph est appliqué à la grille du transistor T3 pour toute une ligne de pixels. Ce créneau agit pour vider vers le potentiel d'alimentation Vdd les charges stockées dans la photodiode PD. Tant que dure ce créneau, l'intégration de charges dans la photodiode est empêchée. Elle est ensuite autorisée dès la fin de ce créneau, à un instant t0 et jusqu'à la fin de la lecture des charges correspondant au cycle d'intégration en cours. Un nouveau cycle d'intégration débute lors d'un nouveau créneau Rph.
Le créneau Rph est fourni indépendamment pour chaque ligne, de sorte que le temps t0 commence à des instants successifs pour les lignes successives. Seul le chronogramme correspondant à une ligne est représenté.
Une première intégration de charges dans la photodiode PD se produit à partir du temps t0 et pendant une durée TM . A un instant intermédiaire au cours de cette durée, on produit sur la grille des transistors T2 de tous les pixels de la ligne un bref créneau RST3 qui rend conducteur ces transistors. Le potentiel du nœud de stockage ND est réinitialisé, pour tous les transistors de la ligne, à une valeur fixe.
Puis un créneau de transfert de charges TG3 est appliqué à la grille de commande des transistors de transfert T1 de la ligne. Les charges générées par la lumière dans la photodiode se déversent dans le nœud de stockage. Elles modifient le potentiel de ce nœud. La fin de la première durée d'intégration de charges Ti 1 est définie par la fin du premier créneau de transfert TG3. Une deuxième durée d'intégration Ti2 commence alors. La photodiode a été vidée de ses charges pendant le créneau TG3 et intègre maintenant d'autres charges.
Avant la fin de la durée Ti2, on établit sur la ligne LS un créneau SEL de sélection de la ligne de pixels pour enclencher le processus de lecture des pixels de cette ligne. Ce créneau rend conducteur le transistor de sélection de ligne T5. Ceci active le transistor suiveur T4 et reporte le potentiel du nœud de stockage ND sur le conducteur de colonne CC (à une tension grille-source de transistor près). Le conducteur de colonne prend alors un premier niveau de potentiel. Le créneau SEL reste actif pendant toute la durée de lecture des pixels de la ligne considérée, puis il s'interrompt et ce n'est qu'après cette interruption qu'un créneau semblable peut être appliqué à une autre ligne. Pendant le créneau SEL sont effectuées les opérations suivantes :
- un créneau de commande SHS1 est appliqué dans le circuit de lecture (représenté sur la figure 4) au pied de la colonne de pixels, pour recueillir dans une première capacité C1 du circuit de lecture un premier échantillon du potentiel présent sur le conducteur de colonne ; ce potentiel résulte du premier transfert de charges et dépend donc de l'éclairement du pixel pendant la première durée d'intégration TM ; - dans le cas où on veut faire (ce qui est bien préférable) une lecture par différence entre le niveau de potentiel après déversement de charges et le niveau de potentiel après réinitialisation du nœud de stockage, on établit, un deuxième créneau de réinitialisation RSTb ; ce créneau est appliqué aux grilles des transistors T2 de la ligne de pixels ; le potentiel du nœud de stockage est réinitialisé à une valeur fixe ; un créneau de commande SHR est alors appliqué au circuit de lecture, pour prendre un échantillon intermédiaire du potentiel de colonne réinitialisé, dans une deuxième capacité d'échantillonnage C2 du circuit de lecture ;
- on applique ensuite, pour tous les pixels de la ligne, un deuxième créneau de transfert TGb à la grille du transistor de transfert T1 ; les charges intégrées pendant la durée TÏ2 dans la photodiode se déversent dans le nœud de stockage ND ; la durée TÏ2 se termine à la fin du créneau TGb ; le potentiel du conducteur de colonne suit (à une tension grille-source près) le nouveau potentiel du nœud de stockage suite à ce deuxième transfert de charges.
