BE1022491B1 - Procede pour eviter la saturation de pixel. - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un procédé pour éviter la saturation de pixel dans un groupe de pixels, chacun ayant un nœud, dans lequel une tension de référence est prédéterminée, et dans lequel un changement de tension au niveau du nœud de seulement un des pixels en comparaison à la tension de référence prédéterminée provoque la remise à l'état initial synchrone de tous les pixels du groupe.

Description

Procédé pour éviter la saturation de pixel

Domaine technique de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine de pixels CMOS à plage dynamique étendue et aux capteurs associés. En particulier, la présente invention se rapporte à des améliorations de, ou se rapportant à, la robustesse de pixels contre une lumière incidente en détectant et en évitant la saturation de pixel. Par robustesse on comprend la capacité des pixels à réaliser leur fonction de quantification de lumière.

Arrière-plan de l'invention

Un capteur d'image est un dispositif capturant et transformant un rayonnement électromagnétique incident tel qu’un flux de lumière en un signal électronique. Dans l'imagerie numérique, on utilise surtout des Capteurs à Pixels Actifs (APS). Les APS sont des capteurs d'image consistant en un circuit intégré contenant une matrice de capteurs à pixels, et dans laquelle chaque pixel contient une photodiode et un amplificateur actif. Il y a de nombreux types de Capteurs à Pixels Actifs, incluant les APS à semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire (CMOS), utilisés le plus généralement dans les appareils de prise de vues de téléphone portable ou les webcams par exemple. De tels capteurs d'image sont apparus comme alternative aux capteurs d'image à Circuit à Couplage de Charges (CCD).

Dans un APS, la photodiode est sensible à la lumière incidente. Plus précisément, la photodiode transforme la lumière incidente en charges qui sont accumulées pendant un temps d'exposition donné et ensuite transformées en une tension amplifiée à l'intérieur du pixel. Cette tension est une quantité physique analogique continue qui peut être transformée, grâce à un convertisseur analogique-numérique, en un nombre numérique représentant l'amplitude de tension. Les bornes de la cathode de la photodiode, mentionnées en tant que nœud attaché à la cathode, sont souvent appelées le nœud de détecteur. Ce nœud (20) est affiché à la figure 1 représentant un pixel d'APS. La tension au niveau de ce nœud est translatée vers la sortie de pixel par l'intermédiaire d’un transistor utilisé comme amplificateur. Un facteur de qualité important caractérisant des pixels est ce qu'on appelle leur facteur de remplissage. Il se réfère à la partie de surface sensible à la lumière, en pourcentage, par rapport à là surface de pixel entière. La figure 2 révèle une surface de pixel classique, divisée en une surface photosensible 1 et en une surface de circuits 2.

Un des inconvénients majeurs des pixels standards est leur saturation potentielle apparaissant quand une lumière incidente trop forte et/ou une exposition trop longue se produisent.

Dans un système d’imagerie télémétrique utilisant des technologies à Temps de Vol (ToF), par exemple un système d'appareil de prise de vues à Temps de vol fournissant des informations de distance en analysant le Temps de Vol et la phase d'un signal de lumière pulsée émis par une source de lumière commandée et réfléchi par des objets de la scène, la saturation peut se produire quand des objets ayant des propriétés réfléchissantes standards sont plus proches de la plage de distances pour laquelle le système d'imagerie est étalonné. L'objet réfléchit à ce moment-là trop de la lumière émise et amène au moins certains pixels du capteur à répondre à leur valeur maximale. La saturation peut également se produire quand des objets démontrent des propriétés réfléchissantes spéculaires dans le domaine de longueur d'onde auquel les pixels ont été conçus pour être sensibles, comme lorsqu’un miroir dans une scène réfléchit la lumière incidente entière qu'il reçoit sur le capteur reflétant la scène, ou lorsque des objets réfléchissent et concentrent la lumière incidente sur une partie du capteur, ou quand une source de lumière externe émettant un éclairage intense dans le même domaine de longueur d'onde pour lequel l'appareil de prise de vues ToF a été conçu illumine le capteur. Quand des pixels sont saturés, des informations significatives concernant la scène sont perdues étant donné que la réponse fournie est aplanie à la valeur de tension maximale que l'on peut fournir ; cela conduit à des artefacts d'image ou à des défauts, comme une surface brûlée, des effets de flou dans les images. En outre, certaines applications, par exemple le calcul d'informations de profondeur dans une technologie ToF, utilisent un déphasage en se basant sur des calculs provenant d'une pluralité de captures pour obtenir une mesure de distance. Si une saturation de pixel se produit pendant le temps d'intégration, la tension au niveau des nœuds de détecteur atteint un niveau de saturation qui corrompt la capture correspondante. Cela rend plus particulièrement la détermination d'amplitudes de tension relative entre les différentes phases impossible et en conséquence, les mesures de profondeur et la carte de profondeur correspondante ne peuvent désormais pas être déterminées comme cela est habituellement obtenu directement à partir de ces calculs de différence de phase.

