WO2014131726A1

WO2014131726A1 - Procede de production d'images et camera a capteur lineaire

Info

Publication number: WO2014131726A1
Application number: PCT/EP2014/053538
Authority: WO
Inventors: Philippe Moenne-Loccoz; Sébastien TEYSSEYRE; Pascal PELLET; Henri FILLON; Christophe MAILLAND
Original assignee: E2V Semiconductors
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2014-09-04
Also published as: JP6301968B2; KR102094057B1; FR3002715A1; JP2016508703A; CN105009565A; TW201503693A; KR20150122662A; CN105009565B; TWI608736B; IL240532A0; FR3002715B1

Abstract

L'invention concerne les caméras à capteur linéaire, destinées à l'observation de scènes par balayage, la scène étant en défilement relatif par rapport à la caméra. Le capteur (IMS) fournit pour chaque point d'image observé un niveau de sortie (Ss) représentant l'éclairement de ce point pendant une durée d'intégration effective Ti susceptible de varier, la caméra comportant une entrée de synchronisation pour recevoir une information de vitesse de défilement relatif, des moyens pour établir une période T_L de cycle de lecture de ligne d'image inversement proportionnelle à la vitesse de défilement relatif, et des moyens de réception d'une valeur de durée d'intégration désirée Ti_D. Le procédé est caractérisé en ce que, dans au moins un premier mode de fonctionnement où la durée d'intégration effective Ti est égale à la période de cycle de lecture T_L, la caméra fournit pour chaque point d'image un niveau de mesure d'éclairement (Sc) qui est proportionnel au niveau de sortie du capteur multiplié par le rapport entre la durée d'intégration désirée Ti_D et la période de cycle de lecture de ligne T_L. Application : contrôle industriel

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D'IMAGES ET CAMERA A CAPTEUR LINEAIRE

L'invention concerne les caméras à capteur linéaire, destinées à l'observation de scènes par balayage, la scène étant en défilement relatif par rapport à la caméra. Ces caméras sont destinées notamment à l'inspection d'objets, par exemple l'inspection de bagages sur un tapis roulant, ou l'inspection d'objets pour un contrôle de fabrication industrielle.

Le capteur peut comporter soit une seule ligne de pixels soit plusieurs lignes, et dans ce dernier cas il peut fonctionner en mode dit TDI (de l'anglais "Time Delay Intégration") dans lequel les différentes lignes de pixels voient successivement une même ligne d'image et les charges photogénérées par les différentes lignes aux instants où elles voient la même ligne d'image sont additionnées, de manière à augmenter le rapport signal à bruit.

On comprend que dans le cas de capteurs TDI il est très important que la vitesse de défilement soit parfaitement synchronisée avec la fréquence de capture d'une ligne d'image. Si ce n'était pas le cas, on additionnerait des signaux qui n'ont pas vu la même ligne d'image. C'est pourquoi on prévoit que la caméra possède une entrée de réception d'une information de vitesse de défilement relatif, et cette information est utilisée pour définir la périodicité de la lecture des lignes de pixels.

Même si le capteur ne fonctionne pas en mode TDI et même s'il n'a qu'une ligne de pixels, il est important aussi de synchroniser la période de capture des lignes d'image par rapport à la vitesse de défilement relatif. Si ce n'était pas le cas, l'image reconstituée subirait un aplatissement ou une élongation dans le sens du défilement. En outre, des fluctuations de vitesse au cours de la prise d'image engendreraient des déformations incontrôlables de l'image reconstituée. Dans ce cas aussi, la caméra reçoit une information de vitesse de défilement relatif, qui définit la périodicité de lecture des lignes.

Par ailleurs, pour des conditions d'éclairement données, le niveau de signal produit par le capteur dépend essentiellement du temps d'intégration pendant lequel les pixels accumulent des charges photogénérées avant que ces charges ne soient lues. Si on lit les charges périodiquement avec une période de lecture T_L, le temps d'intégration Ti est limité de toutes façons par la valeur de T_L ; en effet, on peut intégrer des charges pendant toute la durée de la période T_L, mais à la fin de cette période il faut les lire et réinitialiser le pixel en vue d'une nouvelle lecture. Dans le cas de capteurs CCD, cette réinitialisation se fait par transfert des charges vers un registre de lecture (ou vers une autre ligne de pixels pour des capteurs TDI) ; dans le cas de capteurs à pixels actifs, la réinitialisation se fait par vidage des nœuds de stockage de charge des pixels.

Si la vitesse de défilement est élevée, la période de lecture T_L va être courte, et par conséquent le temps d'intégration va être court. Dans ce cas on préfère intégrer les charges pendant la totalité de la période de lecture T_L. Inversement, si la vitesse de défilement est lente, il est préférable que la caméra comporte des moyens de réglage du temps d'intégration pour permettre d'intégrer des charges pendant une fraction seulement de la période de lecture, faute de quoi on risquerait de saturer les pixels.

Lorsqu'on utilise des moyens de contrôle de la durée d'intégration, on peut aboutir à une image de luminosité stable malgré les variations de vitesse puisqu'il suffit de prévoir une durée d'intégration fixe indépendante de la période de lecture, cette dernière étant déterminée par la vitesse de défilement de l'image devant le capteur. Mais lorsqu'on intègre la lumière pendant toute la période de lecture de ligne T_L, le niveau de luminosité de l'image électronique varie proportionnellement à cette durée T_L. Il varie donc en fonction des fluctuations de vitesse de défilement d'une image à l'autre ou même au cours d'une image. Ceci est particulièrement gênant lorsque la vitesse varie beaucoup au cours de la prise d'image.

