WO2024121325A1 - Optical sensor - Google Patents

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Publication number
WO2024121325A1
WO2024121325A1 PCT/EP2023/084740 EP2023084740W WO2024121325A1 WO 2024121325 A1 WO2024121325 A1 WO 2024121325A1 EP 2023084740 W EP2023084740 W EP 2023084740W WO 2024121325 A1 WO2024121325 A1 WO 2024121325A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
photodiode
transistor
drain
source
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/084740
Other languages
French (fr)
Inventor
François DANNEVILLE
Christophe Loyez
Original Assignee
Universite De Lille
Centre National De La Recherche Scientifique
Université Polytechnique Hauts-De-France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite De Lille, Centre National De La Recherche Scientifique, Université Polytechnique Hauts-De-France filed Critical Universite De Lille
Publication of WO2024121325A1 publication Critical patent/WO2024121325A1/en

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/772Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters

Definitions

  • the present invention relates to the field of optical sensors, and more particularly concerns a sensor with low energy consumption, capable of reproducing certain behaviors of a biological retina, and usable in particular in bioinspired architectures.
  • bio-inspired artificial optical sensors in the prior art operate according to the principle that, the greater the light intensity received, the higher the frequency of the electrical pulses generated by the sensor. Following this principle, on the scale of an imager and in luminance mode, a visual scene is captured through a “positive” image – in black and white.
  • this type of sensor does not offer the possibility of precisely adjusting the dynamics at low luminance (reduced to medium lighting situation, i.e., from 50 to 3000 lux). In everyday life, this corresponds to illuminated domestic or industrial spaces, for which a need for low-consumption image sensors is required.
  • an optical sensor comprising: an integration capacitance, a circuit for reading the charge of the integration capacitance, at least one MOS transistor operating below the threshold, whose drain-source current influences the charge of the integration capacitor, at least one photodiode operating in photovoltaic mode, connected to the gate of this transistor, such that the drain-source current of the MOS transistor increases when the current generated by the photodiode decreases and vice versa.
  • the sensor according to the invention has high energy efficiency and can have ultra-low consumption, for example of the order of 100 pW, i.e. a power consumption 3 orders of magnitude lower than certain sensors of the prior art. , which is close to the energy efficiency of a biological retina of the human eye (see “Event-Based Neuromorphic Systems”, Book, S-C Liu et al, Wiley 2015; Table 3.1, page 42). This advantage is notably linked to operation below the threshold of the transistor and to the use of the photodiode in photo voltaic mode.
  • the operation of the transistor below the threshold corresponds to the existence of a drain-source current varying exponentially with the gate control voltage in the so-called weak inversion region of the transistor ('weak-inversion region' or 'subthreshold region'). in English) where the gate-source voltage is below the threshold voltage for which the inversion zone appears, that is to say creates a conduction channel between the drain and the source.
  • the photodiode operates in open circuit photovoltaic mode where the voltage across its terminals is strictly positive. In this mode and due to the presence of the open circuit, the photodiode does not dissipate power, unlike the usual mode (receiver mode) in which the photodiode is reverse biased.
  • the invention makes it possible to obtain an inverse representation of a visual scene, whether a static image or a video, by coding the perceived luminance in the manner of a “negative” if transposed to photography.
  • the sensor delivers electrical pulses with the greatest frequency when the light intensity to which it is exposed is the lowest.
  • an imager of N*N sensors reproduces a “negative” image of a visual scene.
  • the invention is based on a paradigm shift for image extraction.
  • the usual event-driven or pulse optical sensors extract a “positive” image, reconstituted in such a way that the more the sensor is illuminated, the higher the frequency of the pulses generated by the sensor.
  • the paradigm shift exists in the sense that a “negative” image is extracted.
  • the sensor according to the invention allows in situ adjustment of the coding dynamics for different luminance ranges, which can reach very low levels ( ⁇ 50 lux). Indeed, in the light intensity ranges commonly encountered, particularly in interior lighting, the dynamics (luminance range) is adjustable, in particular via a control voltage, as will be detailed later.
  • photodiode in the dark we mean a photodiode illuminated by zero or low luminance, located between 0 and 3000 lux, in particular between 0 and 1500 lux, better still between 0 and 500 lux, even better between 0 and 50 lux.
  • the reading circuit may include at least one artificial neuron, for example of the “Octopus” type (as described in “Event-Based Neuromorphic Systems”, Book, S-C Liu et al, Wiley 2015; Figure 7.4, page 161), “ Leaky Integrate and Fire” or “Axon-Hillock”.
  • “Octopus” type as described in “Event-Based Neuromorphic Systems”, Book, S-C Liu et al, Wiley 2015; Figure 7.4, page 161
  • Leaky Integrate and Fire or “Axon-Hillock”.
  • the artificial neuron generates pulses at a frequency which depends on the optical power received by said at least one photodiode, the frequency of the pulses being inversely proportional to said power.
  • the MOS transistor is an activation transistor arranged to charge the integration capacitor when the photodiode connected to its gate is in the dark.
  • the activation transistor is preferably of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the photodiode, the drain to the integration capacitance and the source to a supply voltage of the sensor.
  • the cathode of the photodiode can be connected to ground. This allows fine adjustment of the dynamics, that is to say the frequency contrast (for a light intensity contrast) of electrical pulses generated by an artificial neuron included in the reading circuit, by adjusting the voltage of food, as will be demonstrated by the formulas below.
  • the activation transistor is of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode, the drain to a supply voltage of the sensor and the source to the integration capacitance.
  • the anode can be connected to the hot spot of the power supply.
  • the MOS transistor is a deactivation transistor arranged to discharge the integration capacitance when the photodiode connected to its gate is in the dark.
  • the deactivation transistor is preferably of the PMOS type, the gate of which is connected to the anode of the photodiode, the drain to a current mirror connected to the integration capacitor and the source to a supply voltage of the sensor.
  • the deactivation transistor is of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode, the drain to a supply voltage of the sensor and the source to a current mirror connected to the integration capacitor.
  • the MOS transistor can be of standard technology on a solid substrate.
  • MOS on SOI Silicon On Insulator
  • the MOS transistor can be a type of non-planar transistor (3D transistor), in particular a fin field-effect transistor (FinFET) which is a multi-gate device, a transistor with field effect MOSFET (metal/oxide/semiconductor structure FET) built on a substrate where the gate is placed on two, three or four sides of the channel, forming a double gate structure.
  • 3D transistor non-planar transistor
  • FinFET fin field-effect transistor
  • MOSFET metal/oxide/semiconductor structure FET
  • the MOS transistor can be of the GAAFET (gate all around field effect transistor) type, a derivative of FinFET, making it possible to reach technological nodes at 5 or 3 nm. Other structures are still possible.
  • GAAFET gate all around field effect transistor
  • the sensor comprises at least one photosensitive cell of the “OFF” type, the cell comprising:
  • An exciting part including:
  • An inhibitory part comprising:
  • the deactivation transistor being arranged to discharge the integration capacitance when the associated photodiode is in the dark, the photodiode associated with the activation transistor being surrounded by the photodiodes associated with the deactivation transistors.
  • the senor is biomimetic, behaving in the same way as a biological cell of the “OFF” retinal ganglion type.
  • a biological cell of the “OFF” retinal ganglion type Such a cell makes it possible to extract the oriented edges in an image, which is also called enhancement of contrasts.
  • the activation transistor is of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the associated photodiode, the drain to the integration capacitance and the source to a supply voltage Vdd ex of the sensor.
  • the deactivation transistor is preferably of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the photodiode, the drain to a current mirror connected to the integration capacitor and the source to a supply voltage Vddinh of the sensor.
  • the activation transistor is of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode, the drain to a supply voltage Vdd ex of the sensor and the source to the integration capacitance.
  • the deactivation transistor can be of the NMOS type, the gate of which is connected to the cathode of the photodiode, the drain to a supply voltage Vddinh of the sensor and the source to a current mirror connected to the integration capacitor, the supply voltage Vddinh being preferably equal to Vdd ex .
  • the sensor may include a set of pixels organized in a matrix comprising a plurality of “OFF” type cells as defined above.
  • each “OFF” cell comprises a central pixel corresponding to the excitatory part and several peripheral pixels corresponding to the inhibitory part, the peripheral pixels being in particular four in number and the pixels of the “OFF” cell then being preferably arranged on the matrix in the form of a cross.
  • each pixel comprises a single photodiode connected to several different transistors so as to serve several "OFF" cells, the photodiode being in particular connected to five different transistors including an activation transistor of a central pixel and four deactivation transistors of peripheral pixels.
  • the invention also relates, according to another of its aspects, to a method of acquiring an image or a video, in particular under lighting less than or equal to 3000 lux, using the sensor according to the invention.
  • Figure 1 represents the evolution of the open circuit voltage of a photodiode in photovoltaic mode as a function of luminance
  • FIG 2 schematically illustrates a first example of a sensor according to the invention 9
  • FIG 3 schematically represents a second example of sensor according to the invention.
  • FIG 4 Figure 4 schematically illustrates a first example of an “OFF” cell of a sensor according to the invention
  • FIG 5 Figure 5 schematically represents a second example of an “OFF” cell of a sensor according to the invention
  • Figure 6 schematically illustrates a sensor according to the invention comprising a set of pixels
  • Figure 7 schematically illustrates a simulation of a sensor according to the invention comprising a set of pixels
  • Figure 8 represents the temporal response of different pixels of a sensor according to the invention in an environment corresponding to a stadium lit at night;
  • Figure 9 illustrates the temporal response of different pixels of a sensor according to the invention in an environment corresponding to a well-lit apartment
  • Figure 10 represents the result of the simulation of an “OFF” cell according to the invention at different luminances
  • FIG 11 schematically illustrates the experimental result, at different luminances and at a given supply voltage, obtained for the electrical pulses generated by a sensor according to the invention comprising a set of pixels;
  • FIG 12 Figure 12 is similar to Figure 11 with change in the supply voltage
  • FIG 13 Figure 13 summarizes the experimental results from Figures 11 and 12 by representing the frequency of the electrical pulses generated as a function of luminance;
  • Figure 14 schematically illustrates the pulses generated by an artificial neuron of the Octopus type connected to a sensor according to the invention;
  • FIG 15 Figure 15 is similar to Figure 14 with change in supply voltage.
  • FIG. 1 a curve of the evolution of the open circuit voltage of a photodiode in photovoltaic mode as a function of the luminance.
  • the photodiode is for example TSMC 65 nm technology.
  • the ordinate axis represents the open circuit voltage V co of the photodiode in mV, and the abscissa axis represents the luminance in lux.
  • This curve is increasing with different slopes.
  • the zone of interest to cover the majority of applications of the invention is circled in dotted lines and is between 0 and 1000 lux, which corresponds to an open circuit voltage of between 200 mV and 400 mV.
  • Figure 2 schematically illustrates a first example of optical sensor 1 according to the invention.
  • Such a sensor may include a PMOS transistor 31, a photodiode 21, an integration capacitance C m and a reading circuit 10.
  • Photodiode 21 is connected to the gate of transistor 31 by its anode, its cathode being connected to ground.
  • the drain of transistor 31 is connected to a terminal of the integration capacitor C m also constituting an input-output of the read circuit 10.
  • the photodiode 21 operates in open circuit photovoltaic mode where the voltage across its terminals is strictly positive, V co > 0, and the current passing through it is zero. In this mode, the photodiode does not dissipate energy, unlike the usual mode (photoconductor mode) in which the photodiode is reverse biased.
  • the voltage Vco generated by the photodiode is equal to:
  • V t —, the thermal voltage being close to 25 mV for an ambient temperature of 300 K, I ph the photovoltaic current generated by the photodiode and I s the saturation current of the PN junction of the photodiode. This is considered ideal, ie the ideality factor of the junction is equal to 1.