Dans le but de surmonter les problèmes de saturation, entre autres choses, on a proposé la Plage Dynamique Étendue (HDR) ou la Plage Dynamique Élargie (WDR) dans des capteurs d'image standards en utilisant plusieurs circuits électroniques, par exemple la bascule de Schmitt (comme on la définit dans ce document ci-dessous) avec l'ajout de circuits à verrouillage et/ou d’un point mémoire. Les capteurs ont également été conçus avec desriechniques comme la bonne adaptation, les captures multiples ou l'exposition variable dans l'espace. En outre, des circuits logiques supplémentaires ont été ajoutés par APS CMOS, mais cela réduit la surface sensible efficace de capteur et aboutit à un facteur de remplissage très faible qui ne se conforme pas à des exigences d'imagerie par ToF efficaces. Une autre solution consiste à utiliser des circuits avec des pixels logarithmiques.

De tels circuits de pixel produisent un niveau de tension qui est une fonction logarithmique de la quantité de lumière frappant un pixel. Cela diffère de la plupart des capteurs d'image de type CMOS ou CCD qui utilisent un type linéaire de pixels. Néanmoins, l'utilisation de pixels logarithmiques complique fortement le post-traitement pour calculer les données nécessaires, comme des informations de profondeur par exemple, étant donné que cela introduit des problèmes de compression bien connus et demande également des calculs de traitement supplémentaires. Résumé de l'invention L'objectif de l'invention est d'améliorer la robustesse de pixels contre la lumière incidente en évitant leur saturation. À cette fin, l'invention se rapporte d'abord à un procédé selon la revendication 1. L'invention est en outre particulièrement adaptée au contexte de l'imagerie à Temps de Vol où un éclairage à lumière modulée à Infrarouge actif est piloté à des fréquences élevées et où le signal d'éclairage à mesurer peut souffrir de la lumière ambiante coexistante dans la scène, ou de pouvoirs de réflexion et de distances variables d’objets dans la scène.

Par conséquent, un avantage est que, en raison de l'utilisation du pixel de remise à l'état initial synchrone, la saturation est évitée dans le groupe de pixels, ce qui évite des artefacts d'image.

Un avantage supplémentaire est qu'en évitant la saturation de pixel pendant le temps d'intégration, la présente invention évite aux pixels voisins d’un pixel qui aurait présenté une saturation sans remise à l'état initial d’être corrompus par migration de charges et par l'artefact de défaut de flou associé.

En outre, en évitant la saturation de pixel, la présente invention permet de plus d’éviter que le capteur ne souffre d'effets de flou et des artefacts d'image associés.

Un avantage supplémentaire est que, en raison du partage des circuits de saturation entre plusieurs pixels, le facteur de remplissage est maintenu élevé, et les circuits supplémentaires sont limités.

Un avantage supplémentaire est que, en raison de l'utilisation du pixel de remise à l'état initial synchrone, les informations portées par les amplitudes de tension au niveau des nœuds de détecteur de pixel ne sont pas corrompues par saturation, ce qui permet de calculer des amplitudes relatives et/ou des différences de phase entre les nœuds. -

En conséquence, dans le contexte d'imagerie par TOF, la mesure de données est préservée et permet la détermination d'informations de distance.

De manière avantageuse, la remise à l'état initial de tous les pixels est autorisée au moins une fois dans un temps d'intégration donné Tint par un signal de validation qui peut être une impulsion, une horloge, ou une onde d'impulsion avec une période accordable et/ou un rapport cyclique.

De préférence, des mesures absolues de Plage Dynamiques Étendue peuvent être évaluées. À partir du nombre de remises à l'état initial synchrones qui peuvent avoir été déclenchées pendant chaque temps d'intégration, ou à partir du moment auquel la dernière remise à l'état initial synchrone a été déclenchée combiné avec la tension de nœud de détecteur non saturée provenant des nœuds de pixel individuels, les tensions absolues totales correspondant à une lumière incidente reçue pendant le temps d'intégration entier peuvent être évaluées. L'invention se rapporte également à un dispositif de pixel de remise à l'état initial synchrone selon la revendication 18 et à un imageur selon la revendication 19. D'autres avantages et de nouvelles particularités de l'invention vont devenir plus évidents à partir de la description détaillée qui va suivre lorsque prise en relation avec les dessins annexés.