Les variations de vitesse de défilement peuvent provenir de fluctuations non maîtrisées du système de défilement. Elle peuvent aussi provenir de variations volontaires, par exemple dans le cas où on veut inspecter des objets en partant d'une vitesse de défilement presque nulle, suivie d'une accélération, d'une stabilisation, puis d'un freinage. Dans ce dernier cas, il faudrait travailler avec une durée d'intégration constante pour ne pas subir cette variation de luminosité globale de l'image électronique produite. Il faudrait donc travailler avec une caméra avec contrôle du temps d'intégration. Mais une caméra à contrôle de temps d'intégration est moins efficace en termes de sensibilité à vitesse rapide, justement parce qu'elle n'utilise pas la totalité du temps de cycle de lecture pour intégrer des charges photogénérées. En effet, dans ce cas, pour une période de lecture de ligne fixée (T_L), le temps d'intégration ne peut être supérieur à T_L-T_M où T_M est un temps mort qui sera explicité plus loin.

Pour faciliter l'obtention d'une bonne image même dans des conditions d'éclairement et de défilement variables, et en particulier des conditions de défilement variables pendant la capture d'une image, on propose selon l'invention un procédé de production d'images par une caméra comportant un capteur d'image linéaire en défilement relatif par rapport à une image à observer, le capteur fournissant pour chaque point d'image observé un niveau de sortie représentant l'éclairement de ce point pendant une durée d'intégration effective Ti susceptible de varier, la caméra comportant une entrée de synchronisation pour recevoir une information de vitesse de défilement relatif, des moyens pour établir une période T_L de cycle de lecture de ligne d'image inversement proportionnelle à la vitesse de défilement relatif, et des moyens de réception d'une valeur de durée d'intégration désirée Ti_D, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte deux modes de fonctionnement, qui sont respectivement

- un premier mode de fonctionnement où la durée d'intégration effective Ti est égale à la période de cycle de lecture T_L, et dans lequel la caméra fournit pour chaque point d'image un niveau de mesure d'éclairement qui est proportionnel au niveau de sortie du capteur multiplié par le rapport entre la durée d'intégration désirée Ti_D et la période de lecture de ligne T_L,

- et un deuxième mode de fonctionnement, avec une durée d'intégration plus petite que la période du cycle de lecture T_L, et dans lequel la caméra fournit pour chaque ligne un niveau de mesure d'éclairement qui est proportionnel au niveau de sortie du capteur non pondéré par le rapport entre la durée d'intégration désirée Ti_D et la période de lecture de ligne T_L.

La sélection entre le premier mode et le deuxième mode est faite en fonction de la vitesse de défilement relatif, le premier mode étant utilisé tant que la période du cycle de lecture est au-dessous d'un seuil et le deuxième mode étant utilisé lorsque ce seuil est dépassé.

Ainsi, en supposant que la période de lecture T_L imposée par la vitesse de défilement varie au cours de la prise de vue et devient, pour certaines lignes, différente de la durée d'intégration désirée Ti_D, la caméra fournira pour ces lignes un signal rectifié pondéré par le rapport Ti_D/T_L ; le niveau rectifié compense le fait que la durée d'intégration réelle n'est plus Ti_D mais T_L. Par exemple, T_L devient inférieur à Ti_D et le niveau rectifié fourni par la caméra devient plus élevé que le niveau réel fourni par le capteur ; la caméra simule donc une prise de vue avec la durée Ti_D bien que cette durée n'ait pas été réellement utilisée pour ces lignes. Inversement, si on suppose par exemple que la durée d'intégration désirée Ti_D est égale à la période de lecture la plus petite que permet le contexte (correspondant à la vitesse de défilement maximale dans l'application envisagée), et en supposant que la vitesse de défilement ralentit, la durée d'intégration réelle va augmenter au- delà de la durée désirée ; la caméra fournira alors un niveau rectifié, pondéré par le rapport Ti_D/T_L, plus faible que le niveau réel fourni par le capteur.

Ceci concerne le cas où la durée d'intégration est identique à la période du cycle de lecture, on uniformise le niveau général de luminosité en compensant les variations de niveau qui seraient dues aux variations de vitesse de défilement. La valeur de durée d'intégration désirée Ti_D ne sert pas à organiser un réglage d'une durée intégration effective car la durée d'intégration est égale à la durée du cycle de lecture, mais elle est utilisée seulement pour établir un facteur multiplicatif Ti_D/T_L qui compense les fluctuations de vitesse et uniformise le signal électronique représentant l'image.

L'invention est alors applicable aux caméras dont le capteur fonctionne en mode TDI, c'est-à-dire avec sommation des signaux de deux ou plusieurs pixels ayant vu un même point d'image au cours d'un défilement synchronisé avec le cycle de lecture.

Dans le deuxième mode de fonctionnement, avec une durée d'intégration plus petite que la période du cycle de lecture T_L, les moyens de séquencement établissent une durée d'intégration effective égale à la durée d'intégration désirée Ti_D. Il y a donc un premier mode sans contrôle de la durée d'intégration effective (celle-ci est égale à la période du cycle) et un deuxième mode avec contrôle de la durée d'intégration effective (celle-ci est égale à la durée désirée). Dans un capteur à pixels actifs CMOS où chaque pixel comprend une photodiode, un nœud de stockage de charges, un transistor de réinitialisation du nœud de stockage, un transistor de transfert de charges, et un transistor de lecture du potentiel du nœud de stockage, la période de lecture T_L est définie par la périodicité d'une impulsion de transfert qui assure le transfert de charges de la photodiode vers le nœud de stockage avant la lecture de ces charges. Si un réglage de durée d'intégration effective doit être fait, il est obtenu en établissant une impulsion de transfert de charges supplémentaire, entre deux impulsions de transfert périodiques, cette impulsion étant établie à un moment où le potentiel du nœud de stockage est réinitialisé par le transistor de réinitialisation, de manière que cette impulsion supplémentaire vide les charges du nœud de stockage. Dans un pixel qui aurait un transistor supplémentaire de réinitialisation du potentiel de la photodiode, le réglage de la durée d'intégration effective est fait en commandant ce transistor par une impulsion de réinitialisation du potentiel de la photodiode, la durée d'intégration effective étant définie par le temps qui sépare la fin de cette impulsion de réinitialisation de la fin de l'impulsion de transfert suivante.