  • the gate-source voltage which controls the current Id of the MOS transistor 31 is equal to:
  • V sg Vdd - v co
  • this voltage will preferably be adjusted such that the MOS transistor 31 operates below the threshold, in order to ensure relatively low power consumption of the optical sensor.
  • Transistor 31 operates below the threshold, that is to say in the weak inversion region where the gate-source voltage is lower than the threshold voltage: VSG ⁇ Vth.
  • the drain current then varies exponentially with the voltage VSG.
  • the current-voltage characteristic for the MOS transistor 31 is as follows: [Math 3]
  • I p corresponds to a current depending on geometric parameters (gate length and width, oxide thickness) and technological parameters (such as doping of the substrate) of a MOS transistor.
  • the MOS transistor 31 is an activation transistor arranged to charge the integration capacitance C m when the photodiode 21 connected to its gate is in the dark. If the reading circuit 10 were an artificial neuron, the load current I ex of the integration capacitance C m would be an excitation current of the neuron, which is otherwise equal to the drain current la.
  • equation 6 shows that fine adjustment of the dynamics, that is to say the frequency contrast (for a given light intensity contrast) of the electrical pulses generated by the artificial neuron, is possible, by adjusting the supply voltage Vdd.
  • the sensor according to the invention thus offers a possibility of effective adjustment for the dynamics, in particular to adapt to indoor lighting levels (50 to 3000 lux, levels encountered for domestic premises and/or industrial buildings) for many applications.
  • FIG 3 schematically represents a second example of sensor according to the invention which is a variant of the circuit of Figure 2 where the MOS transistor 31 is of the NMOS type. Its gate is connected to the cathode of photodiode 21, its drain to the supply voltage Vdd of the sensor and its source to the integration capacitance C m .
  • transistor 31 is an activation transistor arranged to charge the capacitor when the photodiode is in the dark.
  • the source potential of the MOS transistor is “floating” in this implementation, the gate-source voltage being equal to:
  • V mem is the voltage across the membrane capacitance, called the membrane voltage of the artificial neuron 10.
  • the sensor circuits described above can be used to make “OFF” cells.
  • FIG. 4 schematically represents a first example of an “OFF” cell of a sensor according to the invention.
  • the “OFF” cell 101 comprises a central pixel PC, forming an excitatory part 102 of the cell, and four peripheral pixels N, E, S, O forming an inhibitory part 103 of the cell.
  • the central pixel PC is connected to each of the peripheral pixels N, E, S, O at the level of the membrane potential, thus sharing the same reading circuit 10 which can be an artificial neuron.
  • the exciting part 102 comprises the same circuit of Figure 2, namely a PMOS activation transistor 31 and a photodiode 21 connected by its anode to the gate of this transistor. This exciting part is supplied by a voltage Vdd ex .
  • Each pixel N, E, S, O of the inhibitory part 103 is similar to the circuit of Figure 2, with the difference that the transistor is a deactivation transistor 32 whose drain is connected to a current mirror 34 connected to the capacitor of integration C m , and the source of the transistor is connected to a supply voltage Vddinh.
  • the excitation current i_exc the sum of all the inhibition currents i_inh is subtracted, a sum “weighted” according to the light intensity present at pixels N, E, S, O.
  • the “OFF” cell is also possible to implement using the architecture shown in Figure 5, using N-type MOS transistors for the excitation and inhibitory parts coupled to the photodiode.
  • the exciting part 102 comprises the same circuit of Figure 3, namely an NMOS activation transistor 31 and a photodiode 21 connected by its cathode to the gate of this transistor. This exciting part is powered by a voltage Vddex.
  • Each pixel N, E, S, O of the inhibitory part 103 is similar to the circuit of Figure 3, with the difference that the transistor is a deactivation transistor 32 whose source is connected to a current mirror 34 connected to the capacitor of integration C m , and the drain of the transistor is connected to a supply voltage Vddinh.
  • this second “OFF” cell architecture has the disadvantage of having the sources of the transistors floating.
  • FIG. 6 schematically illustrates a sensor according to the invention comprising a set of pixels 100 organized in a matrix comprising a plurality of “OFF” type cells 101.
  • Each “OFF” cell 101 comprises a central pixel PC and four peripheral pixels N, E , S, O, arranged so as to form a cross on the matrix, the peripheral pixels being named after the four cardinal points NORTH, EAST, SOUTH, WEST, according to their orientation relative to the central pixel PC.
  • each pixel 100 comprises a single photodiode connected to several different transistors, so as to serve several “OFF” cells 101, the photodiode then being connected to five different transistors including an activation transistor 31 of one pixel central PC and four deactivation transistors 32 of peripheral pixels N, E, S, O.
  • an “OFF” cell by the coordinates of its central pixel on the matrix.
  • C8, L8 when we indicate that a cell is labeled (C8, L8), this means that its central pixel is located at column 8 and row 8 of the matrix.
  • the same photodiode is for example used both for the central pixel of the labeled “OFF” cell (C8, L8), and for the peripheral pixels of the adjacent “OFF” cells whose central pixels have the same coordinates as the peripheral pixels of the “OFF” cell in question.
  • the peripheral pixels of adjacent “OFF” cells are:
  • the pixel matrix is designed according to the first “OFF” cell architecture shown in Figure 4, implemented with PMOS transistors, five interconnections go from the anode of the shared photodiode to grids of PMOS transistors (including an activation transistor for a central PC pixel and four peripheral pixel deactivation transistors), which requires routing but does not pose a fan-out problem (thanks to the very high input impedance presented by these transistors). Since the transistor sources are not floating in this first architecture, it is possible to have a single photodiode per pixel, shared between several “OFF” cells, while having two different supply voltages Vdd ex and Vddinh.
  • the first architecture is therefore preferred, not only because it uses only one photodiode per pixel, but also because it allows fine adjustment of contrasts by Vddinh adjustment.
  • FIG. 7 schematically illustrates this simulation.
  • a sequential reading is carried out for 50 ps of each illuminated pixel (50 / 100 / 250 / 500 / 1000 / 5000 lux), one after the other.
  • the latter encodes the light intensity in the form of electrical pulses - time and frequency coding -, as for a biological retina.
  • the leakage currents (inhibitors) associated with pixels in the dark were taken into account in the simulation .
  • Figure 8 represents the temporal response of different pixels of a sensor according to the invention in an environment corresponding to a stadium lit at night with a maximum light intensity of 1500 lux. This is the response as a function of time of six pixels, from least to most illuminated, embedded in a matrix of 64*64 pixels (the other pixels being in darkness, that is to say, a luminance of 0 lux), each pixel having a different luminance.
  • the membrane voltage of the artificial neuron is plotted as a function of time.
  • the neuron reacts promptly to the variation in light intensity observed when passing from one illuminated pixel to another.
  • the supply voltage Vdd was adjusted such that, when the light intensity varies from 50 to 5000 lux (2 orders of magnitude between the least illuminated pixel and the most illuminated pixel), the ratio of electrical pulses delivered by the neuron (and therefore the frequency) is greater than 10 (ratio corresponding to the number of pulses for 50 lux divided by the number of pulses for 5000 lux).
  • Figure 9 schematically illustrates the temporal response of different pixels of a sensor according to the invention in an environment corresponding to a well-lit apartment with a maximum light intensity of 400 lux. This is the response as a function of time of six pixels, from least to most illuminated, embedded in a matrix of 64*64 pixels (the other pixels being in darkness), each pixel having a different luminance.
  • the supply voltage Vdd has been adjusted so as to increase the ratio - greater than 10 - between the number of electrical pulses, when the light intensity varies from 50 to 500 lux (for the previous case, this ratio for this variation light intensity was 3, while it was 10 when the light intensity varied from 50 to 5000 lux).
  • Figure 10 schematically represents the result of the simulation of an “OFF” cell according to the invention at different luminances.
  • the “OFF” cell in Figure 4 was used for the simulation illustrated in Figure 10.
  • the central pixel is more illuminated (1000 lux)
  • the frequency of the electrical pulses delivered by the artificial neuron decreases (compared to illumination of only 100 lux), functioning perfectly mimicking biology.
  • a 64*64 pixel chip was designed. This chip could be measured under tips, in low luminance conditions like those presented for the previous simulations.
  • the response of the artificial neuron was measured for a pixel, for different luminance conditions.
  • a first experimental result is illustrated in Figure 11, with a pixel observed for 50 ps, from a situation corresponding to the room in “darkness” (1 lux, Figure 11 (a)) until illumination on the 1300 lux chip (figure 11 (c)), the supply voltage of the pixel being 600 mV and that of the neuron 300 mV.
  • Figure 13 summarizes the results of Figures 11 and 12 by schematically representing the frequency of the electrical pulses in kHz generated as a function of the brightness in lux. This figure illustrates the possibility of controlling the dynamic light intensity of the optical sensor via the pixel supply voltage, so that it adapts to the lighting conditions of its environment.
  • the electronic chip integrating the sensor with the reading circuit can be encapsulated in a conventional manner in a housing.
  • a polymerizable coating glue under UV radiation or under the effect of heat acts as an encapsulation resin or coating responding to mechanical and humidity constraints. Solvent-free and with high ionic purity, such glue protects against corrosion and allows great reliability and durability of the chip.
  • Figure 15 is similar to Figure 14 with the pixel supply voltage increased by 100 mV. The pulse frequency then increases to approximately 4.5 MHz.
  • the potential applications of the invention concern the fields of on-board electronics, that is to say those which cannot benefit from connection to the electrical network. For these applications, the installation of a sensor according to the invention will be facilitated, because no modification of the infrastructure is required to power the sensor, a battery being sufficient. In this context, the applications are necessarily those of the Internet of Things where visual information, however rudimentary it may be, is required. Examples can be cited in the field of home automation (particularly helping the elderly) and transport (counting people on buses, metro, railway and land stations, airports). The variation of these applications can be carried out in very dark places, since the invention makes it possible to adjust the coding dynamics in the low luminance ranges ( ⁇ 50 lux).
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments described above.
  • the cross described above can be rotated by an angle of 45°, that is to say be in an "X" on the pixel matrix rather than in a "+”, the peripheral pixels then occupying the northeast, northwest, southeast and southwest orientations.
  • the peripheral pixels can also be eight in number, instead of four.
  • Different lenses or optics can be associated with the sensor, for example with fixed or variable focal length.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

Optical sensor (1) comprising a plurality of photosensitive cells, each cell comprising: - an integration capacitor (Cm), - a circuit (10) for reading the charge of the integration capacitor (Cm), - at least one MOS transistor (31; 32) operating subthreshold, the drain-source current of which influences the charge of the integration capacitor (Cm), at least one photodiode (21; 22) operating in photovoltaic mode, connected to the gate of this transistor, such that the drain-source current of the MOS transistor increases when the current generated by the photodiode decreases and vice versa.

Description

Description Description
Titre : Capteur optique Title: Optical sensor
Domaine technique Technical area
La présente invention concerne le domaine des capteurs optiques, et concerne plus particulièrement un capteur à faible consommation d’énergie, pouvant reproduire certains comportements d’une rétine biologique, et utilisable notamment dans des architectures bioinspirées. The present invention relates to the field of optical sensors, and more particularly concerns a sensor with low energy consumption, capable of reproducing certain behaviors of a biological retina, and usable in particular in bioinspired architectures.
Technique antérieure Prior art
Il a déjà été proposé divers systèmes d’acquisition et de traitement d’informations visuelles, notamment bio-inspirés. Various systems for acquiring and processing visual information, particularly bio-inspired, have already been proposed.