Selon l'invention, on choisit de stocker ou de ne pas stocker dans la première capacité du circuit de lecture le potentiel pris à ce moment par le conducteur de colonne, et le choix est fait, dans l'exemple de chronogramme de la figure 3, en fonction du deuxième niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne à la suite du deuxième déversement de charges représentant l'éclairement pendant la durée TÏ2 : si ce deuxième niveau indique le dépassement d'un seuil de quantité de charges dans le nœud de stockage, ce qui revient à indiquer un risque de saturation du signal mesuré, on ne fait pas le déversement ; si au contraire il n'y a pas de dépassement de ce seuil de quantité de charges, on fait le déversement. Pour cela, un deuxième créneau de commande SHS2 est appliqué conditionnellement au circuit de lecture pour prendre un deuxième échantillon du potentiel du conducteur de colonne dans la première capacité d'échantillonnage du circuit de lecture. Ce créneau SHS2 n'est appliqué que sous réserve d'une condition définie par la comparaison entre le deuxième niveau de potentiel du conducteur de colonne après le deuxième déversement et une valeur de seuil. Le créneau SHS2 a été représenté en pointillés sur la figure 3 car il peut être présent ou absent selon le résultat de la comparaison. La comparaison est effectuée au cours de la lecture, c'est-à-dire pendant le créneau SEL. L'instant de la comparaison tCOmp est situé après la fin du deuxième créneau de transfert TGb. La comparaison avec un seuil est donc faite à partir du potentiel présent sur le conducteur de colonne et résultant du deuxième déversement de charges. Ce potentiel représente l'éclairement pendant la duréeTi2.
Le résultat de la comparaison est gardé en mémoire jusqu'à la fin de la lecture (fin du créneau SEL). Ce résultat est transmis comme information binaire à la sortie du capteur, cette information représentant une information sur le dépassement d'un seuil de saturation du pixel. Ainsi, dans le cas de la figure 3 où Ti 1 est beaucoup plus court que Ti2, la lecture fonctionne selon deux possibilités :
- si le potentiel du conducteur de colonne résultant du deuxième déversement de charges montre que la quantité de charges intégrées pendant la durée Ti2 dépasse un seuil, alors on considère qu'il y a saturation du nœud de stockage ; on n'émet pas de créneau SHS2 ; on conserve les charges stockées dans la première capacité d'échantillonnage ; on les convertit en numérique, on les transmet à la sortie du capteur et on transmet aussi un bit d'information de saturation qui sera utilisé (en principe à l'extérieur du capteur) pour multiplier la valeur numérique fournie par le rapport entre la durée Ti2 et la durée Ti 1 ; la valeur résultant de la multiplication est une valeur proportionnelle à l'éclairement pendant la durée TM ;
- si au contraire le seuil de quantité de charges n'est pas dépassé, il n'y a pas de risque de saturation ; on émet le créneau SHS2 ; le contenu de la première capacité d'échantillonnage est écrasé et prend un nouvel échantillon du potentiel du colonne, résultant du deuxième déversement de charges ; l'échantillon représente donc l'éclairement pendant la durée Ti2 ; c'est cet échantillon qui est converti en numérique ; le signal de sortie du circuit de lecture est cette valeur, proportionnelle à l'éclairement ; le bit d'information de saturation indique qu'il n'y a pas saturation donc pas de nécessité de multiplier par un coefficient la valeur numérique fournie par le capteur.
Bien entendu, dans le cas où un échantillonnage intermédiaire est fait, après le créneau SHR, dans une deuxième capacité d'échantillonnage C2, c'est la différence entre les potentiels dans la première et la deuxième capacité d'échantillonnage qui est appliquée à un convertisseur analogique- numérique pour fournir une valeur de signal représentant l'éclairement, aussi bien à faible éclairement qu'à fort éclairement. On élimine ainsi, par différence, les tensions de décalage introduites notamment par le transistor suiveur T4, et on élimine aussi dans une large mesure, pour les niveaux d'éclairement les plus bas (au dessous du seuil de saturation), le bruit pouvant affecter le niveau du potentiel de réinitialisation du nœud de stockage (bruit dit "bruit de reset"). En effet, on fait alors la différence entre un niveau lu pendant le créneau SHS2 et un niveau de réinitialisation lu immédiatement auparavant (pendant le créneau SHR). Il s'agit là d'un double échantillonnage corrélé vrai, car le niveau de réinitialisation stocké pendant l'impulsion SHR résulte d'une réinitialisation (créneau RSTb) antérieure au déversement des charges (créneau TGb) qu'on veut lire. Au contraire, lorsqu'on dépasse le seuil de saturation, l'échantillonnage n'est pas un double échantillonnage corrélé car le niveau de réinitialisation stocké dans la capacité résulte de l'impulsion RSTb qui est postérieure au déversement des charges (résultant de l'impulsion TG3).