Pour une caméra ayant ces deux modes de fonctionnement, on prévoit de préférence que la caméra fonctionne dans le premier mode tant que la période du cycle de lecture est au-dessous d'un seuil et fonctionne dans le deuxième mode lorsque ce seuil est dépassé. Le seuil est fonction de la vitesse de défilement (pour une durée d'intégration désirée donnée).

Le seuil de vitesse de défilement pour le passage du mode sans contrôle de la durée d'intégration au mode avec contrôle de la durée d'intégration est un seuil de valeur de la période de cycle de lecture du capteur puisque vitesse de défilement et durée de cycle sont liées. Le seuil de durée de cycle de lecture T_LS est choisi égal à la somme de la durée d'intégration désirée Ti_D et d'une valeur T_M où T_M est une durée estimée de temps mort, pendant laquelle les charges ne peuvent pas être intégrées dans la ligne de pixel lorsque le capteur fonctionne en mode de contrôle du temps d'intégration. Cette durée estimée de temps mort est liée à la constitution du capteur. Dans une réalisation particulière, la caméra peut fonctionner en mode TDI lorsqu'il n'y a pas de contrôle de durée d'intégration mais ne peut pas fonctionner en mode TDI lorsqu'il y a un contrôle de la durée d'intégration. Dans ce cas, on doit faire la distinction entre la durée d'intégration en mode TDI et la durée d'intégration en mode non TDI car elles n'ont pas la même signification puisque le mode TDI à N lignes donne un niveau de signal N fois plus élevé pour une même durée d'intégration. Comme on l'expliquera plus loin, le seuil de passage du mode sans contrôle de durée d'intégration (et avec TDI) au mode avec contrôle de durée d'intégration (et sans TDI) est pour une valeur T_LS = Ti_D + T_M, mais à la condition de considérer la durée d'intégration désirée Ti_D comme étant une durée dans le mode avec contrôle de durée d'intégration et non la durée d'intégration désirée T'i_D dans le mode sans contrôle et avec TDI. On a Ti_D = NxT'io et le seuil de durée de cycle de lecture T_LS est NxT'i_D + T_M.

De préférence, on prévoit que le niveau de sortie du capteur est multiplié en outre, dans les deux modes de fonctionnement, par un coefficient de sécurité Ks supérieur à 1 , destiné à éviter un risque de saturation de la sortie numérique du capteur ; cette saturation pourrait se produire en particulier dans le mode sans contrôle de durée d'intégration au voisinage du seuil de changement de mode de contrôle. De préférence, le coefficient Ks est au moins égal à (T_Lmin+TM)/T_Lmin, où T_Lmin est la période de lecture minimale au-dessous de laquelle le capteur ne peut pas fonctionner, et T_M est la durée de temps mort du capteur en mode de contrôle du temps d'intégration. On reviendra plus loin sur la signification et le choix de ce coefficient Ks. Le coefficient Ks est multiplié par deux pour un capteur fonctionnant en capteur à sommation de charges TDI à deux lignes, par N pour un capteur TDI à N lignes, ceci dans les cas où le mode sans contrôle de durée d'intégration fonctionne en sommation TDI alors que le mode avec contrôle de durée d'intégration fonctionne sans sommation TDI. Si le mode avec contrôle de durée d'intégration est un mode avec sommation TDI, le coefficient Ks est au moins égal à (NxT_Lmin + T_M)/T_Lmin-

Outre le procédé de production d'images qui vient d'être exposé dans ses grandes lignes, l'invention a également pour objet la caméra elle- même qui permet d'obtenir ces images. L'invention propose donc une caméra à balayage comportant un capteur d'image linéaire à au moins une ligne de pixels, apte à produire un niveau de sortie du capteur représentant l'éclairement d'un point d'image pendant une durée d'intégration effective Ti susceptible de varier, la caméra comportant une entrée de synchronisation pour recevoir une information de vitesse de défilement relatif, des moyens pour établir une période T_L de cycle de lecture de ligne d'image inversement proportionnelle à la vitesse de défilement relatif, et des moyens de réception d'une valeur de durée d'intégration désirée Ti_D, les moyens de séquencement étant aptes à établir au moins un premier mode de fonctionnement dans lequel la durée d'intégration effective Ti est égale à la période de cycle de lecture T_L ; la caméra est caractérisée en ce que les moyens de séquencement sont agencés pour établir un deuxième mode de fonctionnement avec une durée d'intégration égale à la durée d'intégration désirée et plus petite que la période de lecture T_L, et en ce que la caméra comporte :

- des moyens de multiplication pour fournir pour chaque ligne de l'image, dans le premier mode, un niveau de mesure d'éclairement qui est proportionnel au niveau de sortie du capteur multiplié par le rapport entre la durée d'intégration désirée Ti_D et la période de lecture de ligne T_L, et dans le deuxième mode un niveau de mesure d'éclairement non pondéré par ce rapport,

- et des moyens pour faire passer la caméra automatiquement du premier mode dans le deuxième mode et inversement en fonction de la vitesse de défilement relatif.