La majorité des capteurs optiques artificiels bio-inspirés dans l’art antérieur fonctionne selon le principe que, plus l’intensité lumineuse reçue est importante, plus la fréquence des impulsions électriques générées par le capteur est élevée. Suivant ce principe, à l’échelle d’un imageur et en mode luminance, une scène visuelle est capturée au travers d’une image - en noir et blanc - « positive ». The majority of bio-inspired artificial optical sensors in the prior art operate according to the principle that, the greater the light intensity received, the higher the frequency of the electrical pulses generated by the sensor. Following this principle, on the scale of an imager and in luminance mode, a visual scene is captured through a “positive” image – in black and white.
Le capteur décrit dans le brevet FR3072564 fonctionne selon ce principe et peut se comporter de la même façon qu’une cellule biologique de type « ON » ganglion rétinienne. The sensor described in patent FR3072564 works according to this principle and can behave in the same way as a biological cell of the “ON” retinal ganglion type.
Cependant, ce genre de capteurs n’offre pas la possibilité d’ajuster avec précision la dynamique à faible luminance (situation d’éclairage réduit à moyen, i.e., de 50 à 3000 lux). Ceci correspond dans la vie courante à des espaces éclairés domestiques ou industriels, pour lesquels un besoin en capteurs d’images basse consommation est requis. However, this type of sensor does not offer the possibility of precisely adjusting the dynamics at low luminance (reduced to medium lighting situation, i.e., from 50 to 3000 lux). In everyday life, this corresponds to illuminated domestic or industrial spaces, for which a need for low-consumption image sensors is required.
Par ailleurs, des capteurs optiques dits « événementiels » développés par la société Prophesee sont disponibles sur le marché. Ces imageurs codent l’information seulement lorsqu’un pixel change d’intensité. Ainsi, il est nécessaire d’observer des mouvements au sein de la scène visuelle pour obtenir une image, et il n’est pas possible d’extraire une image statique. Ces capteurs, reproduisant une scène visuelle à partir d’une image vidéo, sont alimentés par une tension d’alimentation de l’ordre du volt ou au-delà, ce qui conduit à une puissance électrique de l’ordre de 100 nW par unité. Exposé de l’invention Furthermore, so-called “event” optical sensors developed by the company Prophesee are available on the market. These imagers encode information only when a pixel changes intensity. Thus, it is necessary to observe movements within the visual scene to obtain an image, and it is not possible to extract a static image. These sensors, reproducing a visual scene from a video image, are powered by a supply voltage of the order of one volt or beyond, which leads to an electrical power of the order of 100 nW per unit. . Presentation of the invention
Il existe donc un besoin pour perfectionner encore les capteurs optiques, notamment afin de disposer d’un capteur performant, de consommation électrique relativement faible et avec une possibilité, si cela est recherché, d’ajuster la dynamique en éclairage intérieur. There is therefore a need to further improve optical sensors, in particular in order to have a high-performance sensor, with relatively low power consumption and with the possibility, if desired, of adjusting the dynamics in interior lighting.
L’invention vise à répondre à cet objectif et a pour objet, selon l’un de ses aspects, un capteur optique comportant : une capacité d’intégration, un circuit de lecture de la charge de la capacité d’intégration, au moins un transistor MOS fonctionnant sous le seuil, dont le courant drain- source influe sur la charge de la capacité d’intégration, au moins une photodiode fonctionnant en mode photovoltaïque, reliée à la grille de ce transistor, de telle sorte que le courant drain-source du transistor MOS augmente quand le courant généré par la photodiode diminue et inversement. The invention aims to meet this objective and has as its object, according to one of its aspects, an optical sensor comprising: an integration capacitance, a circuit for reading the charge of the integration capacitance, at least one MOS transistor operating below the threshold, whose drain-source current influences the charge of the integration capacitor, at least one photodiode operating in photovoltaic mode, connected to the gate of this transistor, such that the drain-source current of the MOS transistor increases when the current generated by the photodiode decreases and vice versa.
Le capteur selon l’invention possède une grande efficacité énergétique et peut avoir une consommation ultra-faible, par exemple de l’ordre de 100 pW, soit une consommation de puissance plus faible de 3 ordres de grandeur que certains capteurs de l’art antérieur, ce qui est proche de l’efficacité énergétique d’une rétine biologique de l’œil humain (voir « Event- Based Neuromorphic Systems », Book, S-C Liu et al, Wiley 2015 ; Table 3.1, page 42). Cet avantage est notamment lié au fonctionnement sous le seuil du transistor et à l’utilisation de la photodiode en mode photo voltaïque. The sensor according to the invention has high energy efficiency and can have ultra-low consumption, for example of the order of 100 pW, i.e. a power consumption 3 orders of magnitude lower than certain sensors of the prior art. , which is close to the energy efficiency of a biological retina of the human eye (see “Event-Based Neuromorphic Systems”, Book, S-C Liu et al, Wiley 2015; Table 3.1, page 42). This advantage is notably linked to operation below the threshold of the transistor and to the use of the photodiode in photo voltaic mode.
Le fonctionnement du transistor sous le seuil correspond à l’existence d’un courant drain- source variant exponentiellement avec la tension de commande de grille dans la région dite d’inversion faible du transistor (‘weak-inversion region’ ou ‘subthreshold region’ en anglais) où la tension grille-source est en deçà de la tension de seuil pour laquelle la zone d’inversion apparaît, c’est-à-dire crée un canal de conduction entre le drain et la source. The operation of the transistor below the threshold corresponds to the existence of a drain-source current varying exponentially with the gate control voltage in the so-called weak inversion region of the transistor ('weak-inversion region' or 'subthreshold region'). in English) where the gate-source voltage is below the threshold voltage for which the inversion zone appears, that is to say creates a conduction channel between the drain and the source.
La photodiode fonctionne en mode photovoltaïque circuit ouvert où la tension à ses bornes est strictement positive. Dans ce mode et du fait de la présence du circuit ouvert, la photodiode ne dissipe pas de puissance, contrairement au mode usuel (mode récepteur) dans lequel la photodiode est polarisée en inverse. The photodiode operates in open circuit photovoltaic mode where the voltage across its terminals is strictly positive. In this mode and due to the presence of the open circuit, the photodiode does not dissipate power, unlike the usual mode (receiver mode) in which the photodiode is reverse biased.
Du fait que le courant drain- source du transistor MOS est inversement proportionnel au courant photovoltaïque, l’invention permet d’obtenir une représentation inversée d’une scène visuelle, que ce soit une image statique ou une vidéo, par codage de la luminance perçue à la manière d’un « négatif » si l’on transpose à la photographie. En effet, dans sa version en mode luminance, et lorsque le circuit de lecture comporte un neurone artificiel, le capteur délivre des impulsions électriques avec la plus grande fréquence lorsque l’intensité lumineuse à laquelle il est exposé est la plus faible. Ainsi, un imageur de N*N capteurs reproduit une image « négative » d’une scène visuelle. Due to the fact that the drain-source current of the MOS transistor is inversely proportional to the photovoltaic current, the invention makes it possible to obtain an inverse representation of a visual scene, whether a static image or a video, by coding the perceived luminance in the manner of a “negative” if transposed to photography. Indeed, in its luminance mode version, and when the reading circuit includes an artificial neuron, the sensor delivers electrical pulses with the greatest frequency when the light intensity to which it is exposed is the lowest. Thus, an imager of N*N sensors reproduces a “negative” image of a visual scene.
L’invention repose sur un changement de paradigme pour l’extraction d’une image. En effet, les capteurs optiques événementiels ou à impulsions usuels extraient une image « positive », reconstituée de telle sorte que plus le capteur est illuminé, plus la fréquence des impulsions générées par le capteur est élevée. Pour l’objet de la présente invention, le changement de paradigme existe dans le sens où une image « négative » est extraite. The invention is based on a paradigm shift for image extraction. In fact, the usual event-driven or pulse optical sensors extract a “positive” image, reconstituted in such a way that the more the sensor is illuminated, the higher the frequency of the pulses generated by the sensor. For the purpose of the present invention, the paradigm shift exists in the sense that a “negative” image is extracted.
Le capteur selon l’invention permet un ajustage in situ de la dynamique de codage pour différentes gammes de luminance, pouvant atteindre des niveaux très faibles (< 50 lux). En effet, dans les gammes d’intensité lumineuse rencontrées couramment, notamment en éclairage intérieur, la dynamique (plage de luminance) est ajustable, en particulier via une tension de contrôle, comme il sera détaillé plus loin. The sensor according to the invention allows in situ adjustment of the coding dynamics for different luminance ranges, which can reach very low levels (< 50 lux). Indeed, in the light intensity ranges commonly encountered, particularly in interior lighting, the dynamics (luminance range) is adjustable, in particular via a control voltage, as will be detailed later.
Par « photodiode dans l’obscurité », on entend une photodiode éclairée par une luminance nulle ou faible, située entre 0 et 3000 lux, notamment entre 0 et 1500 lux, mieux entre 0 et 500 lux, encore mieux entre 0 et 50 lux. By “photodiode in the dark”, we mean a photodiode illuminated by zero or low luminance, located between 0 and 3000 lux, in particular between 0 and 1500 lux, better still between 0 and 500 lux, even better between 0 and 50 lux.
Le circuit de lecture peut comporter au moins un neurone artificiel, étant par exemple de type « Octopus » (comme décrit dans « Event-Based Neuromorphic Systems », Book, S-C Liu et al, Wiley 2015 ; Figure 7.4, page 161), « Leaky Integrate and Fire » ou « Axon- Hillock ». The reading circuit may include at least one artificial neuron, for example of the “Octopus” type (as described in “Event-Based Neuromorphic Systems”, Book, S-C Liu et al, Wiley 2015; Figure 7.4, page 161), “ Leaky Integrate and Fire” or “Axon-Hillock”.
De préférence, le neurone artificiel génère des impulsions à une fréquence qui dépend de la puissance optique reçue par ladite au moins une photodiode, la fréquence des impulsions étant inversement proportionnelle à ladite puissance. Preferably, the artificial neuron generates pulses at a frequency which depends on the optical power received by said at least one photodiode, the frequency of the pulses being inversely proportional to said power.
Dans un mode de réalisation, le transistor MOS est un transistor d’activation agencé pour charger la capacité d’intégration lorsque la photodiode reliée à sa grille est dans l’obscurité Le transistor d’activation est préférentiellement de type PMOS dont la grille est connectée à l’anode de la photodiode, le drain à la capacité d’intégration et la source à une tension d’alimentation du capteur. La cathode de la photodiode peut être connectée à la masse. Cela permet un réglage fin de la dynamique, c’est-à-dire du contraste en fréquence (pour un contraste d’intensité lumineuse) d’impulsions électriques générées par un neurone artificiel compris dans le circuit de lecture, en ajustant la tension d’alimentation, comme il sera mis en évidence par les formules ci-après. In one embodiment, the MOS transistor is an activation transistor arranged to charge the integration capacitor when the photodiode connected to its gate is in the dark. The activation transistor is preferably of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the photodiode, the drain to the integration capacitance and the source to a supply voltage of the sensor. The cathode of the photodiode can be connected to ground. This allows fine adjustment of the dynamics, that is to say the frequency contrast (for a light intensity contrast) of electrical pulses generated by an artificial neuron included in the reading circuit, by adjusting the voltage of food, as will be demonstrated by the formulas below.
Alternativement, le transistor d’activation est de type NMOS dont la grille est connectée à la cathode de la photodiode, le drain à une tension d’alimentation du capteur et la source à la capacité d’intégration. L’anode peut être connectée au point chaud de l’alimentation.Alternatively, the activation transistor is of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode, the drain to a supply voltage of the sensor and the source to the integration capacitance. The anode can be connected to the hot spot of the power supply.