Brève description des dessins

La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés. - la figure 1 décrit un Capteur standard à Pixels Actifs à 3 transistors composé d'une photodiode 3, d’un transistor de remise à l'état initial 4, d’un transistor utilisé comme amplificateur 5 et d’un transistor de sélection de pixel 6 ; - la figure 2 représente une surface de pixel classique, divisée en une surface photosensible 1 et en surfaces de circuits 2 ; - la figure 3 représente une chute de tension classique, au niveau des nœuds d’un groupe de 4 pixels, sans lumière incidente ; - la figure 4 représente un exemple de chute de tension au niveau des nœuds des mêmes pixels introduite à la figure 3, sous une forte lumière incidente ; - la figure 5 compare les effets d'un comparateur standard (A) à ceux d'une bascule de Schmitt (B), sur un signal d'entrée (U) ; - la figure 6 représente un schéma fonctionnel d’un pixel de remise à l'état initial synchrone composé de 4 Capteurs à Pixels Actifs à Trois Transistors (7, 8, 9, 10), un bloc détecteur de tension la plus basse 11, un comparateur 12 et 1 transistor supplémentaire 13 ajouté à chaque APS à 3-T ; - la figure 7 décrit le schéma de synchronisation du pixel de remise à l'état initial synchrone avec un comparateur, comme on l'a précédemment exposé à la figure 6 ; - la figure 8 représente un schéma fonctionnel du même pixel de remise à l'état initial synchrone qu’à la figure 6, mais avec l'ajout d'une broche ENCOMP 14 reliée au comparateur ; - la figure 9 affiche le schéma de synchronisation se référant au pixel de remise à l'état initial synchrone représenté à la figure 8, avec un temps d'intégration efficace de TW-Ten ; - la figure 10 affiche le schéma de synchronisation se référant au pixel de remise à l’état initial synchrone représenté à la figure 8, avec un temps d'intégration de ; - la figure 11 représente un schéma fonctionnel du même pixel de remise à l’état initial synchrone qu’à la figure 6, mais avec l'ajout d'une broche ENCOMP 14 reliée tant au comparateur qu'au détecteur de tension la plus basse ; - la figure 12 affiche le schéma de synchronisation se référant au pixel de remise à l’état initial synchrone représenté à la figure 11, avec un temps d'intégration efficace de TW-Ten ; - la figure 13 représente le schéma de synchronisation du pixel de remise à l’état initial synchrone représenté à la figure 11, mais avec la substitution de l'impulsion de la broche ENCOMP 14 par une horloge, dans lequel 2 saturations se produisent ; - la figure 14 représente le schéma de synchronisation du pixel de remise à l’état initial synchrone représenté à la figure 11, mais avec la substitution de l’impulsion de la broche ENCOMP 14 par une horloge, avec une tension de référence accordable et une période d'horloge accordable ; - la figure 15 représente le schéma de synchronisation d’un pixel de remise à l’état initial synchrone, dans lequel un signal STOP_SRST est utilisé afin d’interdire SRST ; - la figure 16 représente le schéma de synchronisation du pixel de remise à l’état initial synchrone représenté à la figure 11, mais avec la substitution de l’impulsion de la broche ENCOMP 14 par une horloge constante, et un signal ENSRST avec une période d'horloge accordable ; - la figure 17 décrit une matrice de Bayer standard avec 2 pixels verts, un pixel bleu et un pixel rouge ; - la figure 18 décrit la même matrice qu’à la figure 17, mais avec un seul pixel vert remplacé par un pixel de remise à l’état initial synchrone agissant comme un détecteur de saturation ; - la figure 19 représente une matrice de pixels de profondeur avec un seul pixel de remise à l’état initial synchrone par groupe de 9 pixels ; et - la figure 20 représente une matrice de pixels de détection de profondeur avec un seul pixel-de remise à l’état initial synchrone par groupe de 5 pixels ; - la figure 21 représente une matrice de pixels de détection de profondeur avec une seule logique de remise à l'état initial synchrone partagée sur un groupe de 4 pixels. La surface est divisée en une surface photosensible 15, la surface de circuits de pixel associée 16, et la logique de remise à l'état initial synchrone de partage 17.