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 représente un capteur d'images à une ligne de pixels ;

- la figure 2 représente un circuit de lecture de pixels suivi d'un circuit de traitement numérique du signal fourni par le capteur ;

- la figure 3 représente un chronogramme de fonctionnement du capteur d'images de la figure 1 sans contrôle de la durée d'intégration ; - la figure 4 représente un chronogramme de fonctionnement du capteur d'images de la figure 1 avec contrôle de la durée d'intégration ;

- la figure 5 représente un autre chronogramme de fonctionnement du capteur d'images de la figure 1 avec contrôle de la durée d'intégration ;

- la figure 6 résume les deux modes de fonctionnement de la caméra et le signal numérique de sortie qui résulte de chacun d'eux ;

- la figure 7 représente le temps mort T_M qui empêche la durée d'intégration effective d'être égale à la durée du cycle de lecture ;

- la figure 8 représente un schéma bloc de la caméra, montrant que les valeurs d'entrée Ti_D et T_L contrôlent à la fois le mode de fonctionnement de la caméra et sa conséquence qui est une pondération ou une absence de pondération du signal de sortie du capteur.

Etant donné que l'invention est applicable à des caméras utilisant des capteurs à sommation TDI ou sans sommation TDI et même à des capteurs à une seule ligne de pixels, on va principalement décrire l'invention dans le cas d'un capteur à une seule ligne.

L'invention s'applique à des capteurs à pixels passifs à transfert de charges, de technologie CCD ou de technologie MOS, et à des capteurs à pixels actifs. Elle sera décrite en détail à propos de capteurs à pixels actifs.

La caméra selon l'invention comporte une entrée de réception d'une information de vitesse de défilement relatif de l'image par rapport au capteur. Cette information sert à imposer une période de lecture T_L des lignes de pixels en synchronisme avec le défilement. Il s'agit d'une vitesse instantanée ; la vitesse peut en effet varier au cours de l'observation d'une image. L'expression "période de lecture" est utilisée pour simplifier même si la durée du cycle de lecture varie d'une ligne à l'autre.

L'information de vitesse de défilement peut être transmise à la caméra par exemple par une roue codeuse entraînée par le système mécanique de mouvement relatif de l'objet par rapport à la caméra.

La caméra comporte aussi un moyen de réception d'une information de durée d'intégration désirée Ti_D. Il s'agit d'une durée désirée pour l'observation d'une ligne d'image. L'utilisateur règle cette durée en fonction des conditions d'éclairement et de vitesse de défilement dans lesquelles il utilise la caméra. Par exemple, pour une application de contrôle industriel, la vitesse de défilement nominale peut être imposée par un tapis roulant. L'éclairage est le plus fort possible si on veut aller vite, faute de quoi on aurait trop peu de signal à chaque cycle ; mais en même temps il faut limiter son coût tant en consommation qu'en coût des lampes à haute puissance et ceci peut limiter la vitesse de défilement.

La durée d'intégration désirée Ti_D, choisie en fonction de ces conditions, est appliquée à la caméra, par exemple par une interface logicielle si la caméra est commandée par un ordinateur. La durée est réglée pour toute l'image observée. Elle ne varie pas à chaque ligne.

Dans un exemple, l'utilisateur sait que le capteur ne peut pas fonctionner avec un temps de cycle de lecture inférieur à une certaine valeur, par exemple 10 microsecondes. Il fixe le temps de cycle nominal à cette valeur de 10 microsecondes. Et il fixe la durée d'intégration désirée Ti_D à cette même valeur. Si le capteur fonctionne en mode TDI à N lignes, l'utilisateur peut fixer une durée d'intégration T'i_D à 10 microsecondes, sachant qu'en pratique cela donne un signal équivalent à une intégration pendant une durée Ti_D = N.T'i_D soit N fois 10 microsecondes, et c'est cette dernière valeur Ti_D qui sera considérée comme "durée d'intégration désirée".

La figure 1 représente la structure de base d'une ligne de pixels actifs à quatre transistors MOS qui permet de mettre en œuvre l'invention. Un cinquième transistor du pixel, facultatif, est représenté en pointillés.

Chaque pixel comprend une photodiode PH pour convertir les photons en charges électriques et un nœud de stockage de charges FD, capacitif, qui sert à stocker temporairement les charges générées pour permettre ensuite leur lecture.

Le pixel comprend en outre un transistor de transfert T1 reliant la photodiode au nœud de stockage et permettant d'autoriser le transfert, vers le nœud de stockage, des charges intégrées par la photodiode. Le transistor de transfert T1 est commandé par un conducteur TG1 commun à tous les pixels de la ligne. Un transistor T2 de réinitialisation du nœud de stockage permet de réinitialiser à un potentiel de référence VREFP le potentiel du nœud de stockage. Ce transistor est commandé par un conducteur de commande RST commun à tous les pixels de la ligne. Un transistor de lecture T3 a sa grille reliée au nœud de stockage et il est monté en suiveur de tension pour permettre de transférer sur sa source un potentiel correspondant au potentiel du nœud de stockage. Son drain est relié à un potentiel d'alimentation qui peut être le potentiel VREFP ou un potentiel différent, de préférence supérieur à VREFP. Un transistor d'activation T4 permet de relier la source du transistor suiveur T3 à un conducteur dit "conducteur de colonne" COL associé au pixel. Il y a un conducteur de colonne respectif pour chaque pixel dans la ligne. Le transistor d'activation T4 est commandé par un conducteur SEL commun à tous les pixels de la ligne. Ce transistor T4 et son conducteur de commande sont facultatifs pour un capteur qui n'a qu'une ligne de pixels. Il sert à sélectionner une ligne lorsqu'il y a plusieurs lignes qui doivent être lues indépendamment les unes des autres. Enfin, un cinquième transistor T5 peut être facultativement prévu pour réinitialiser le potentiel de la photodiode.

Le conducteur de colonne est de préférence relié à une source de courant constant qui permet au transistor T3 de se comporter en suiveur de tension lorsque le transistor T4 est rendu conducteur.