La conversion analogique-numérique est effectuée à partir d'un instant tconv situé après le créneau SHS2. Elle peut se faire après la fin du créneau de sélection de ligne SEL, pourvu qu'elle soit terminée avant le créneau SHS1 de la ligne suivante.
La figure 4 représente un circuit de lecture permettant de mettre en œuvre le procédé de lecture selon l'invention. Un pixel au croisement d'une ligne et d'une colonne a été représenté. Le circuit de lecture est placé au pied de la colonne. Il comprend dans cet exemple deux capacités d'échantillonnage C1 et C2 ; la capacité C1 est reliée au conducteur de colonne CC par l'intermédiaire d'un interrupteur K1 actionné par les signaux SHS1 (à chaque nouvelle lecture d'une ligne) et SHS2 (à chaque lecture de ligne mais à chaque fois sous réserve du résultat fourni par un comparateur CMP). La capacité C2 est reliée au conducteur de colonne CC par l'intermédiaire d'un interrupteur K2 actionné par les signaux SHR (à chaque nouvelle lecture d'une ligne). Un amplificateur AMP recueille la différence entre les niveaux stockés dans les deux capacités et la transmet à un convertisseur analogique-numérique ADC. Ce dernier est activé au temps t∞nv comme expliqué ci-dessus.
Un petit circuit logique associé au comparateur CMP produit le créneau SHS2 en fonction du résultat de la comparaison entre un niveau de potentiel présent sur le conducteur de colonne (à l'instant tCOmp défini plus haut) et un niveau de seuil Vth. Le résultat de la comparaison est conservé en mémoire entre l'instant tCOmp et la fin de la lecture de la ligne.
Dans l'exemple de la figure 4, le circuit logique produit à la fois le créneau SHS1 et le créneau SHS2. Il reçoit à cet effet un créneau temporel SH1 et un créneau temporel SH2 qui sont produits par un séquenceur à deux instants différents correspondant aux instants choisis pour les créneaux SHS1 et SHS2. Le créneau SH1 est appliqué à une entrée d'une porte OU LG2 dont la sortie commande l'interrupteur K1. Il passe à travers cette porte lorsqu'il est émis et produit le signal SHS1. Le créneau SH2 est appliqué à une entrée d'une porte ET LG1. Il ne passe à travers cette porte, pour fournir un signal SHS2, que pour un des deux états de sortie du comparateur CMP. Une deuxième entrée de la porte ET LG1 reçoit à cet effet la sortie du comparateur CMP. La sortie de la porte ET LG1 est appliquée à une autre entrée de la porte OU LG2.
Le comparateur CMP mémorise le résultat (signal SAT) de la comparaison. Le signal SAT a par exemple un état logique 1 si la quantité de charges déversée lors de la deuxième durée d'intégration (la plus longue) dépasse un seuil qui indique un risque de saturation.
Le signal SAT est fourni à la sortie du capteur et sert à l'établissement de la valeur numérique finale du signal représentant l'éclairement vu par le pixel. Le convertisseur analogique-numérique ADC fournit une valeur numérique par exemple sur N bits et cette valeur est le résultat de la première ou la deuxième intégration selon l'état de la sortie SAT. Si le signal SAT est à un niveau (par exemple 1 ) qui indique qu'il y a une saturation, la valeur issue de la conversion analogique numérique résulte de l'intégration sur la plus courte des deux durées et devra être multipliée, en principe en dehors du capteur, par un coefficient représentant le rapport Ti2/T1 i. Dans le cas contraire, la valeur de sortie sur N bits est utilisée telle quelle.
On notera que le sens de fonctionnement du comparateur dépend du signe des variations de potentiel du conducteur de colonne. Classiquement, le potentiel du conducteur de colonne, supposé positif, est d'autant plus faible que la quantité de charges déversée dans le nœud de stockage est plus grande. Par conséquent, le dépassement d'un seuil de quantité de charges se traduit par la diminution du potentiel de conducteur de colonne au dessous d'un seuil.