Description de l'invention

La présente invention se rapporte à un pixel de remise à l’état initial synchrone qui peut être classé comme un système de pixels à Plage Dynamique Étendue et au procédé associé. Le pixel peut comprendre au moins une photodiode, chaque photodiode ayant son propre nœud de détecteur. La présente invention est susceptible de remettre un groupe de pixels locaux à l'état initial, qui vide les nœuds de détecteur des pixels des charges accumulées pendant une exposition. La remise à l'état initial peut être déclenchée quand une des tensions correspondant à ces charges atteint une valeur de tension de seuil prédéterminée. Cela évite que les nœuds de détecteur n’atteignent un niveau de saturation avant ou à la fin du temps d'intégration. Le principe repose sur des circuits logiques à base de comparateur qui détectent au moins une fois l’atteinte de la tension de seuil prédéterminée, pendant un temps d'intégration donné. La logique est partagée par un groupe de pixels afin de minimiser la surface de silicium impliquée dans la tâche de comparaison et pour maintenir le facteur de remplissage élevé de façon à préserver l'efficacité de la tâche de détection. La logique permet une pluralité de remises à l'état initial pendant le temps d'intégration donné comme la tâche de comparaison peut être effectuée plusieurs fois en ce qui concerne une série prédéterminée de manière spécifique d'occurrences (par exemple. Tint/2, 3Tint/4, 7Tint/8, ...). Quand au moins un des pixels atteint la «tension d’indication de saturation », qui est donnée par la tension de seuil prédéterminée précédemment mentionnée, la logique peut décider de remettre ou pas le groupe de pixels à l'état initial en même temps. Dans le contexte de l'imagerie par TOF dans laquelle une pluralité de mesures d'amplitude non saturée doivent nécessairement être collectées pour calculer des différences de phase fiables et des évaluations de profondeur, le système et le procédé de la présente invention peuvent être particulièrement bien appropriés comme cela permet de fournir des informations fiables telles que des phases de signal incident et des valeurs relatives de signal incident.

Dans le dernier cas, la valeur absolue de signal incident peut en outre être évaluée comme l'invention peut comprendre des « circuits de comptage de remise à l'état initial » supplémentaires et un procédé pour déterminer l'amplitude totale de signal collectée pendant le temps d'intégration en utilisant ce compteur de remise à l'état initial.

Dans un souci de clarté, la présente description sera décrite en ce qui concerne le calcul de profondeur dans des capteurs d'image 3D dans des mesures à Temps de vol (ToF), mais l'invention n'est pas limitée à cela, comme on le verra ci-dessous par la suite. L'invention pourrait être utile pour n'importe quel type de capteurs où la saturation de pixels doit être évitée.

Les modes de réalisation introduits seront décrits selon l'utilisation d’une bascule de Schmitt en tant que moyen comparateur 12, mais l'invention n'est pas limitée à cela. Le comparateur 12 peut par exemple être fait par un comparateur de temps continu ou un comparateur cadencé, un inverseur CMOS ou n'importe quelle sorte de circuits susceptibles de produire un signal pulsé à partir de la sortie du bloc détecteur de tension la plus basse 11, comme un circuit monostable.

En outre, pour aborder la fonction de comparaison de remise à l'état initial synchrone, un bloc détecteur de tension la plus basse peut être utilisé pour chercher la tension la plus basse comme dans un APS à trois Transistors (3T) APS, figure 1. Dans ce cas, les tensions de détecteur baissent à partir de Vreset vers la masse comme le montrent la figure 3 et la figure 4. Évidemment, on pourrait mentionner un bloc détecteur de tension la plus élevée dans le cas où les tensions de détecteur auraient augmenté à partir de Vreset jusqu’à l'alimentation.

On sait que des systèmes d'appareil de prise de vues à temps de vol fournissent des informations concernant la distance à un objet par analyse du temps de vol depuis une source de lumière jusqu’à l'objet et retour. Dans ces systèmes, une scène est illuminée avec une lumière modulée, habituellement une impulsion. Ce signal est alors réfléchi par des objets et collecté par une lentille pour former une image. En fonction de la distance d'objets par rapport à l'appareil de prise de vues, un retard apparaît entre l'émission de la lumière modulée et la réception de sa réflexion au niveau de l'appareil de prise de vues. Ce retard, ou phase, qui peut être obtenu au cours du temps et/ou au cours d’impulsions successives, est utilisé pour déterminer une mesure directe de la distance d'un objet dans la scène. Il est par conséquent obligatoire d'avoir des données de mesure de signal non saturé fiables en provenance du capteur.