Dans un autre mode de réalisation, le transistor MOS est un transistor de désactivation agencé pour décharger la capacité d’intégration lorsque la photodiode reliée à sa grille est dans l’obscurité. In another embodiment, the MOS transistor is a deactivation transistor arranged to discharge the integration capacitance when the photodiode connected to its gate is in the dark.
Le transistor de désactivation est préférentiellement de type PMOS dont la grille est connectée à l’anode de la photodiode, le drain à un miroir de courant connecté à la capacité d’intégration et la source à une tension d’alimentation du capteur. The deactivation transistor is preferably of the PMOS type, the gate of which is connected to the anode of the photodiode, the drain to a current mirror connected to the integration capacitor and the source to a supply voltage of the sensor.
Alternativement, le transistor de désactivation est de type NMOS dont la grille est connectée à la cathode de la photodiode, le drain à une tension d’alimentation du capteur et la source à un miroir de courant connecté à la capacité d’intégration. Alternatively, the deactivation transistor is of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode, the drain to a supply voltage of the sensor and the source to a current mirror connected to the integration capacitor.
Le transistor MOS peut être de technologie standard sur substrat massif. The MOS transistor can be of standard technology on a solid substrate.
Le transistor MOS peut être à déplétion totale, dit MOS sur SOI (« Silicon On Insulator » en anglais, pour silicium sur isolant), constitué d'un empilement d'une couche de silicium (de 50 nm à quelques pm d'épaisseur) sur une couche d'isolant. The MOS transistor can be total depletion, called MOS on SOI (“Silicon On Insulator” in English, for silicon on insulator), consisting of a stack of a layer of silicon (from 50 nm to a few pm thick) on a layer of insulation.
Le transistor MOS peut être un type de transistor non-planaire (transistor 3D), notamment un transistor à effet de champ à ailettes (en anglais « fin field-effect transistor » ou FinFET) qui est un dispositif multi-grille, un transistor à effet de champ MOSFET (FET à structure métal/oxyde/semi-conducteur) construit sur un substrat où la grille est placée sur deux, trois ou quatre côtés du canal, formant un structure à double grille. The MOS transistor can be a type of non-planar transistor (3D transistor), in particular a fin field-effect transistor (FinFET) which is a multi-gate device, a transistor with field effect MOSFET (metal/oxide/semiconductor structure FET) built on a substrate where the gate is placed on two, three or four sides of the channel, forming a double gate structure.
En particulier, le transistor MOS peut être de type GAAFET (gate all around field effect transistor), un dérivé du FinFET, permettant d’atteindre des nœuds technologiques à 5 ou 3 nm. D’autres structures sont encore possibles. In particular, the MOS transistor can be of the GAAFET (gate all around field effect transistor) type, a derivative of FinFET, making it possible to reach technological nodes at 5 or 3 nm. Other structures are still possible.
De préférence, le capteur comporte au moins une cellule photosensible est de type « OFF », la cellule comprenant : Preferably, the sensor comprises at least one photosensitive cell of the “OFF” type, the cell comprising:
Une partie excitatrice comprenant : An exciting part including:
- au moins un transistor MOS d’activation, fonctionnant sous le seuil, dont le courant drain-source influe sur la charge de la capacité d’intégration, et - at least one MOS activation transistor, operating below the threshold, whose drain-source current influences the charge of the integration capacitance, and
- au moins une photodiode fonctionnant en mode photovoltaïque, reliée à la grille de ce transistor d’activation, de telle sorte que le courant drain-source du transistor MOS d’activation est inversement proportionnel au courant photovoltaïque généré par la photodiode, le transistor d’activation étant agencé pour charger la capacité d’intégration lorsque la photodiode est dans l’obscurité; et - at least one photodiode operating in photovoltaic mode, connected to the gate of this activation transistor, such that the drain-source current of the activation MOS transistor is inversely proportional to the photovoltaic current generated by the photodiode, the transistor d activation being arranged to charge the integration capacitance when the photodiode is in the dark; And
Une partie inhibitrice comprenant : An inhibitory part comprising:
- plusieurs transistors MOS de désactivation, fonctionnant sous le seuil, dont les courants drain-source influent sur la charge de la capacité d’intégration, et- several MOS deactivation transistors, operating below the threshold, whose drain-source currents influence the charge of the integration capacitor, and
- plusieurs photodiodes fonctionnant en mode photovoltaïque, chacune étant reliée à la grille d’un des transistors de désactivation, de telle sorte que le courant drain- source de ce transistor est inversement proportionnel au courant photovoltaïque généré par la photodiode associée, le transistor de désactivation étant agencé pour décharger la capacité d’intégration lorsque la photodiode associée est dans l’obscurité, la photodiode associée au transistor d’ activation étant entourée par les photodiodes associées aux transistors de désactivation. - several photodiodes operating in photovoltaic mode, each being connected to the gate of one of the deactivation transistors, such that the drain-source current of this transistor is inversely proportional to the photovoltaic current generated by the associated photodiode, the deactivation transistor being arranged to discharge the integration capacitance when the associated photodiode is in the dark, the photodiode associated with the activation transistor being surrounded by the photodiodes associated with the deactivation transistors.
Ainsi, le capteur est biomimétique, se comportant de la même façon qu’une cellule biologique de type « OFF » ganglion rétinienne. Une telle cellule permet d’extraire les bords orientés dans une image, ce qu’on appelle aussi exaltation des contrastes. Thus, the sensor is biomimetic, behaving in the same way as a biological cell of the “OFF” retinal ganglion type. Such a cell makes it possible to extract the oriented edges in an image, which is also called enhancement of contrasts.
De préférence, le transistor d’activation est de type PMOS dont la grille est connectée à l’anode de la photodiode associée, le drain à la capacité d’intégration et la source à une tension d’alimentation Vddex du capteur. Preferably, the activation transistor is of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the associated photodiode, the drain to the integration capacitance and the source to a supply voltage Vdd ex of the sensor.
Le transistor de désactivation est préférentiellement de type PMOS dont la grille est connectée à l’anode de la photodiode, le drain à un miroir de courant connecté à la capacité d’intégration et la source à une tension d’alimentation Vddinh du capteur. The deactivation transistor is preferably of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the photodiode, the drain to a current mirror connected to the integration capacitor and the source to a supply voltage Vddinh of the sensor.
En variante, le transistor d’activation est de type NMOS dont la grille est connectée à la cathode de la photodiode, le drain à une tension d’alimentation Vddex du capteur et la source à la capacité d’intégration. Alternatively, the activation transistor is of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode, the drain to a supply voltage Vdd ex of the sensor and the source to the integration capacitance.
Le transistor de désactivation peut être de type NMOS dont la grille est connectée à la cathode de la photodiode, le drain à une tension d’alimentation Vddinh du capteur et la source à un miroir de courant connecté à la capacité d’intégration, la tension d’alimentation Vddinh étant préférentiellement égale à Vddex. The deactivation transistor can be of the NMOS type, the gate of which is connected to the cathode of the photodiode, the drain to a supply voltage Vddinh of the sensor and the source to a current mirror connected to the integration capacitor, the supply voltage Vddinh being preferably equal to Vdd ex .
Le capteur peut comporter un ensemble de pixels organisés en matrice comprenant une pluralité de cellules de type « OFF » telles que définies plus haut. The sensor may include a set of pixels organized in a matrix comprising a plurality of “OFF” type cells as defined above.
Dans un mode de réalisation, chaque cellule « OFF » comporte un pixel central correspondant à la partie excitatrice et plusieurs pixels périphériques correspondant à la partie inhibitrice, les pixels périphériques étant notamment au nombre de quatre et les pixels de la cellule « OFF » étant alors préférentiellement agencés sur la matrice sous forme de croix. In one embodiment, each “OFF” cell comprises a central pixel corresponding to the excitatory part and several peripheral pixels corresponding to the inhibitory part, the peripheral pixels being in particular four in number and the pixels of the “OFF” cell then being preferably arranged on the matrix in the form of a cross.
De préférence, chaque pixel comporte une seule photodiode connectée à plusieurs transistors différents de sorte à servir plusieurs cellules « OFF », la photodiode étant notamment connectée à cinq transistors différents dont un transistor d’activation d’un pixel central et quatre transistors de désactivation de pixels périphériques. Preferably, each pixel comprises a single photodiode connected to several different transistors so as to serve several "OFF" cells, the photodiode being in particular connected to five different transistors including an activation transistor of a central pixel and four deactivation transistors of peripheral pixels.
L’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé d’acquisition d’une image ou d’une vidéo, notamment sous un éclairage inférieur ou égal à 3000 lux, en utilisant le capteur selon l’invention. The invention also relates, according to another of its aspects, to a method of acquiring an image or a video, in particular under lighting less than or equal to 3000 lux, using the sensor according to the invention.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : The invention can be better understood on reading the detailed description which follows, non-limiting examples of its implementation, and on examining the appended drawing, in which:
[Fig 1] La figure 1 représente l’évolution de la tension en circuit ouvert d’une photodiode en mode photovoltaïque en fonction de la luminance ; [Fig 1] Figure 1 represents the evolution of the open circuit voltage of a photodiode in photovoltaic mode as a function of luminance;
[Fig 2] la figure 2 illustre schématiquement un premier exemple de capteur selon l’invention 9 [Fig 2] Figure 2 schematically illustrates a first example of a sensor according to the invention 9
[Fig 3] la figure 3 représente schématiquement un deuxième exemple de capteur selon l’invention ; [Fig 3] Figure 3 schematically represents a second example of sensor according to the invention;
[Fig 4] la figure 4 illustre schématiquement un premier exemple de cellule « OFF » d’un capteur selon l’invention ; [Fig 4] Figure 4 schematically illustrates a first example of an “OFF” cell of a sensor according to the invention;
[Fig 5] la figure 5 représente schématiquement un deuxième exemple de cellule « OFF » d’un capteur selon l’invention ; [Fig 6] la figure 6 illustre schématiquement un capteur selon l’invention comportant un ensemble de pixels ; [Fig 5] Figure 5 schematically represents a second example of an “OFF” cell of a sensor according to the invention; [Fig 6] Figure 6 schematically illustrates a sensor according to the invention comprising a set of pixels;
[Fig 7] la figure 7 illustre schématiquement une simulation d’un capteur selon l’invention comportant un ensemble de pixels ; [Fig 7] Figure 7 schematically illustrates a simulation of a sensor according to the invention comprising a set of pixels;
[Fig 8] la figure 8 représente la réponse temporelle de différents pixels d’un capteur selon l’invention dans un environnement correspondant à un stade éclairé de nuit ; [Fig 8] Figure 8 represents the temporal response of different pixels of a sensor according to the invention in an environment corresponding to a stadium lit at night;
[Fig 9] la figure 9 illustre la réponse temporelle de différents pixels d’un capteur selon l’invention dans un environnement correspondant à un appartement bien éclairé ; [Fig 9] Figure 9 illustrates the temporal response of different pixels of a sensor according to the invention in an environment corresponding to a well-lit apartment;
[Fig 10] la figure 10 représente le résultat de la simulation d’une cellule « OFF » selon l’invention à différentes luminances ; [Fig 10] Figure 10 represents the result of the simulation of an “OFF” cell according to the invention at different luminances;
[Fig 11] la figure 11 illustre schématiquement le résultat expérimental, à différentes luminances et à une tension d’alimentation donnée, obtenu pour les impulsions électriques générées par un capteur selon l’invention comportant un ensemble de pixels ; [Fig 11] Figure 11 schematically illustrates the experimental result, at different luminances and at a given supply voltage, obtained for the electrical pulses generated by a sensor according to the invention comprising a set of pixels;
[Fig 12] la figure 12 est analogue à la figure 11 avec changement de la tension d’alimentation ; [Fig 12] Figure 12 is similar to Figure 11 with change in the supply voltage;
[Fig 13] la figure 13 résume les résultats expérimentaux issus des figures 11 et 12 en représentant la fréquence des impulsions électriques générées en fonction de la luminance ; [Fig 14] la figure 14 illustre schématiquement les impulsions générées par un neurone artificiel de type Octopus relié à un capteur selon l’invention ; et [Fig 13] Figure 13 summarizes the experimental results from Figures 11 and 12 by representing the frequency of the electrical pulses generated as a function of luminance; [Fig 14] Figure 14 schematically illustrates the pulses generated by an artificial neuron of the Octopus type connected to a sensor according to the invention; And
[Fig 15] la figure 15 est similaire à la figure 14 avec changement de la tension d’alimentation. [Fig 15] Figure 15 is similar to Figure 14 with change in supply voltage.