Les charges recueillies par les photodiodes et transférées sur le nœud de stockage FD modifient le potentiel de ce nœud et sont lues sur le conducteur de colonne COL associé au pixel. Un circuit d'échantillonnage et de conversion analogique numérique CL est relié au pied du conducteur de colonne. Les différents circuits de lecture sont reliés à un multiplexeur qui transmet successivement sur une sortie numérique les signaux numérisés Ss issus à chaque cycle des différents pixels du capteur.

Dans une réalisation simplifiée, le circuit de lecture peut être constitué comme à la figure 2, avec deux capacités d'échantillonnage Cr, Cs, deux interrupteurs respectifs KR, KS, et un convertisseur analogique- numérique ADC pour convertir la différence des niveaux de potentiel échantillonnés dans les deux capacités. La capacité Cr sert à échantillonner un niveau de réinitialisation du nœud de stockage avant transfert de charges générées par la photodiode ; la capacité Cs sert à l'échantillonner le niveau de potentiel utile du nœud de stockage après transfert de charges. Le signal numérique Ss issu du capteur peut être traité par un circuit de traitement numérique DSP. On verra plus loin que l'invention propose d'inclure à ce circuit de traitement numérique une multiplication du signal du capteur par une valeur Ti_D/T_L et éventuellement par un coefficient de sécurité Ks, pour aboutir à un signal de sortie numérique Se de la caméra égal ou proportionnel à Ss x Ti_D/T_L.

Le cycle de fonctionnement du capteur est représenté sur le chronogramme de la figure 3 dans un mode sans réglage du temps d'intégration, mode dans lequel les charges sont intégrées pendant toute la durée d'un cycle de lecture T_L. Le chronogramme représente les signaux de commande appliqués aux différents conducteurs TG1 , RST, ainsi que les signaux SHR et SHS appliqués respectivement aux interrupteurs KR et KS.

Tous les signaux sont établis cycliquement, avec une périodicité T_L définie par la vitesse de défilement. Les cycles de lecture sont visibles sur la figure 3 et sont numérotés CYC1 , CYC2, CYC3. Chaque cycle comprend successivement les opérations suivantes, le début du cycle pouvant être pris arbitrairement à n'importe quel moment, et dans l'exemple présent on considère que le début est défini par le début du signal de réinitialisation RST du nœud de stockage :

- émission d'un niveau logique haut RST pour la réinitialisation du potentiel du nœud de stockage, et en conséquence vidage des charges présentes dans ce nœud ; puis retour à zéro du signal RST ;

- puis émission d'une impulsion d'échantillonnage SHR fermant l'interrupteur KR et chargeant dans la capacité Cr le niveau de potentiel de réinitialisation, présent sur le conducteur de colonne ;

- puis émission d'une impulsion de transfert TG1 rendant conducteur le transistor de transfert T1 ; les charges intégrées par la photodiode pendant le cycle précédent (depuis la fin de l'impulsion TG1 du cycle précédent) sont transférées dans le nœud de stockage ;

- puis émission d'une impulsion d'échantillonnage SHS qui ferme l'interrupteur KS et qui charge la capacité Cs à un potentiel représentant le potentiel du nœud de stockage après le transfert TG1 .

A noter : la ligne SEL, si elle existe, est activée (transistor T4 conducteur) au moins pendant les impulsions SHR et SHS.

La conversion analogique-numérique CONV1 se produit à la fin du cycle, après l'échantillonnage SHS, et essentiellement pendant le cycle suivant car elle prend un certain temps. Elle aboutit à un niveau de signal de capteur Ss1 , Ss2, Ss3 respectivement pour les cycles CYC1 , CYC2, CYC3. Selon l'invention, le signal numérique Ss issu du capteur est multiplié, par exemple dans un multiplieur numérique MLT (figure 2) faisant partie du processeur de traitement numérique DSP, par le rapport Ti_D/T_L entre le temps d'intégration désiré et la durée du cycle de lecture.

La caméra comporte donc des moyens de multiplication pour fournir à chaque cycle et pour chaque pixel un niveau de mesure d'éclairement Se qui est proportionnel au niveau de signal de sortie Ss du capteur multiplié par le rapport entre la durée d'intégration désirée Ti_D et la période de lecture de ligne T_L.

Le niveau Se fourni compense le fait que la durée T_L peut varier d'un cycle à l'autre, de sorte qu'à conditions d'éclairement égales, l'utilisateur ne voit pas de différence de luminosité même s'il y a des fluctuations de vitesse.

Dans l'exemple pratique indiqué précédemment, avec une vitesse de défilement nominale correspondant à la période de lecture T_Lmin de 10 microsecondes, et avec une durée d'intégration désirée choisie égale à la même valeur, le signal de la caméra est multiplié par T_Lmin L, donc compensé dans le sens de la diminution si la vitesse réelle diminue dans le rapport T_L/T_Lmin-

On peut adopter ce principe non seulement pour une caméra à pixels actifs mais aussi pour une caméra à transfert de charges à pixels passifs de technologie CCD (à double niveau de grille) ou MOS (à simple niveau de grille).

Dans la réalisation qui précède, la caméra utilise un seul mode de fonctionnement dans lequel la durée d'intégration effective Ti est indépendante de la durée d'intégration désirée Ti_D puisqu'elle est égale à la durée de cycle T_L. En effet, la photodiode intègre des charges à partir de la fin d'une impulsion de transfert TG1 jusqu'à la fin de l'impulsion de transfert suivante. Après quoi toutes les charges photogénérées sont dans le nœud de stockage et la photodiode recommence à intégrer des charges correspondant au cycle suivant.