La figure 3 représente un exemple de formes d'onde de nœud de détecteur (cathode de la photodiode) par rapport au temps dans un imageur à TOF, sans lumière incidente. Avant le début du temps d'intégration ou d'exposition TinT, le signal RESET est maintenu au niveau haut afin de remettre tous les nœuds de détecteur aux états de tension initiaux et appropriés. Lorsque le signal RESET est libéré, le temps d'intégration démarre. À la fin du temps d'intégration ou d'exposition T[nT, aucun des détecteurs n'est saturé et les informations de profondeur peuvent être calculées. À l’inverse, la figure 4 représente la même installation qu’à la figure 3, mais soumise à une forte lumière incidente. La tension au niveau des nœuds de détecteurs DET2, DETi et DET/ baisse trop rapidement avant la fin du temps d'intégration TdmT. Ces 3 nœuds de détecteur sont saturés, les valeurs absolues collectées à la fin du temps d'intégration des pixels correspondants sont corrompues et sans signification. Par corrompu, cela signifie que les valeurs de tension déterminées ne sont pas fiables étant donné qu’elles ne représentent pas une mesure absolue réelle représentative du signal de lumière d'entrée. En conséquence, les amplitudes relatives de pixels sont également corrompues et les informations de phase associées aussi, rendant les informations de profondeur désormais impossibles à calculer.

La figure 1 représente un Capteur CMOS standard à Pixels Actifs à 3 transistors (CMOS 3-T APS), consistant en une photodiode 3, un transistor RESET 4, un transistor de lecture à source chargée 5 et un transistor SELECTION 6. Quand le transistor RESET 4 est mis à l'état passant, la photodiode 3 est directement reliée à l'alimentation en énergie VDD et toutes les charges intégrées sont effacées. Le transistor de lecture à source chargée 5 agit comme un amplificateur qui permet à la tension de pixel d'être observée sans enlever la charge accumulée. Le transistor SELECTION 6 permet à une rangée simple de la matrice de pixels d'être lue par l'électronique de lecture. Afin de parvenir à un facteur de remplissage élevé, la surface sensible à la lumière de la photodiode 3 devrait être élevée, tandis que la surface des circuits, consistant en la surface de transistors 4, 5 et 6, devrait être aussi réduite que possible.

Dans un but de compréhension, un circuit électronique particulier utilisé dans des modes de réalisation supplémentaires de cette présente invention doit être introduit : la bascule de Schmitt. Dans la configuration non inverseuse, une bascule de Schmitt est un circuit avec une rétroaction positive et un gain de boucle supérieur à 1. Elle peut être assimilée à un circuit comparateur avec une hystérésis. La figure 5 compare les effets d’un comparateur standard (A) et d’une bascule de Schmitt (B) sur un signal d'entrée donné (U). En utilisant une bascule de Schmitt non inverseuse, quand l'entrée est supérieure à un certain seuil choisi, la sortie est élevée. Quand l'entrée est au-dessous d’un seuil choisi (plus bas) différent, la sortie est basse, et lorsque l'entrée est entre les deux niveaux, la sortie conserve sa valeur. Cette action de seuil double est appelée hystérésis et implique que la bascule de Schmitt possède une mémoire et puisse agir comme un circuit bistable.

Par comparaison, un comparateur standard a seulement une valeur de seuil et sa sortie est commutée par comparaison à cette valeur, comme le montre la figure 5 (A).

La figure 6 représente un premier mode de réalisation de la présente invention avec un pixel de remise à l’état initial synchrone traitant avec 4 pixels ayant chacun au moins un nœud de détecteur. Il est fait de 4 CMOS APS 3-T 7, 8, 9, 10, un bloc détecteur de tension la plus basse 11 ayant 4 entrées, un comparateur 12 et 1 transistor supplémentaire 13 ajouté à chaque APS 3-T (ainsi au total 4 transistors supplémentaires). Les photodiodes de l'APS 3-T ne doivent pas nécessairement être identiques. Les entrées de détecteur de tension la plus basse 11 détectent les nœuds de détecteur des 4 APS : DET0, DET], DET2 et DET3. Ici, le comparateur 12 peut être fait soit par un comparateur comparant DETX à une tension de référence VREf soit par une bascule de Schmitt ayant son seuil de détection inférieur égal à VREF, ou n'importe quelle sorte de circuits susceptibles de produire un signal pulsé à partir de la sortie du bloc détecteur de tension la plus basse, comme un circuit monostable. La fonctionnalité de remise à l'état initial de transistors 13 peut être obtenue par des circuits logiques dédiés et par la réutilisation des transistors RESET de l'APS 3T.