Description détaillée detailed description
On a illustré schématiquement à la figure 1 une courbe de l’évolution de la tension en circuit ouvert d’une photodiode en mode photovoltaïque en fonction de la luminance. La photodiode est par exemple de technologie TSMC 65 nm. L’axe des ordonnées représente la tension en circuit ouvert Vco de la photodiode en mV, et l’axe des abscisses représente la luminance en lux. Cette courbe est croissante avec différentes pentes. La zone d’intérêt pour couvrir la majeure partie des applications de l’invention est encerclée en pointillés et se situe entre 0 et 1000 lux, ce qui correspond à une tension en circuit ouvert comprise entre 200 mV et 400 mV. La figure 2 illustre schématiquement un premier exemple de capteur optique 1 selon l’invention. Un tel capteur peut comporter un transistor PMOS 31, une photodiode 21, une capacité d’intégration Cm et un circuit de lecture 10. We have schematically illustrated in Figure 1 a curve of the evolution of the open circuit voltage of a photodiode in photovoltaic mode as a function of the luminance. The photodiode is for example TSMC 65 nm technology. The ordinate axis represents the open circuit voltage V co of the photodiode in mV, and the abscissa axis represents the luminance in lux. This curve is increasing with different slopes. The zone of interest to cover the majority of applications of the invention is circled in dotted lines and is between 0 and 1000 lux, which corresponds to an open circuit voltage of between 200 mV and 400 mV. Figure 2 schematically illustrates a first example of optical sensor 1 according to the invention. Such a sensor may include a PMOS transistor 31, a photodiode 21, an integration capacitance C m and a reading circuit 10.
La photodiode 21 est reliée à la grille du transistor 31 par son anode, sa cathode étant connectée à la masse. Le drain du transistor 31 est connecté à une borne de la capacité d’intégration Cm constituant également une entrée-sortie du circuit de lecture 10. Photodiode 21 is connected to the gate of transistor 31 by its anode, its cathode being connected to ground. The drain of transistor 31 is connected to a terminal of the integration capacitor C m also constituting an input-output of the read circuit 10.
La photodiode 21 fonctionne en mode photovoltaïque circuit ouvert où la tension à ses bornes est strictement positive, Vco > 0, et le courant la traversant est nul. Dans ce mode, la photodiode ne dissipe pas d’énergie, contrairement au mode usuel (mode photoconducteur) dans lequel la photodiode est polarisée en inverse. The photodiode 21 operates in open circuit photovoltaic mode where the voltage across its terminals is strictly positive, V co > 0, and the current passing through it is zero. In this mode, the photodiode does not dissipate energy, unlike the usual mode (photoconductor mode) in which the photodiode is reverse biased.
La tension Vco générée par la photodiode est égale à : The voltage Vco generated by the photodiode is equal to:
[Math 1]
Figure imgf000010_0001
k T
[Math 1]
Figure imgf000010_0001
k T
Avec Vt = — , la tension thermique étant proche de 25 mV pour une température ambiante de 300 K, Iph le courant photovoltaïque généré par la photodiode et Is le courant de saturation de la jonction PN de la photodiode. Celle-ci est considérée idéale, i.e. le facteur d’idéalité de la jonction est égal à 1. With V t = —, the thermal voltage being close to 25 mV for an ambient temperature of 300 K, I ph the photovoltaic current generated by the photodiode and I s the saturation current of the PN junction of the photodiode. This is considered ideal, ie the ideality factor of the junction is equal to 1.
On peut relever qu’avec une telle configuration du circuit, pour une tension d’alimentation Vdd fixée, le potentiel de source n’est pas « flottant ». En effet, la tension grille-source qui commande le courant Id du transistor MOS 31 est égale à : It can be noted that with such a configuration of the circuit, for a fixed supply voltage Vdd, the source potential is not “floating”. Indeed, the gate-source voltage which controls the current Id of the MOS transistor 31 is equal to:
[Math 2] [Math 2]
Vsg = Vdd - vco V sg = Vdd - v co
En pratique, cette tension sera réglée de préférence de telle sorte que le transistor MOS 31 fonctionne sous le seuil, afin d’assurer une consommation de puissance relativement faible du capteur optique. In practice, this voltage will preferably be adjusted such that the MOS transistor 31 operates below the threshold, in order to ensure relatively low power consumption of the optical sensor.
Le transistor 31 fonctionne sous le seuil, c’est-à-dire dans la région d’inversion faible où la tension grille-source est inférieure à la tension de seuil : VSG < Vth. Le courant de drain varie alors exponentiellement avec la tension VSG. Transistor 31 operates below the threshold, that is to say in the weak inversion region where the gate-source voltage is lower than the threshold voltage: VSG < Vth. The drain current then varies exponentially with the voltage VSG.
Ainsi, la caractéristique courant-tension pour le transistor MOS 31 est la suivante : [Math 3]
Figure imgf000011_0001
Thus, the current-voltage characteristic for the MOS transistor 31 is as follows: [Math 3]
Figure imgf000011_0001
Pour Vsci > 3.Vt, avec n le facteur d’idéalité du MOSFET. Ip correspond à un courant dépendant de paramètres géométriques (longueur et largeur de grille, épaisseur d’oxyde) et technologiques (tel que le dopage du substrat) d’un transistor MOS. For V sci > 3.V t , with n the ideality factor of the MOSFET. I p corresponds to a current depending on geometric parameters (gate length and width, oxide thickness) and technological parameters (such as doping of the substrate) of a MOS transistor.
Dans cette configuration de circuit du capteur, le transistor MOS 31 est un transistor d’activation agencé pour charger la capacité d’intégration Cm lorsque la photodiode 21 reliée à sa grille est dans l’obscurité. Si le circuit de lecture 10 était un neurone artificiel, le courant de charge Iex de la capacité d’intégration Cm serait un courant d’excitation du neurone, qui est par ailleurs égal au courant de drain la. En introduisant l’équation 2 dans l’équation 3 et en remplaçant la par Iex, on obtient : [Math 4]
Figure imgf000011_0002
In this sensor circuit configuration, the MOS transistor 31 is an activation transistor arranged to charge the integration capacitance C m when the photodiode 21 connected to its gate is in the dark. If the reading circuit 10 were an artificial neuron, the load current I ex of the integration capacitance C m would be an excitation current of the neuron, which is otherwise equal to the drain current la. By introducing equation 2 into equation 3 and replacing it with I ex , we obtain: [Math 4]
Figure imgf000011_0002
En introduisant l’équation 1 dans l’équation 4, on obtient : [Math 5]
Figure imgf000011_0003
By introducing equation 1 into equation 4, we obtain: [Math 5]
Figure imgf000011_0003
Si l’on considère le cas idéal où n=l (ce qui correspond à une pente sous le seuil idéale pour un MOSFET), on obtient : [Math 6]
Figure imgf000011_0004
If we consider the ideal case where n=l (which corresponds to a slope below the ideal threshold for a MOSFET), we obtain: [Math 6]
Figure imgf000011_0004
Cette dernière équation démontre que le courant d’excitation Iex (le courant drain-source la du transistor MOS) est inversement proportionnel au courant photovoltaïque Iph, ce qui signifie que le capteur optique selon l’invention se distingue clairement du fonctionnement des capteurs optiques à impulsions conventionnels. En effet, des impulsions électriques seront générées par le neurone artificiel 10 à très faible luminance. La fréquence de ces impulsions diminue lorsque l’intensité lumineuse augmente. This last equation demonstrates that the excitation current I ex (the drain-source current la of the MOS transistor) is inversely proportional to the photovoltaic current I p h, which means that the optical sensor according to the invention is clearly distinguishable from the operation of the conventional optical pulse sensors. In fact, electrical pulses will be generated by the artificial neuron 10 at very low luminance. The frequency of these pulses decreases as light intensity increases.
Par ailleurs, l’équation 6 montre qu’un réglage fin de la dynamique, c’est-à-dire du contraste en fréquence (pour un contraste d’intensité lumineuse donné) des impulsions électriques générées par le neurone artificiel, est possible, en ajustant la tension d’alimentation Vdd. Le capteur selon l’invention offre ainsi une possibilité de réglage efficace pour la dynamique, en particulier pour s’adapter aux niveaux d’éclairement en intérieur (50 à 3000 lux, niveaux rencontrés pour des locaux domestiques et/ou bâtiments industriels) pour de nombreuses applications. Furthermore, equation 6 shows that fine adjustment of the dynamics, that is to say the frequency contrast (for a given light intensity contrast) of the electrical pulses generated by the artificial neuron, is possible, by adjusting the supply voltage Vdd. The sensor according to the invention thus offers a possibility of effective adjustment for the dynamics, in particular to adapt to indoor lighting levels (50 to 3000 lux, levels encountered for domestic premises and/or industrial buildings) for many applications.
La figure 3 représente schématiquement un deuxième exemple de capteur selon l’invention qui est une variante du circuit de la figure 2 où le transistor MOS 31 est de type NMOS. Sa grille est connectée à la cathode de la photodiode 21, son drain à la tension d’alimentation Vdd du capteur et sa source à la capacité d’intégration Cm. Dans cet exemple aussi, le transistor 31 est un transistor d’activation agencé pour charger la capacité lorsque la photodiode est dans l’obscurité. Figure 3 schematically represents a second example of sensor according to the invention which is a variant of the circuit of Figure 2 where the MOS transistor 31 is of the NMOS type. Its gate is connected to the cathode of photodiode 21, its drain to the supply voltage Vdd of the sensor and its source to the integration capacitance C m . In this example also, transistor 31 is an activation transistor arranged to charge the capacitor when the photodiode is in the dark.
Cependant, contrairement à l’exemple précédent, le potentiel de la source du transistor MOS est « flottant » dans cette implémentation, la tension grille-source étant égale à : However, unlike the previous example, the source potential of the MOS transistor is “floating” in this implementation, the gate-source voltage being equal to:
[Math 7] [Math 7]
^gs Vdd VÇQ Vmem ^gs Vdd VÇQ V mem
Où Vmem est la tension aux bornes de la capacité de membrane, dite tension de membrane du neurone artificiel 10. Where V mem is the voltage across the membrane capacitance, called the membrane voltage of the artificial neuron 10.
Ceci altère la commande du courant drain du transistor (ou courant d’excitation) qui va dépendre de la tension de membrane Vmem. This alters the control of the drain current of the transistor (or excitation current) which will depend on the membrane voltage V mem .
Les circuits de capteur décrits ci-dessus peuvent être utilisés pour réaliser des cellules « OFF ». The sensor circuits described above can be used to make “OFF” cells.