Dans une variante de réalisation, la caméra est apte à fonctionner non seulement selon ce premier mode sans contrôle de durée d'intégration mais aussi selon un deuxième mode, avec contrôle de durée d'intégration. Le mode sans contrôle est alors destiné principalement aux vitesses de défilement rapides car on veut maximiser la production de charges ; le mode avec contrôle de durée est destiné plus spécialement aux vitesses de défilement plus lentes car on veut éviter de risquer une saturation en sortie du capteur par un éclairement trop prolongé (la saturation pouvant être une saturation du pixel, une saturation de la chaîne de lecture analogique, ou une saturation du convertisseur analogique-numérique).

Dans le pixel de la figure 1 , le contrôle de la durée d'intégration peut se faire en appliquant simultanément au transistor T1 un potentiel de transfert (niveau positif sur le conducteur TG1 ) et au transistor T2 un potentiel de réinitialisation (niveau positif sur le conducteur RST). Les charges de la photodiode sont alors évacuées vers un drain à travers le transistor T1 et le transistor T2 et la photodiode est réinitialisée. La durée d'intégration effective ne commence qu'à la fin de cette évacuation et non au moment de l'impulsion de transfert qui précède.

La figure 4 représente le chronogramme correspondant. Il est semblable à celui de la figure 3 mais une impulsion sur le conducteur TG1 est ajoutée entre les impulsions qui servent véritablement à transférer les charges utiles vers le nœud de stockage; cette impulsion supplémentaire est soulignée par des hachures pour la distinguer des autres ; elle est située pendant le niveau haut de RST alors que les autres sont situées en dehors des instants de réinitialisation du nœud de stockage. La période d'intégration effective Ti est définie entre la fin de l'impulsion hachurée et la fin de l'impulsion non hachurée qui la suit.

Alternativement, s'il y a un cinquième transistor T5, on règle la durée d'intégration en appliquant à sa grille un niveau de potentiel positif qui vide les charges qui ont été intégrées dans la photodiode et qui empêche, tant qu'il est présent, une nouvelle intégration de charges. Le front de descente de ce niveau est situé entre deux impulsions de transfert de période T_L et l'intégration de charges dure pendant un temps Ti qui va du front de descente du niveau appliqué à la grille jusqu'au front de descente de l'impulsion de transfert TG1 .

La figure 5 représente le chronogramme correspondant. Dans cet exemple, la caméra peut donc fonctionner soit selon le mode de la figure 3 soit selon le mode de la figure 4. Par conséquent elle possède des moyens pour produire les impulsions supplémentaires de TG1 dans le cas de la figure 4 ou pour produire le signal de commande du transistor T5 dans le cas de la figure 5. Ces moyens de commande reçoivent l'information de durée d'intégration désirée Ti_D et produisent les créneaux de commande appropriés, à la période T_L, qui définissent un temps d'intégration effectif Ti = Ti_D.

Lorsque la caméra fonctionne dans le deuxième mode, on ne multiplie plus le signal de sortie Ss du capteur par le rapport entre Ti_D et T_L puisque l'intégration de la lumière a bien lieu pendant le temps d'intégration désiré. Le signal fourni par la caméra est le signal Ss fourni par le capteur, non pondéré par le rapport Ti_D/TL.

La figure 6 résume symboliquement le fonctionnement dans les deux modes :

- en haut de la figure, une intégration pendant toute la durée de lecture et un signal de sortie Se de la caméra pondéré par le rapport Ti_D fT_L ;

- en bas une intégration pendant une durée Ti inférieure à la durée de ligne et un signal de sortie Se de la caméra non pondéré par le rapport Ti_D/T_L.

La caméra comporte un programme de séquencement des signaux des chronogrammes des figures qui précèdent, et ce programme détermine automatiquement le passage d'un mode à l'autre en fonction de la valeur de la période de lecture T_L de manière que le changement de mode soit invisible pour l'utilisateur.

Au-dessous d'un seuil déterminé T_LS, la caméra fonctionne automatiquement dans le premier mode ; au-dessus de ce seuil T_LS elle fonctionne dans le deuxième mode.

La valeur du seuil dépend des caractéristiques techniques du capteur et de la durée d'intégration désirée déjà réglée par ailleurs. Il existe en effet, dans le deuxième mode avec contrôle du temps d'intégration, un temps mort T_M, réservé à l'échantillonnage et à la lecture du potentiel du nœud de stockage, pendant lequel on ne peut pas intégrer de charges. Dans le cas du chronogramme de la figure 4, ce temps mort comprend au moins la durée allant du début de l'impulsion de transfert des charges utiles vers le nœud de stockage jusqu'à la fin de l'impulsion d'échantillonnage SHS.

La figure 7 illustre la présence de ce temps mort T_M : l'impulsion de réinitialisation (hachurée) qui détermine le début de la durée d'intégration Ti ne peut pas commencer avant la fin de l'impulsion SHS et l'intégration ne commence qu'à la fin de l'impulsion de réinitialisation. Le temps mort T_M dure donc au moins de la fin d'une impulsion de transfert (non hachurée) jusqu'à la fin de l'impulsion de réinitialisation (hachurée). Sur la figure 7, on a représenté la durée d'intégration maximale Ti_max pour une durée T_L donnée : elle est égale à T_L - T_M.

Si la durée d'intégration désirée fournie à la caméra est Ti_D, alors la caméra détermine un seuil de période de lecture, ou ce qui revient au même un seuil de vitesse de défilement, pour lequel la caméra doit changer de mode de fonctionnement. Le seuil T_Ls est égal à Ti_D + T_M.

Pour T_L inférieur à T_Ls = Ti_D +T_M, la caméra fonctionne sans contrôle de temps d'intégration avec un temps d'intégration égal à T_L même si T_L n'est pas égal à Ti_D et elle applique au signal du capteur une pondération de compensation égale à Ti_D/T_L. Pour T_L supérieur ou égal au seuil T_Ls, la caméra fonctionne dans le deuxième mode et n'applique pas de pondération de compensation.