A titre d'exemple, le nombre N peut être de 10, et le rapport des durées peut être de 64 ou 128.
Du fait qu'on a besoin seulement d'une capacité C1 pour la mise en mémoire du niveau de signal, et une capacité C2 pour la mise en mémoire du niveau de réinitialisation, on peut facilement éliminer le bruit fixe de colonne qui pourrait être dû à une dispersion des valeurs d'offset des amplificateurs AMP de colonne à colonne. Cette élimination peut se faire par une phase d'auto-zéro dans laquelle les deux entrées de l'amplificateur (qui sont reliées directement aux capacités) sont court-circuitées. Le décalage qui résulte de ce court-circuit est conservé en mémoire et restitué lors de la lecture proprement dite après la phase d'autozéro. Une élimination simple n'est pas possible avec le circuit à trois capacités du document WO 99/34592 précédemment cité.
La figure 5 représente une variante de chronogramme de fonctionnement, dans laquelle on choisit d'avoir une durée Ti2 beaucoup plus courte que la durée TM . Cette variante est cependant beaucoup moins intéressante en ce sens qu'elle permet une mesure par double échantillonnage corrélé vrai pour les mesures de fortes luminances (au-delà du seuil de saturation) donc pour les mesures résultant de l'intégration courte, mais pas pour les mesures de faibles luminances. Alors que la réalisation des figures 3 et 4 permet un double échantillonnage corrélé vrai pour les mesures de faibles luminances, au-dessous du seuil de saturation, mais pas pour les mesures de fortes luminances. Il est beaucoup plus avantageux d'avoir un double échantillonnage corrélé vrai pour les faibles luminances. La différence par rapport au chronogramme de la figure 3 est le fait que l'instant de la comparaison tCOmp est situé avant le deuxième créneau de transfert TGb. La comparaison avec un seuil est donc faite à partir du potentiel présent sur le conducteur de colonne et résultant du premier déversement de charges. Ce potentiel représente l'éclairement pendant la duréeTM alors que dans le cas de la figure 3 il représentait l'éclairement pendant la durée TÏ2.
Pour faire la comparaison, on peut comparer à un seuil soit le potentiel du conducteur de colonne lorsqu'il est au premier niveau, soit, ce qui revient au même, le potentiel qui a été stocké dans la première capacité d'échantillonnage C1 puisque il est justement égal à ce premier niveau. Si la comparaison est faite en utilisant le conducteur de colonne, il faut faire la comparaison à un instant tCOmp situé nécessairement avant le deuxième créneau de transfert TGb et même avant le créneau de réinitialisation RSTb du nœud de stockage.. Si au contraire la comparaison est faite en utilisant le potentiel de la première capacité d'échantillonnage, on peut faire la comparaison à un instant tCOmp quelconque mais situé après le créneau SHS1 (et bien sûr avant l'instant prévu pour le créneau SHS2. Le résultat de la comparaison est gardé en mémoire jusqu'à la fin de la lecture et de la conversion analogique-numérique puisqu'il doit être transmis comme information binaire de saturation SAT à la sortie du capteur.