La figure 4 représente schématiquement un premier exemple de cellule « OFF » d’un capteur selon l’invention. La cellule « OFF » 101 comporte un pixel central PC, formant une partie excitatrice 102 de la cellule, et quatre pixels périphériques N, E, S, O formant une partie inhibitrice 103 de la cellule. Le pixel central PC est relié à chacun des pixels périphériques N, E, S, O au niveau du potentiel de membrane, partageant ainsi le même circuit lecture 10 qui peut être un neurone artificiel. Figure 4 schematically represents a first example of an “OFF” cell of a sensor according to the invention. The “OFF” cell 101 comprises a central pixel PC, forming an excitatory part 102 of the cell, and four peripheral pixels N, E, S, O forming an inhibitory part 103 of the cell. The central pixel PC is connected to each of the peripheral pixels N, E, S, O at the level of the membrane potential, thus sharing the same reading circuit 10 which can be an artificial neuron.
La partie excitatrice 102 comprend le même circuit de la figure 2, à savoir un transistor PMOS d’activation 31 et une photodiode 21 reliée par son anode à la grille de ce transistor. Cette partie excitatrice est alimentée par une tension Vddex. Chaque pixel N, E, S, O de la partie inhibitrice 103 est similaire au circuit de la figure 2, à la différence que le transistor est un transistor de désactivation 32 dont le drain est connecté à un miroir de courant 34 relié à la capacité d’intégration Cm, et la source du transistor est connectée à une tension d’alimentation Vddinh. Ainsi, au courant d’excitation i_exc se retranche la somme de tous les courants d’inhibition i_inh, somme « pondérée » en fonction de l’intensité lumineuse présente aux pixels N, E, S, O. The exciting part 102 comprises the same circuit of Figure 2, namely a PMOS activation transistor 31 and a photodiode 21 connected by its anode to the gate of this transistor. This exciting part is supplied by a voltage Vdd ex . Each pixel N, E, S, O of the inhibitory part 103 is similar to the circuit of Figure 2, with the difference that the transistor is a deactivation transistor 32 whose drain is connected to a current mirror 34 connected to the capacitor of integration C m , and the source of the transistor is connected to a supply voltage Vddinh. Thus, from the excitation current i_exc the sum of all the inhibition currents i_inh is subtracted, a sum “weighted” according to the light intensity present at pixels N, E, S, O.
H est à noter également que cette architecture offre la possibilité d’optimiser les contrastes par l’ajustement de Vddinh. It should also be noted that this architecture offers the possibility of optimizing contrasts by adjusting Vddinh.
La cellule « OFF » est aussi possible à implémenter en utilisant l’architecture représentée à la figure 5, en utilisant des transistors MOS de type N pour les parties excitatrice et inhibitrice couplées à la photodiode. La partie excitatrice 102 comprend le même circuit de la figure 3, à savoir un transistor NMOS d’activation 31 et une photodiode 21 reliée par sa cathode à la grille de ce transistor. Cette partie excitatrice est alimentée par une tension Vddex. The “OFF” cell is also possible to implement using the architecture shown in Figure 5, using N-type MOS transistors for the excitation and inhibitory parts coupled to the photodiode. The exciting part 102 comprises the same circuit of Figure 3, namely an NMOS activation transistor 31 and a photodiode 21 connected by its cathode to the gate of this transistor. This exciting part is powered by a voltage Vddex.
Chaque pixel N, E, S, O de la partie inhibitrice 103 est similaire au circuit de la figure 3, à la différence que le transistor est un transistor de désactivation 32 dont la source est connectée à un miroir de courant 34 relié à la capacité d’intégration Cm, et le drain du transistor est connecté à une tension d’alimentation Vddinh. Each pixel N, E, S, O of the inhibitory part 103 is similar to the circuit of Figure 3, with the difference that the transistor is a deactivation transistor 32 whose source is connected to a current mirror 34 connected to the capacitor of integration C m , and the drain of the transistor is connected to a supply voltage Vddinh.
Comparée à la première architecture, cette deuxième architecture de cellule « OFF » présente l’inconvénient d’avoir les sources des transistors flottantes. Compared to the first architecture, this second “OFF” cell architecture has the disadvantage of having the sources of the transistors floating.
La figure 6 illustre schématiquement un capteur selon l’invention comportant un ensemble de pixels 100 organisés en matrice comprenant une pluralité de cellules de type « OFF » 101. Chaque cellule « OFF » 101 comporte un pixel central PC et quatre pixels périphériques N, E, S, O, agencés de sorte à former une croix sur la matrice, les pixels périphériques étant nommés après les quatre points cardinaux NORD, EST, SUD, OUEST, selon leur orientation par rapport au pixel central PC. Figure 6 schematically illustrates a sensor according to the invention comprising a set of pixels 100 organized in a matrix comprising a plurality of “OFF” type cells 101. Each “OFF” cell 101 comprises a central pixel PC and four peripheral pixels N, E , S, O, arranged so as to form a cross on the matrix, the peripheral pixels being named after the four cardinal points NORTH, EAST, SOUTH, WEST, according to their orientation relative to the central pixel PC.
Dans cet exemple de matrice, chaque pixel 100 comporte une seule photodiode connectée à plusieurs transistors différents, de sorte à servir plusieurs cellules « OFF » 101, la photodiode étant alors connectée à cinq transistors différents dont un transistor d’activation 31 d’un pixel central PC et quatre transistors de désactivation 32 de pixels périphériques N, E, S, O. Pour des raisons de simplification, on désignera une cellule « OFF » par les coordonnées de son pixel central sur la matrice. Ainsi, lorsqu’on indique qu’une cellule est labellisée (C8, L8), cela signifie que son pixel central est situé à la colonne 8 et à la ligne 8 de la matrice. In this example of matrix, each pixel 100 comprises a single photodiode connected to several different transistors, so as to serve several “OFF” cells 101, the photodiode then being connected to five different transistors including an activation transistor 31 of one pixel central PC and four deactivation transistors 32 of peripheral pixels N, E, S, O. For reasons of simplification, we will designate an “OFF” cell by the coordinates of its central pixel on the matrix. Thus, when we indicate that a cell is labeled (C8, L8), this means that its central pixel is located at column 8 and row 8 of the matrix.
La même photodiode est par exemple utilisée à la fois pour le pixel central la cellule « OFF » labellisée (C8, L8), que pour les pixels périphériques des cellules « OFF » adjacentes dont les pixels centraux ont les mêmes coordonnées que les pixels périphériques de la cellule « OFF » en question. Les pixels périphériques des cellules « OFF » adjacentes sont : The same photodiode is for example used both for the central pixel of the labeled “OFF” cell (C8, L8), and for the peripheral pixels of the adjacent “OFF” cells whose central pixels have the same coordinates as the peripheral pixels of the “OFF” cell in question. The peripheral pixels of adjacent “OFF” cells are:
- le pixel EST de la cellule labellisée (C7, L8), - the EST pixel of the labeled cell (C7, L8),
- le pixel OUEST de la cellule labellisée (C9, L8), - the WEST pixel of the labeled cell (C9, L8),
- le pixel SUD de la cellule labellisée (C8, L7), et - the SOUTH pixel of the labeled cell (C8, L7), and
- le pixel NORD de la cellule labellisée (C8, L9). - the NORTH pixel of the labeled cell (C8, L9).
Ainsi, si l’on considère que la matrice de pixels est conçue selon la première architecture de cellule « OFF » représentée à la figure 4, implémentée avec des transistors PMOS, cinq interconnexions partent de l’anode de la photodiode partagée vers des grilles de transistors PMOS (dont un transistor d’activation d’un pixel central PC et quatre transistors de désactivation de pixels périphériques), ce qui requiert un routage mais ne pose pas de problème de sortance (grâce à l’impédance d’entrée très élevée présentée par ces transistors). Vu que les sources de transistors ne sont pas flottantes dans cette première architecture, il est possible d’avoir une seule photodiode par pixel, partagée entre plusieurs cellules « OFF », tout en ayant deux tensions d’alimentation différentes Vddex et Vddinh. Thus, if we consider that the pixel matrix is designed according to the first “OFF” cell architecture shown in Figure 4, implemented with PMOS transistors, five interconnections go from the anode of the shared photodiode to grids of PMOS transistors (including an activation transistor for a central PC pixel and four peripheral pixel deactivation transistors), which requires routing but does not pose a fan-out problem (thanks to the very high input impedance presented by these transistors). Since the transistor sources are not floating in this first architecture, it is possible to have a single photodiode per pixel, shared between several “OFF” cells, while having two different supply voltages Vdd ex and Vddinh.
Cependant, si l’on considère que la matrice de pixels est conçue selon la deuxième architecture de cellule « OFF » illustrée à la figure 5, implémentée avec des transistors NMOS, cinq interconnexions partent aussi de la cathode de la photodiode partagée vers des grilles de transistors NMOS. Toutefois, afin de maintenir un potentiel identique sur les grilles des transistors, il n’est possible d’avoir qu’une seule photodiode par pixel, partagée entre plusieurs cellules « OFF », que lorsque Vddex = Vddinh. Sinon, il faudra deux photodiodes par pixel, ce qui réduit l’intérêt. However, if we consider that the pixel matrix is designed according to the second "OFF" cell architecture illustrated in Figure 5, implemented with NMOS transistors, five interconnections also go from the cathode of the shared photodiode to grids of NMOS transistors. However, in order to maintain an identical potential on the transistor gates, it is only possible to have a single photodiode per pixel, shared between several “OFF” cells, when Vdd ex = Vddinh. Otherwise, two photodiodes per pixel will be required, which reduces the interest.
La première architecture est donc préférée, non seulement parce qu’elle n’utilise qu’une seule photodiode par pixel, mais aussi parce qu’elle permet un réglage fin des contrastes par l’ajustement de Vddinh. The first architecture is therefore preferred, not only because it uses only one photodiode per pixel, but also because it allows fine adjustment of contrasts by Vddinh adjustment.
Afin de montrer les potentialités du capteur optique selon l’invention, une matrice de pixels 64*64 a été simulée. La figure 7 illustre schématiquement cette simulation. Il est procédé à une lecture séquentielle pendant 50 ps de chaque pixel illuminé (50 / 100 / 250 / 500 / 1000 / 5000 lux), l’un après l’autre. Ainsi, lorsqu’un pixel illuminé est connecté au neurone artificiel 10, ce dernier encode l’intensité lumineuse sous la forme d’impulsions électriques - codage temporel et fréquentiel -, comme pour une rétine biologique. H est à noter que les courants de fuite (inhibiteurs) associés aux pixels dans l’obscurité (pixels non éclairés - luminance de 0 lux - qui ne sont jamais sélectionnés dans les simulations données ci-après) ont été pris en compte dans la simulation. In order to show the potential of the optical sensor according to the invention, a 64*64 pixel matrix was simulated. Figure 7 schematically illustrates this simulation. A sequential reading is carried out for 50 ps of each illuminated pixel (50 / 100 / 250 / 500 / 1000 / 5000 lux), one after the other. Thus, when an illuminated pixel is connected to the artificial neuron 10, the latter encodes the light intensity in the form of electrical pulses - time and frequency coding -, as for a biological retina. It should be noted that the leakage currents (inhibitors) associated with pixels in the dark (unilluminated pixels - luminance of 0 lux - which are never selected in the simulations given below) were taken into account in the simulation .