Si le capteur était un capteur fonctionnant en sommation TDI à N lignes dans le premier mode (au-dessous du seuil T_Ls), mais pas dans le deuxième mode (au-dessus du seuil), le seuil serait aussi égal à Ti_D + T_M, où Ti_D est la durée d'intégration désirée, évaluée en mode non TDI ; Ti_D est égal à N.T'io, OÙ T'i_D est la durée d'intégration désirée en mode TDI.

La transition entre les deux modes est automatique, la caméra disposant des informations (T_L, Ti_D, T_M) nécessaires au calcul du seuil et étant agencée pour changer de mode à ce seuil, le changement de mode incluant d'une part le changement de chronogramme de séquencement et d'autre part la pondération ou la non-pondération par le rapport Ti_D/T_L. Il pourrait exister toutefois un risque que l'utilisateur règle le gain numérique ou analogique du capteur (compte-tenu de la durée d'intégration désirée) à une valeur où le capteur fournit, pour certains pixels, un signal numérique Ss un peu trop proche de la valeur maximale Ssmax que le capteur est apte à fournir.

Si le signal numérique Ss est trop près de la valeur maximale Ssmax dans le mode avec contrôle de la durée d'intégration, alors le passage vers le mode sans contrôle va engendrer une augmentation de la durée d'intégration, de Ti_D à Ti_D + T_M donc un signal encore plus fort pour ces pixels, dépassant le plafond Ssmax du signal de sortie du capteur.

En effet, lorsque la caméra fonctionne immédiatement au-dessus du seuil T_LS avec une durée d'intégration effective égale à Ti_D, on a une durée de lecture T_LS = Ti_D + T_M mais une durée d'intégration Ti_D.

Mais lorsqu'elle fonctionne immédiatement au-dessous du seuil, donc avec encore une durée de lecture T_LS, on a maintenant une durée d'intégration effective égale à la durée de lecture donc égale à T_LS donc égale à Ti_D + T_M.

Il y a donc un saut brutal de durée d'intégration d'un facteur ( ÎD + T_M)/Ti_D au passage du deuxième mode vers le premier mode. Ce saut provoque une saturation du niveau de sortie numérique du capteur, si on était déjà proche du niveau maximal Ssmax dans le deuxième mode.

Pour empêcher ce risque, et ceci de manière invisible pour l'utilisateur, on propose le perfectionnement consistant à introduire un coefficient de sécurité Ks dans le traitement de signal qui produit le signal de sortie numérique de la caméra à partir du niveau numérique Se fourni soit dans le premier soit dans le deuxième mode.

Ce coefficient Ks est destiné à forcer la caméra à fournir un signal surestimé par rapport à la valeur réelle qu'elle devrait fournir compte tenu de l'éclairement, pour inciter l'utilisateur à ne pas s'approcher d'un réglage de durée d'intégration risquant d'aboutir à une saturation du signal Ss.

Le signal Se fourni par le capteur sera multiplié par le coefficient Ks, supérieur à 1 , et la caméra fournira un niveau numérique de sortie SN = Se x Ks aussi bien dans le premier mode où Se = Ss x Ti_D/T_L que dans le deuxième mode où Se = Ss. L'utilisateur réglera le temps d'intégration désiré, les conditions d'éclairement, et le gain de la caméra de manière à avoir un signal de sortie SN non saturé malgré la présence de ce coefficient multiplicateur supérieur à 1 , assurant ainsi une absence de saturation dans le traitement numérique en amont, y compris au passage du deuxième mode vers le premier, si le coefficient Ks est bien choisi.

.Le choix du coefficient de sécurité Ks est directement lié à la valeur du saut de durée d'intégration mentionné plus haut, et donc à la valeur du rapport (Ti_D + T_M)/Ti_D.

Or le rapport Ti_D/(Ti_D + T_M) est le plus défavorable lorsque le temps de lecture a la valeur la plus basse possible autorisée pour que le capteur puisse fonctionner. En effet, le temps mort T_M est une valeur à peu près fixe pour le capteur indépendamment du temps de cycle. C'est donc quand le temps de cycle est le plus court que le rapport du temps d'intégration désiré au temps de cycle est le plus élevé et il faut choisir le coefficient Ks pour régler ce cas le plus défavorable.

Si T_Lmin est la période de lecture minimale au-dessous de laquelle le capteur ne peut plus fonctionner, on choisira de préférence le coefficient Ks égal ou supérieur à (T_Lmin + T_M)/T_Lmin-

A titre d'exemple, si la durée de lecture minimale T_Lmin est de 10 microsecondes et le temps mort est de 4 microsecondes, on choisira Ks = 1 ,4 ou supérieur à 1 ,4 si on veut encore accroître la marge de sécurité.

Le processeur de traitement numérique DSP inclura donc une multiplication du signal numérique Se issu du capteur par ce coefficient Ks.

La figure 8 résume la structure de la caméra selon l'invention dans le cas où elle peut fonctionner selon un mode sans contrôle de durée d'intégration et un mode avec contrôle de durée d'intégration. L'horloge CLK qui gère les cycles de lecture reçoit l'information de vitesse de défilement (symbolisée par l'entrée T_L). Les moyens de séquencement SEQ du capteur reçoivent l'information de durée d'intégration désirée Ti_D, définie par l'utilisateur. Ces moyens contrôlent le capteur d'image linéaire IMS et permettent un fonctionnement selon un mode ou l'autre selon que la période T_L est au-dessous ou au-dessus du seuil T_LS. Les circuits de lecture CL du capteur fournissent un signal numérique Ss représentant l'éclairement des pixels au cours du défilement. Le signal Ss est multiplié ou non par le rapport Ti_D/T_L selon que les moyens de séquencement imposent le premier mode ou le deuxième mode. La multiplication a lieu dans le processeur de traitement numérique du signal en général prévu dans une caméra. Le signal numérique Se qui résulte de cette multiplication est donc soit Ss soit Ss x Ti_D/T_L. Ce signal Se est lui-même multiplié par le coefficient de sécurité Ks pour donner le signal numérique de sortie de la caméra, SN = Ks x Se.