La figure 7 décrit le schéma de synchronisation du pixel de remise à l’état initial synchrone présenté à la figure 6. Grâce au détecteur de tension la plus basse 11 ajouté et au comparateur 12, les pixels ne sont désormais pas saturés après un temps d'intégration Tînt. En effet, aussitôt qu'une des tensions de pixel atteint la tension VREf, le signal SRST passe au niveau haut et remet tous les pixels à l'état initial. Donc, la saturation de pixel est évitée.

La figure 8 représente un deuxième mode de réalisation de la présente invention, un schéma fonctionnel du pixel de remise à l’état initial synchrone mais avec l'ajout d'une broche ENCOMP 14 reliée au comparateur 12. Cette broche ENCOMP 14 est ajoutée pour définir un temps d'intégration plus court (Tint-TEn). En effet, des détecteurs qui ont croisé le signal de référence avant l'impulsion ENCOMP reprendront leur cycle d'intégration, mais avec un temps plus court de sorte que la saturation jusqu'à la fin du temps d'exposition Tint est impossible pour ces pixels. TEN est programmable et doit être réglé pour éviter la saturation de pixel. Un niveau élevé du signal ENCOMP peut être plutôt court et devrait être assez long pour complètement réinitialiser les pixels.

La figure 9 affiche le schéma de synchronisation du pixel de remise à l’état initial synchrone comme le montre la figure 8, incluant le détecteur de tension la plus basse 11 et le comparateur 12 plus sa broche ENCOMP 14. Le comparateur 12 peut seulement basculer sa sortie si le signal ENCOMP est mis au niveau haut. Lorsque le signal ENCOMP est bas, les pixels peuvent saturer comme s'il n'y avait aucun circuit supplémentaire.

Par-dessus le marché, un signal SRST_CNT est ajouté et est mis au niveau haut aussitôt qu'il y a une impulsion sur le signal SRST. Grâce aux signaux ENCOMP et SRST_CNT, le temps d'intégration peut facilement être calculé. À la fin de l'exposition, le temps d'intégration est soit (Tint -Ten) si le signal FLACEest au niveau haut soit Tint si le signal FLAG est au niveau bas. La figure 9 et la figure 10 représentent les deux cas.

On peut considérer le signal SRST_CNT comme un compteur à 1 bit.

Au lieu d'un compteur à 1 bit de base, les circuits détecteurs de saturation pourraient incorporer un compteur à n bits et délivrer les informations comme une sortie.

En utilisant un tel compteur, on connaît la valeur absolue par détecteur (pixels) en plus des valeurs relatives de chacun.

Dans ce mode de réalisation, en utilisant un comparateur ou un inverseur au lieu d’une bascule de Schmitt, la durée de niveau haut de la broche ENCOMP peut être choisie d'une telle façon que le niveau de remise à l'état initial peut être identique au niveau initial. Des limitations de bascule de Schmitt, comme l'incapacité d'atteindre VREset pendant une remise à l'état initial synchrone, sont surmontées.

Un troisième mode de réalisation est présenté à la figure 11. La figure 11 représente un schéma fonctionnel du pixel de remise à l’état initial synchrone mais avec l'ajout d'une broche ENCOMP 14 reliée tant au détecteur de tension la plus basse 11 qu'au comparateur 12.

La figure 12 représente les mêmes conditions d'entrée que la figure 9. Le seul changement réside dans la broche ENCOMP 14, reliée tant au détecteur de tension la plus basse 11 qu'au comparateur 12. DETX copie la tension la plus basse entre DET0, DET^ DET2 et DET3 seulement lorsque le signal ENCOMP est au niveau haut. Le résultat pour les signaux SRST et SRST_CNT est identique pour les deux configurations.

Ces deuxième et troisième modes de réalisation ont l'avantage d'économiser le courant comme la détection et la comparaison de tension la plus basse sont seulement effectuées lorsque le signal ENCOMP est mis au niveau haut. En effet, le comparateur 12 fonctionne comme un « comparateur de tension » analogique et sa consommation de courant sera liée à sa tension d'entrée. Avec l'ajout de la broche ENCOMP 14, le comparateur 12 et de temps en temps le détecteur de tension la plus basse 11 consommeront seulement du courant une fraction du temps en comparaison au cas sans broche ENCOMP 14, comme le signal ENCOMP est désactivé la plupart du temps.

Un quatrième mode de réalisation est présenté à la figure 13, où le signal ENCOMP est remplacé par un signal d'horloge au lieu d'une impulsion unique. On peut considérer l'horloge comme un train d'impulsions et par conséquent le processus de comparaison se produit plus souvent. Ce mode de réalisation est intéressant pour des applications exigeant seulement -des différences de tension relatives entre des nœuds de détecteur de pixel et pas d'amplitude de tension. Une telle application pourrait être le calcul de profondeur par exemple, comme on le décrit précédemment dans ce document. À la figure 13, deux saturations se produisent et le signal SRST_CNT a été élevé aussitôt que la première impulsion SRST apparaît.