La figure 8 représente la réponse temporelle de différents pixels d’un capteur selon l’invention dans un environnement correspondant à un stade éclairé de nuit avec une intensité lumineuse maximale de 1500 lux. Il s’agit de la réponse en fonction du temps de six pixels, du moins au plus illuminé, embarqués dans une matrice de 64*64 pixels (les autres pixels étant dans l’obscurité, c’est-à-dire, une luminance de 0 lux), chaque pixel ayant une luminance différente. Figure 8 represents the temporal response of different pixels of a sensor according to the invention in an environment corresponding to a stadium lit at night with a maximum light intensity of 1500 lux. This is the response as a function of time of six pixels, from least to most illuminated, embedded in a matrix of 64*64 pixels (the other pixels being in darkness, that is to say, a luminance of 0 lux), each pixel having a different luminance.
La tension de membrane du neurone artificiel est tracée en fonction du temps. Le neurone réagit promptement à la variation d’intensité lumineuse observée lors d’un passage d’un pixel illuminé à un autre. Pour cet exemple, la tension d’alimentation Vdd a été ajustée de telle sorte que, lorsque l’intensité lumineuse varie de 50 à 5000 lux (2 ordres de grandeur entre le pixel le moins illuminé à celui qui l’est le plus), le ratio d’impulsions électriques délivrées par le neurone (et donc la fréquence) soit supérieur à 10 (ratio correspondant au nombre d’impulsions pour 50 lux divisé par le nombre d’impulsions pour 5000 lux). The membrane voltage of the artificial neuron is plotted as a function of time. The neuron reacts promptly to the variation in light intensity observed when passing from one illuminated pixel to another. For this example, the supply voltage Vdd was adjusted such that, when the light intensity varies from 50 to 5000 lux (2 orders of magnitude between the least illuminated pixel and the most illuminated pixel), the ratio of electrical pulses delivered by the neuron (and therefore the frequency) is greater than 10 (ratio corresponding to the number of pulses for 50 lux divided by the number of pulses for 5000 lux).
La figure 9 illustre schématiquement la réponse temporelle de différents pixels d’un capteur selon l’invention dans un environnement correspondant à un appartement bien éclairé avec une intensité lumineuse maximale de 400 lux. Il s’agit de la réponse en fonction du temps de six pixels, du moins au plus illuminé, embarqués dans une matrice de 64*64 pixels (les autres pixels étant dans l’obscurité), chaque pixel ayant une luminance différente. Figure 9 schematically illustrates the temporal response of different pixels of a sensor according to the invention in an environment corresponding to a well-lit apartment with a maximum light intensity of 400 lux. This is the response as a function of time of six pixels, from least to most illuminated, embedded in a matrix of 64*64 pixels (the other pixels being in darkness), each pixel having a different luminance.
La tension d’alimentation Vdd a été ajustée de façon à augmenter le ratio - supérieur à 10 - entre le nombre d’impulsions électriques, lorsque l’intensité lumineuse varie de 50 à 500 lux (pour le cas précédent, ce ratio pour cette variation d’intensité lumineuse était de 3, alors qu’il était de 10 lorsque l’intensité lumineuse variait de 50 à 5000 lux). The supply voltage Vdd has been adjusted so as to increase the ratio - greater than 10 - between the number of electrical pulses, when the light intensity varies from 50 to 500 lux (for the previous case, this ratio for this variation light intensity was 3, while it was 10 when the light intensity varied from 50 to 5000 lux).
La figure 10 représente schématiquement le résultat de la simulation d’une cellule « OFF » selon l’invention à différentes luminances. La cellule « OFF » de la figure 4 a été utilisée pour la simulation illustrée sur la figure 10. On observe clairement que lorsque le pixel central est plus illuminé (1000 lux), la fréquence des impulsions électriques délivrée par le neurone artificiel diminue (par rapport à une illumination de seulement 100 lux), fonctionnement mimant parfaitement la biologie. Figure 10 schematically represents the result of the simulation of an “OFF” cell according to the invention at different luminances. The “OFF” cell in Figure 4 was used for the simulation illustrated in Figure 10. We clearly observe that when the central pixel is more illuminated (1000 lux), the frequency of the electrical pulses delivered by the artificial neuron decreases (compared to illumination of only 100 lux), functioning perfectly mimicking biology.
Afin de valider expérimentalement le concept du capteur optique à image négative, une puce 64*64 pixels a été conçue. Cette puce a pu être mesurée sous pointes, dans des conditions de faibles luminances comme celles présentées pour les simulations précédentes. Pour la caractérisation, la réponse du neurone artificiel a été mesurée pour un pixel, pour différentes conditions de luminances. Un premier résultat expérimental est illustré à la figure 11, avec un pixel observé pendant 50 ps, d’une situation correspondant à la pièce dans « l’obscurité » (1 lux, figure 11 (a)) jusqu’à un éclairement sur la puce de 1300 lux (figure 11 (c)), la tension d’alimentation du pixel étant de 600 mV et celle du neurone 300 mV. In order to experimentally validate the concept of the negative image optical sensor, a 64*64 pixel chip was designed. This chip could be measured under tips, in low luminance conditions like those presented for the previous simulations. For characterization, the response of the artificial neuron was measured for a pixel, for different luminance conditions. A first experimental result is illustrated in Figure 11, with a pixel observed for 50 ps, from a situation corresponding to the room in “darkness” (1 lux, Figure 11 (a)) until illumination on the 1300 lux chip (figure 11 (c)), the supply voltage of the pixel being 600 mV and that of the neuron 300 mV.
De la figure 11, plusieurs enseignements peuvent être tirés. En effet, conformément à la théorie : From Figure 11, several lessons can be learned. Indeed, in accordance with the theory:
(i) le pixel génère bien des spikes dans l’obscurité, (i) the pixel generates spikes in the dark,
(ii) à lumière ambiante (intensité lumineuse ~ 1000 lux, correspondant à la figure 11 (b)), la fréquence des impulsions électriques diminue, (ii) at ambient light (light intensity ~ 1000 lux, corresponding to Figure 11 (b)), the frequency of the electrical pulses decreases,
(iii) si l’on accroît l’intensité lumineuse (~ 1300 lux, correspondant à la figure 11 (c)), la fréquence continue à décroître. Il est à noter que si l’on continue à augmenter la luminance, le neurone ne générera plus d’impulsions électriques. (iii) if we increase the light intensity (~ 1300 lux, corresponding to Figure 11 (c)), the frequency continues to decrease. It should be noted that if we continue to increase the luminance, the neuron will no longer generate electrical impulses.
Pour vérifier la possibilité d’ajuster la dynamique d’intensité lumineuse (et/ou de fréquence d’impulsions générées par le neurone) par le réglage de la tension d’alimentation du pixel, cette dernière a été augmentée à 700 mV, la tension d’alimentation du neurone restant la même. Les résultats sont présentés à la figure 12. On observe clairement une augmentation de la dynamique d’intensité lumineuse du pixel : à 1000 lux et à 1300 lux, plus d’impulsions sont générées par rapport à la figure 11. To check the possibility of adjusting the dynamics of light intensity (and/or frequency of pulses generated by the neuron) by adjusting the pixel supply voltage, the latter was increased to 700 mV, the voltage power supply of the neuron remaining the same. The results are presented in Figure 12. We clearly observe an increase in the dynamic light intensity of the pixel: at 1000 lux and 1300 lux, more pulses are generated compared to Figure 11.
La figure 13 résume les résultats des figures 11 et 12 en représentant schématiquement la fréquence des impulsions électriques en kHz générées en fonction de la luminosité en lux. Cette figure illustre la possibilité de contrôler la dynamique d’intensité lumineuse du capteur optique via la tension d’alimentation du pixel, afin qu’il s’adapte aux conditions d’éclairement de son environnement. Ces résultats expérimentaux confortent les résultats montrés en simulation précédemment (figures 8 et 9). Figure 13 summarizes the results of Figures 11 and 12 by schematically representing the frequency of the electrical pulses in kHz generated as a function of the brightness in lux. This figure illustrates the possibility of controlling the dynamic light intensity of the optical sensor via the pixel supply voltage, so that it adapts to the lighting conditions of its environment. These experimental results support the results shown in simulation previously (figures 8 and 9).
La puce électronique intégrant le capteur avec le circuit de lecture peut être encapsulée de façon conventionnelle dans un boîtier. Alternativement, une colle d’enrobage polymérisable sous rayonnement UV ou sous l’effet de la chaleur fait office de résine d’encapsulation ou d’enrobage répondant aux contraintes mécaniques et d’humidité. Sans solvant et avec une grande pureté ionique, une telle colle protège de la corrosion et permet une grande fiabilité et durabilité de la puce. The electronic chip integrating the sensor with the reading circuit can be encapsulated in a conventional manner in a housing. Alternatively, a polymerizable coating glue under UV radiation or under the effect of heat acts as an encapsulation resin or coating responding to mechanical and humidity constraints. Solvent-free and with high ionic purity, such glue protects against corrosion and allows great reliability and durability of the chip.
La figure 14 illustre schématiquement les impulsions générées par un neurone artificiel de type Octopus relié à un capteur selon l’invention tel que décrit à la figure 2. Ces impulsions ont une fréquence d’environ 386 kHz, et ont été obtenues avec une tension d’alimentation du pixel à 550 mV et une tension de la photodiode Vco = 350 mV. Cet exemple corrobore la possibilité d’ajuster la fréquence d’impulsions générées par le neurone par le réglage de la tension d’alimentation du pixel. Figure 14 schematically illustrates the pulses generated by an artificial neuron of the Octopus type connected to a sensor according to the invention as described in Figure 2. These pulses have a frequency of approximately 386 kHz, and were obtained with a voltage of power supply of the pixel at 550 mV and a photodiode voltage V co = 350 mV. This example corroborates the possibility of adjusting the frequency of pulses generated by the neuron by adjusting the pixel supply voltage.
La figure 15 est similaire à la figure 14 avec augmentation de la tension d’alimentation du pixel de 100 mV. La fréquence des impulsions augmente alors à environ 4,5 MHz. Figure 15 is similar to Figure 14 with the pixel supply voltage increased by 100 mV. The pulse frequency then increases to approximately 4.5 MHz.
Les applications potentielles de l’invention concernent les domaines de l’électronique embarquée, c’est-à-dire ne pouvant bénéficier d’un raccord au réseau électrique. Pour ces applications, l’installation d’un capteur selon l’invention en sera facilitée, car aucune modification des infrastructures n’est requise pour alimenter le capteur, une pile ou batterie étant suffisante. Dans ce contexte, les applications sont nécessairement celles de l’Internet des Objets où une information visuelle aussi rudimentaire soit-elle est requise. Des exemples peuvent être cités dans le domaine de la domotique (notamment aide aux personnes âgées) et des transports (comptage de personnes dans les bus, métro, gares ferroviaires et terrestres, aéroports). La déclinaison de ces applications pourra être effectuée dans les lieux très sombres, puisque l’invention permet d’ajuster la dynamique de codage dans les gammes de luminance basse (<50 lux). The potential applications of the invention concern the fields of on-board electronics, that is to say those which cannot benefit from connection to the electrical network. For these applications, the installation of a sensor according to the invention will be facilitated, because no modification of the infrastructure is required to power the sensor, a battery being sufficient. In this context, the applications are necessarily those of the Internet of Things where visual information, however rudimentary it may be, is required. Examples can be cited in the field of home automation (particularly helping the elderly) and transport (counting people on buses, metro, railway and land stations, airports). The variation of these applications can be carried out in very dark places, since the invention makes it possible to adjust the coding dynamics in the low luminance ranges (<50 lux).