Un circuit semblable à celui de la figure 4 peut encore être utilisé mais avec les deux différences suivantes : d'une part le sens de la comparaison doit être inversé, en ce sens que le signal SHS2 doit être émis lorsqu'il y a risque de saturation (dépassement d'une quantité de charges déversée dans le nœud de stockage pendant la durée TM ) ; on remplace alors le potentiel de la capacité d'échantillonnage (résultant de l'éclairement pendant la durée TM ) par le deuxième niveau de potentiel du conducteur de colonne, résultant du deuxième transfert de charges. Et d'autre part, en cas de saturation, le bit de saturation signifie qu'il faut multiplier la sortie du capteur par Ti1/Ti2 et non par Ti2/Ti1 , c'est-à-dire qu'on le multiplie toujours par le rapport entre la durée la plus longue et la durée la plus courte.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de lecture des charges issues des pixels d'une matrice de prise d'image, dans lequel les pixels d'une même ligne sont adressés simultanément pour établir chacun, sur un conducteur de colonne respectif (CC) relié à un circuit de lecture, un niveau de potentiel représentant les charges générées par l'éclairement de ce pixel, et dans lequel un pixel comprend au moins une photodiode (PD), un nœud de stockage de charges (ND), et un transistor de sélection de ligne (T5) pour relier le nœud de stockage au conducteur de colonne ou l'isoler de ce conducteur, l'intégration de charges dans la photodiode et la lecture des charges étant faites selon la succession d'opérations suivantes : intégration de charges dans la photodiode pendant une première durée d'intégration Ti 1 , premier transfert des charges ainsi intégrées de la photodiode vers le nœud de stockage à la fin de la première durée d'intégration, intégration de charges dans la photodiode pendant une deuxième durée Ti2 différente de la première, établissement d'une connexion entre le nœud de stockage (ND) et le conducteur de colonne (CC), premier échantillonnage, dans une capacité (C1 ) du circuit de lecture, d'un premier niveau de potentiel présent à ce moment sur le conducteur de colonne et résultant du premier transfert de charges, deuxième transfert de charges de la photodiode dans le nœud de stockage, et ultérieurement une conversion analogique-numérique du niveau de potentiel échantillonné dans la capacité, procédé caractérisé en ce que l'on effectue un deuxième échantillonnage conditionnel, dans la même capacité, d'un deuxième niveau de potentiel présent sur le conducteur de colonne et résultant du deuxième transfert de charges, le deuxième échantillonnage étant conditionné par le résultat d'une comparaison entre le premier ou le deuxième niveau de potentiel présent sur le conducteur de colonne et un niveau de seuil prédéterminé, le résultat de la comparaison étant transmis pour déterminer un facteur multiplicatif à appliquer au résultat de la conversion analogique-numérique.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'on établit un signal représentant l'éclairement du pixel en multipliant la sortie de la conversion analogique-numérique par le rapport entre la plus longue et la plus courte durée d'intégration dans le cas où le résultat de la comparaison indique un dépassement de seuil de quantités de charges déversées dans le nœud de stockage pendant la plus longue des durées.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le pixel comprend un transistor de remise à niveau du nœud de stockage, permettant de remettre à un niveau prédéterminé le potentiel du nœud de stockage, en ce que la remise à niveau est faite par mise en conduction brève de ce transistor après le premier échantillonnage, et en ce qu'un échantillonnage intermédiaire, dans une deuxième capacité d'échantillonnage (C2) du circuit d'échantillonnage, est effectué entre cette remise à niveau et le deuxième échantillonnage.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première durée d'intégration Ti 1 est plus courte que la deuxième durée d'intégration Ti2, et la comparaison avec le seuil est effectuée avec le deuxième niveau de potentiel présent sur le conducteur de colonne, résultant du deuxième transfert de charges de la photodiode vers le nœud de stockage.
5. Capteur d'image en technologie MOS, comprenant une matrice de pixels organisée en lignes et en colonnes, les pixels d'une même colonne étant reliés à un conducteur de colonne lui-même relié à un circuit de lecture, chaque pixel comportant une photodiode reliée par un transistor de transfert à un nœud de stockage, et un transistor de sélection de ligne (T5) pour relier le nœud de stockage au conducteur de colonne ou l'isoler de ce conducteur, le capteur comprenant des moyens pour effectuer pendant un même cycle d'intégration et de lecture des charges d'un pixel deux transferts de charges, le premier après une première durée d'intégration (TM ), le deuxième après une deuxième durée d'intégration (Ti2) différente de la première, et un moyen pour échantillonner dans une capacité d'échantillonnage le niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne après le premier transfert de charges, caractérisé en ce qu'il comporte un comparateur (CMP) pour comparer à un seuil le potentiel pris par le conducteur de colonne après la plus longue des deux durées, un moyen pour remplacer ou non, en fonction du résultat de la comparaison, le contenu de la capacité d'échantillonnage par le niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne après le deuxième transfert de charges, et un moyen pour fournir un signal de sortie numérique qui est, selon le résultat de la comparaison,
- soit une valeur numérique représentant le niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne après la plus longue des deux durées,
- soit une valeur numérique représentant le niveau de potentiel pris par le conducteur de colonne après la plus courte des deux durées,
- et un bit d'information sur le résultat de la comparaison.
6. Capteur d'image selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première durée est plus courte que la deuxième.
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