Dans cet exemple, un compteur à 1 bit n'est pas suffisant comme il y avait 2 impulsions SRST. Cependant, l'intégration d'un compteur à 2 bits serait suffisante pour retrouver le nombre correct d'événements SRST. Les tensions relatives entre les nœuds DET sont correctes mais les amplitudes absolues ne le sont pas sans l'aide du compteur à 2 bits. Dans le contexte de ToF, les mesures relatives données sont assez appropriées aux estimations de valeurs de profondeur par pixel.

Un cinquième mode de réalisation est décrit à la figure 14 qui décrit un exemple de schémas de synchronisation optimisés obtenus avec le pixel de remise à l'état initial synchrone proposé de la figure 13. On remarquera que 2 paramètres (période de signal ENCOMP et tension de référence VREF) sont changés pendant le temps d'intégration. La période ENCOMP varie de T à T/16, T étant la période de référence qui pourrait être égale à la moitié de TLNT, et la tension de référence VREF varie de Vreseto A VRESETO2 à une échelle de 2. Le but de ces variations est d'optimiser les amplitudes de signal à la fin du temps d'intégration. Ces variations sont optimisées et basées sur le fait que les chutes de tension au niveau des nœuds de pixels sont linéaires. La période ENCOMP minimale produite et la tension de référence pourraient être inférieures à T/16 et tendraient même idéalement vers 0. Cette affirmation est également valide pour la tension de référence VREF. La période ENCOMP et les valeurs de tension de référence sont choisies pour être simples et sont données comme indication dans un souci de clarté mais évidemment on peut trouver certaines autres configurations (ajout d'un décalage constant, ajout d'un gain à chacune des valeurs) qui conduiront à la même fonctionnalité.

Un sixième mode de réalisation est décrit à la figure 15. Dans ce mode de réalisation, la tension de référence ne varie désormais pas et est maintenue constante à Vreset/2· La période de signal ENCOMP varie toujours. Le signal SRST permet toujours la remise à l'état initial de tous les nœuds de détecteur quand il est au niveau haut. Cependant, il y a maintenant l'ajout d'un signal STOP_SRST qui interdit le signal SRST seulement lorsque le signal STOP_SRST est au niveau haut. Quand le signal ENCOMP est au niveau haut, le signal STOP_SRST peut soit être mis au niveau bas si le nœud DETX est inférieur à la tension de référence VREF soit être mis au niveau haut si le nœud DETx est supérieur à la tension de référence VREF. Par exemple, à la figure 15, au commencement, STOP_SRST est mis au niveau bas grâce au signal RESET. Ensuite, à l'instant Tl, la première impulsion du signal ENCOMP se produit, DETX est inférieur à VREF, donc STOP_SRST est maintenu au niveau bas, on permet à SRST de déclencher la remise à l'état initial. À l'instant T2, les mêmes conditions qu'à l'instant Tl sont satisfaites, donc le signal SRST établit une impulsion. Cependant, à l'instant T3, DETX est supérieur à VREF, en conséquence, le signal STOP_SRST est mis au niveau haut ce qui interdit l’impulsion SRST.

Une fois que le signal STOP_SRST est mis au niveau haut, il reste à ce niveau jusqu'à la fin du temps d'intégration la TW. Les détecteurs n'atteindront pas la saturation en supposant que la lumière incidente est constante pendant la totalité du temps d'intégration Tint. D'autres configurations de période d’horloge et de référence de tension peuvent conduire à des résultats similaires à ceux précédemment décrits. En pratique, on peut devoir utiliser des marges pour déterminer la tension de référence. Par exemple, VREF initiale peut devenir Vreset/2 +/- VoFFSET·

Un septième mode de réalisation est introduit à la figure 16. Il a l'avantage d'empêcher n'importe lequel des nœuds d’atteindre la saturation en comparaison à la figure 15. En faisant ainsi, n'importe quelle sorte d'effet de flou est évitée. Le flou peut être induit quand au moins un des nœuds de détecteur sature, signifiant que sa capacité de puits de pixel associé est atteinte et que n'importe quels photons supplémentaires pourraient faire migrer des charges dans le puits de pixel voisin. Dans ce mode de réalisation, on utilise une tension de référence qui ne varie pas et qui est maintenue constante à Vresetc· On utilise maintenant le signal ENCOMP comme une horloge avec une période constante. Il y a un autre signal appelé ENSRST qui est un signal avec une période changeant deTàT/16à une échelle de 2, T étant la période de référence qui pourrait être égale à la moitié de Tint-