L'invention peut en particulier être mise en œuvre avec un capteur TDI à deux lignes de pixels tel que décrit dans la publication de brevet FR2971621 .

Claims

REVENDICATIONS

1 . Procédé de production d'images par une caméra comportant un capteur d'image linéaire en défilement relatif par rapport à une image à observer, le capteur fournissant pour chaque point d'image observé un niveau de sortie (Ss) représentant l'éclairement de ce point pendant une durée d'intégration effective Ti susceptible de varier, la caméra comportant une entrée de synchronisation pour recevoir une information de vitesse de défilement relatif, des moyens pour établir une période T_L de cycle de lecture de ligne d'image inversement proportionnelle à la vitesse de défilement relatif, et des moyens de réception d'une valeur de durée d'intégration désirée Ti_D, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte deux modes de fonctionnement, qui sont respectivement

- un premier mode de fonctionnement où la durée d'intégration effective Ti est égale à la période de cycle de lecture T_L, et dans lequel la caméra fournit pour chaque point d'image un niveau de mesure d'éclairement (SN) qui est proportionnel au niveau de sortie du capteur multiplié par le rapport entre la durée d'intégration désirée Ti_D et la période de cycle de lecture de ligne T_L,

- et un deuxième mode de fonctionnement, avec une durée d'intégration plus petite que la période T_L du cycle de lecture, dans lequel des moyens de séquencement établissent une durée d'intégration effective égale à la durée d'intégration désirée, et dans lequel la caméra fournit pour chaque ligne un niveau de mesure d'éclairement qui est proportionnel au niveau de sortie du capteur non pondéré par le rapport entre la durée d'intégration désirée Ti_D et la période de lecture de ligne T_L,

- la sélection entre le premier et le deuxième mode étant faite en fonction de la vitesse de défilement relatif le premier mode étant utilisé tant que la période du cycle de lecture est au-dessous d'un seuil et le deuxième mode étant utilisé lorsque ce seuil est dépassé.

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le premier mode est utilisé tant que la période du cycle de lecture est au- dessous d'un seuil et le deuxième mode est utilisé lorsque ce seuil est dépassé.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le passage du premier au mode au second mode et inversement est effectué en fonction de la vitesse de défilement relatif et se produit pour un seuil de période de cycle de lecture T_LS = Ti_D + T_M, où T_M est une durée estimée de temps mort pendant lequel le capteur d'image ne peut pas intégrer de charges dans le deuxième mode de fonctionnement.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le niveau de sortie du capteur est par ailleurs multiplié, dans les deux modes de fonctionnement, par un coefficient de sécurité (Ks) égal ou supérieur à (T_Lmin + _M)/T_Lmin, où T_Lmin est une période de cycle de lecture minimale au-dessous de laquelle le capteur ne peut pas fonctionner.

5. Caméra à balayage comportant un capteur d'image linéaire à au moins une ligne de pixels, apte à produire un niveau de sortie (Ss) du capteur représentant l'éclairement d'un point d'image pendant une durée d'intégration effective Ti susceptible de varier, la caméra comportant des moyens de séquencement, une entrée de synchronisation pour recevoir une information de vitesse de défilement relatif, des moyens pour établir une période T_L de cycle de lecture de ligne d'image inversement proportionnelle à la vitesse de défilement relatif, et des moyens de réception d'une valeur de durée d'intégration désirée Ti_D, les moyens de séquencement étant aptes à établir un premier mode de fonctionnement dans lequel la durée d'intégration effective Ti est égale à la période de cycle de lecture T_L, caractérisée en ce que les moyens de séquencement sont agencés pour établir un deuxième mode de fonctionnement avec une durée d'intégration égale à la durée d'intégration désirée et plus petite que la période de lecture T_L, et en ce que la caméra comporte :

- des moyens de multiplication (MLT) pour fournir pour chaque ligne de l'image, dans le premier mode mais pas dans le deuxième mode, un niveau de mesure d'éclairement (SN) qui est proportionnel au niveau de sortie du capteur multiplié par le rapport entre la durée d'intégration désirée Ti_D et la période de lecture de ligne T_L, et

- des moyens pour faire passer la caméra automatiquement du premier mode dans le deuxième mode et inversement en fonction de la vitesse de défilement relatif.

6. Caméra selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens pour faire passer la caméra du premier mode au deuxième mode sont agencés pour que la caméra utilise le premier mode tant que la période T_L du cycle de lecture est au-dessous d'un seuil et le deuxième mode lorsque ce seuil est dépassé.

7. Caméra selon la revendication 6, caractérisée en ce que le passage d'un mode à l'autre est établi pour un seuil de période de cycle de lecture T_LS = Ti_D + T_M, où T_M est une durée estimée de temps mort pendant lequel le capteur d'image ne peut pas intégrer de charges dans le deuxième mode de fonctionnement.

8. Caméra selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens pour multiplier le niveau de sortie du capteur, dans les deux modes de fonctionnement, par un coefficient de sécurité (Ks) égal ou supérieur à (T_Lmin+ M) T_Lmin, où T_Lmin est une période de cycle de lecture minimale au-dessous de laquelle le capteur ne peut pas fonctionner, et T_M est une durée estimée de temps mort pendant lequel le capteur d'image ne peut pas intégrer de charges dans le deuxième mode de fonctionnement.

9. Caméra selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur comporte N lignes de pixels, N étant supérieur à 1 , et est apte à fonctionner en mode TDI dans le premier mode de fonctionnement.