L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus. Par exemple, il est possible de prévoir un autre agencement des pixels de la cellule « OFF » de la matrice. Par exemple, la croix décrite ci-avant peut être tournée d’un angle de 45°, c’est-à-dire être en « X » sur la matrice de pixels plutôt qu’en « + », les pixels périphériques occupant alors les orientations nord-est, nord-ouest, sud-est et sud-ouest. Les pixels périphériques peuvent également être au nombre de huit, au lieu de quatre. The invention is not limited to the exemplary embodiments described above. For example, it is possible to provide another arrangement of pixels in the “OFF” cell of the matrix. For example, the cross described above can be rotated by an angle of 45°, that is to say be in an "X" on the pixel matrix rather than in a "+", the peripheral pixels then occupying the northeast, northwest, southeast and southwest orientations. The peripheral pixels can also be eight in number, instead of four.
On peut associer au capteur différentes lentilles ou optiques, par exemple à focale fixe ou variable. Different lenses or optics can be associated with the sensor, for example with fixed or variable focal length.

Claims

Revendications Claims
1. Capteur optique (1) comportant : une capacité d’intégration (Cm), un circuit de lecture (10) de la charge de la capacité d’intégration (Cm), au moins un transistor MOS (31 ; 32) fonctionnant sous le seuil, dont le courant drain-source influe sur la charge de la capacité d’intégration (Cm), au moins une photodiode (21 ; 22) fonctionnant en mode photovoltaïque, reliée à la grille de ce transistor, de telle sorte que le courant drain-source (la) du transistor MOS augmente quand le courant généré par la photodiode diminue et inversement. 1. Optical sensor (1) comprising: an integration capacitance (C m ), a reading circuit (10) of the charge of the integration capacitance (C m ), at least one MOS transistor (31; 32) operating below the threshold, whose drain-source current influences the charge of the integration capacitance (C m ), at least one photodiode (21; 22) operating in photovoltaic mode, connected to the gate of this transistor, such so that the drain-source current (la) of the MOS transistor increases when the current generated by the photodiode decreases and vice versa.
2. Capteur (1) selon la revendication précédente, le transistor MOS (31) étant un transistor d’activation agencé pour charger la capacité d’intégration (Cm) lorsque la photodiode (21) reliée à sa grille est dans l’obscurité. 2. Sensor (1) according to the preceding claim, the MOS transistor (31) being an activation transistor arranged to charge the integration capacitance (C m ) when the photodiode (21) connected to its gate is in the dark .
3. Capteur (1) selon la revendication précédente, le transistor d’activation (31) étant de type PMOS dont la grille est connectée à l’anode de la photodiode (21), le drain à la capacité d’intégration (Cm) et la source à une tension d’alimentation (Vdd, Vddex) du capteur. 3. Sensor (1) according to the preceding claim, the activation transistor (31) being of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the photodiode (21), the drain to the integration capacitance (C m ) and the source to a supply voltage (Vdd, Vdd ex ) of the sensor.
4. Capteur (1) selon la revendication 2, le transistor d’activation (31) étant de type NMOS dont la grille est connectée à la cathode de la photodiode (21), le drain à une tension d’alimentation (Vdd, Vddex) du capteur et la source à la capacité d’intégration (Cm). 4. Sensor (1) according to claim 2, the activation transistor (31) being of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode (21), the drain at a supply voltage (Vdd, Vdd ex ) of the sensor and the source to the integration capacity (C m ).
5. Capteur (1) selon la revendication 1, le transistor MOS (32) étant un transistor de désactivation agencé pour décharger la capacité d’intégration (Cm) lorsque la photodiode (22) reliée à sa grille est dans l’obscurité. 5. Sensor (1) according to claim 1, the MOS transistor (32) being a deactivation transistor arranged to discharge the integration capacitance (C m ) when the photodiode (22) connected to its gate is in the dark.
6. Capteur (1) selon la revendication précédente, le transistor de désactivation (32) étant de type PMOS dont la grille est connectée à l’anode de la photodiode (22), le drain à un miroir de courant (34) connecté à la capacité d’intégration (Cm) et la source à une tension d’alimentation (Vdd, Vddinh) du capteur. 6. Sensor (1) according to the preceding claim, the deactivation transistor (32) being of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the photodiode (22), the drain to a current mirror (34) connected to the integration capacity (C m ) and the source at a supply voltage (Vdd, Vddinh) of the sensor.
7. Capteur (1) selon la revendication 5, le transistor de désactivation (32) étant de type NMOS dont la grille est connectée à la cathode de la photodiode (22), le drain à une tension d’alimentation (Vdd, Vddinh) du capteur et la source à un miroir de courant (34) connecté à la capacité d’intégration (Cm). 7. Sensor (1) according to claim 5, the deactivation transistor (32) being of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode (22), the drain to a supply voltage (Vdd, Vddinh) of the sensor and the source to a current mirror (34) connected to the integration capacitor (C m ).
8. Capteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins une cellule photosensible de type « OFF » (101), la cellule comprenant : 8. Sensor (1) according to any one of the preceding claims, comprising at least one “OFF” type photosensitive cell (101), the cell comprising:
Une partie excitatrice (102) comprenant : An exciting part (102) comprising:
- au moins un transistor MOS d’activation (31), fonctionnant sous le seuil, dont le courant drain-source (la) influe sur la charge de la capacité d’intégration (Cm), et - at least one MOS activation transistor (31), operating below the threshold, whose drain-source current (la) influences the charge of the integration capacitor (C m ), and
- au moins une photodiode (21) fonctionnant en mode photovoltaïque, reliée à la grille de ce transistor d’activation (31), de telle sorte que le courant drain- source (la) du transistor MOS d’activation (31) est inversement proportionnel au courant photovoltaïque généré par la photodiode (21), le transistor d’activation (31) étant agencé pour charger la capacité d’intégration (Cm) lorsque la photodiode (21) est dans l’obscurité ; et - at least one photodiode (21) operating in photovoltaic mode, connected to the gate of this activation transistor (31), such that the drain-source current (la) of the activation MOS transistor (31) is inversely proportional to the photovoltaic current generated by the photodiode (21), the activation transistor (31) being arranged to charge the integration capacitance (C m ) when the photodiode (21) is in the dark; And
Une partie inhibitrice (103) comprenant : An inhibitor part (103) comprising:
- plusieurs transistors MOS de désactivation (32), fonctionnant sous le seuil, dont les courants drain-source influent sur la charge de la capacité d’intégration (Cm), et - several MOS deactivation transistors (32), operating below the threshold, whose drain-source currents influence the charge of the integration capacitance (C m ), and
- plusieurs photodiodes (22) fonctionnant en mode photovoltaïque, chacune étant reliée à la grille d’un des transistors de désactivation (32), de telle sorte que le courant drain- source (la) de ce transistor est inversement proportionnel au courant photovoltaïque généré par la photodiode (22) associée, le transistor de désactivation (32) étant agencé pour décharger la capacité d’intégration (Cm) lorsque la photodiode associée (22) est dans l’obscurité, la photodiode (21) associée au transistor d’activation (31) étant entourée par les photodiodes (22) associées aux transistors de désactivation (32). - several photodiodes (22) operating in photovoltaic mode, each being connected to the gate of one of the deactivation transistors (32), such that the drain-source current (la) of this transistor is inversely proportional to the photovoltaic current generated by the associated photodiode (22), the deactivation transistor (32) being arranged to discharge the integration capacitance (C m ) when the associated photodiode (22) is in the dark, the photodiode (21) associated with the transistor d the activation (31) being surrounded by the photodiodes (22) associated with the deactivation transistors (32).
9. Capteur (1) selon la revendication précédente, le transistor d’activation (31) étant de type PMOS dont la grille est connectée à l’anode de la photodiode associée (21), le drain à la capacité d’intégration (Cm) et la source à une tension d’alimentation Vddex du capteur. Capteur (1) selon la revendication précédente, le transistor de désactivation (32) étant de type PMOS dont la grille est connectée à l’anode de la photodiode (22), le drain à un miroir de courant (34) connecté à la capacité d’intégration (Cm) et la source à une tension d’alimentation Vddinh du capteur. Capteur (1) selon la revendication 8, le transistor d’activation (31) étant de type NMOS dont la grille est connectée à la cathode de la photodiode (21), le drain à une tension d’alimentation Vddex du capteur et la source à la capacité d’intégration (Cm). Capteur (1) selon la revendication précédente, le transistor de désactivation (32) étant de type NMOS dont la grille est connectée à la cathode de la photodiode (22), le drain à une tension d’alimentation Vddinh du capteur et la source à un miroir de courant (34) connecté à la capacité d’intégration (Cm), la tension d’alimentation Vddinh étant préférentiellement égale à Vddex. Capteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes 8 à 12, comportant un ensemble de pixels organisés en matrice comprenant une pluralité de cellules de type « OFF » (101). Capteur (1) selon la revendication précédente, chaque cellule « OFF » (101) comportant un pixel central (PC) correspondant à la partie excitatrice (102) et plusieurs pixels périphériques (N, E, S, O) correspondant à la partie inhibitrice (103), les pixels périphériques (N, E, S, O) étant notamment au nombre de quatre et les pixels de la cellule « OFF » étant alors préférentiellement agencés sur la matrice sous forme de croix. Capteur (1) selon l’une des deux revendications précédentes, chaque pixel (100) comportant une seule photodiode (21 ; 22) connectée à plusieurs transistors différents (31 ; 32) de sorte à servir plusieurs cellules « OFF » (101), la photodiode (21 ; 22) étant notamment connectée à cinq transistors différents (31 ; 32) dont un transistor d’activation (31) d’un pixel central (PC) et quatre transistors de désactivation (32) de pixels périphériques (N, E, S, O). Procédé d’acquisition d’une image ou d’une vidéo, notamment sous un éclairage inférieur ou égal à 3000 lux, en utilisant le capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Sensor (1) according to the preceding claim, the activation transistor (31) being of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the associated photodiode (21), the drain to the integration capacitance (C m ) and the source at a supply voltage Vdd ex of the sensor. Sensor (1) according to the preceding claim, the deactivation transistor (32) being of the PMOS type whose gate is connected to the anode of the photodiode (22), the drain to a current mirror (34) connected to the capacitor integration (C m ) and the source at a supply voltage Vddinh of the sensor. Sensor (1) according to claim 8, the activation transistor (31) being of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode (21), the drain to a supply voltage Vdd ex of the sensor and the source to the integration capacity (Cm). Sensor (1) according to the preceding claim, the deactivation transistor (32) being of the NMOS type whose gate is connected to the cathode of the photodiode (22), the drain to a supply voltage Vddinh of the sensor and the source to a current mirror (34) connected to the integration capacitance (C m ), the supply voltage Vddinh being preferably equal to Vdd ex . Sensor (1) according to any one of the preceding claims 8 to 12, comprising a set of pixels organized in a matrix comprising a plurality of “OFF” type cells (101). Sensor (1) according to the preceding claim, each “OFF” cell (101) comprising a central pixel (PC) corresponding to the excitatory part (102) and several peripheral pixels (N, E, S, O) corresponding to the inhibitory part (103), the peripheral pixels (N, E, S, O) being notably four in number and the pixels of the “OFF” cell then being preferentially arranged on the matrix in the form of a cross. Sensor (1) according to one of the two preceding claims, each pixel (100) comprising a single photodiode (21; 22) connected to several different transistors (31; 32) so as to serve several “OFF” cells (101), the photodiode (21; 22) being in particular connected to five different transistors (31; 32) including an activation transistor (31) of a central pixel (PC) and four deactivation transistors (32) of peripheral pixels (N, E, S, O). Method for acquiring an image or video, in particular under lighting less than or equal to 3000 lux, using the sensor according to any one of the preceding claims.
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FR3072564A1 (en) 2017-10-25 2019-04-26 Universite De Lille 1 Sciences Et Technologies OPTICAL SENSOR
US20210375957A1 (en) * 2017-12-06 2021-12-02 Ohio State Innovation Foundation Open circuit voltage photodetector

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