Quand le signal ENCOMP est au niveau haut et que le signal STOPJSRST est au niveau bas, le détecteur de tension la plus basse est validé et DETX reproduit la tension la plus basse entre les nœuds de détecteur. Quand le signal ENCOMP est au niveau haut et que le signal STOP_SRST est au niveau bas, si le signal DETX est inférieur à la tension de référence VrEF, alors le signal SRST est mis au niveau haut, ce qui permet la remise à l'état initial de tous les nœuds de détecteur. D'autre part, quand le signal ENCOMP est au niveau haut et que le signal STOP_SRST est au niveau bas, si le signal DETX est supérieur à la tension de référence VREF, alors le signal SRST est mis au niveau bas. Une fois que le signal SRST est mis au niveau haut, il restera à ce niveau jusqu'à ce qu'une impulsion sur le signal ENSRST soit reçue. Si STOP_SRST est au niveau haut, le détecteur de tension la plus basse n’est pas validé, donc DETx ne reproduit pas la tension la plus basse entre les nœuds de détecteur. STOP_SRST est mis au niveau bas au début du temps d'intégration. Il est mis au niveau haut chaque fois que SRST est au niveau bas quand une impulsion sur ENSRST se produit. Une fois qu'il est mis au niveau haut, il reste à ce niveau jusqu'à la fin du temps d'intégration. Cela signifie que les nœuds de détecteur ne seront pas saturés à la fin du temps d'intégration.

Par exemple, à la figure 16, à l'instant Tl, SRST est mis au niveau haut comme DETX est inférieur au signal de référence VREE.

Par conséquent, les nœuds DET sont remis à l'état initial ce qui évite à n'importe quel nœud de détecteur de saturer et de potentiellement remplir son puits de pixel, évitant donc le flou. SRST restera au niveau haut jusqu'à la réception d'une impulsion ENSRST qui se produit à l'instant T2. A l'instant T2, une autre phase d'intégration se produit et comme SRST est au niveau haut, STOP_SRST reste au niveau bas. Ensuite, une autre saturation est détectée à l'instant T3 et SRST est encore une fois mis au niveau haut. SRST sera libéré par une impulsion ENSRST à l'instant T4 et une phase d'intégration démarre de nouveau et STOP_SRST reste toujours au niveau bas. À l'instant T5, ENSRST ne doit pas libérer SRST comme aucune saturation n'a été détectée entre les instants T4 et T5. Donc, STOP_SRST est mis au niveau haut comme SRST est au niveau bas. En conséquence, l'intégration continuera jusqu'à la fin du temps d'intégration Tint. D'autres configurations de période d'horloge et de référence de tension peuvent conduire à des résultats similaires à ceux précédemment décrits dans ce document. En pratique, des marges peuvent devoir être prises pour la tension de référence. Par exemple, VREf initiale peut devenir Vreset/2 + Voffset·

Dans un mode de réalisation préféré supplémentaire, le système et le procédé précédemment décrits dans ce document peuvent être mis en œuvre dans un contexte HDR. En effet, dans HDR, il est nécessaire de mesurer ou d’évaluer la valeur absolue réelle de la lumière incidente au niveau du nœud.

Le procédé et le dispositif précédemment décrits dans ce document permettent d’obtenir une amplitude de tension valide, significative, fiable correspondant à la lumière mesurée à la fin du temps d'intégration. En associant un compteur à la logique pour conserver une trace du nombre de remises à l'état initial effectuées pendant ce temps d'intégration, il peut être possible de mesurer ou d’obtenir l'amplitude de tension absolue appropriée pour une mise en œuvre HDR.

En considérant la linéarité de la chute de tension au niveau du nœud et en considérant la puissance de lumière incidente comme une constante au cours du temps, la mesure absolue de plage dynamique étendue peut correspondre à : - la somme de la mesure d'amplitude de tension finale au niveau du nœud à laquelle est ajoutée la valeur d'amplitude de tension correspondant à la différence entre la tension de référence et la tension de remise à l'état initial synchrone fois le nombre de remises à l'état initial synchrones ou . * - une extrapolation de la mesure d'amplitude de tension finale obtenue pour le dernier temps d'intégration (= fraction bien connue du temps d'intégration), en connaissant le nombre de remises à l'état initial synchrones comptées.

Dans un souci de clarté, la présente description a été précédemment décrite en ce qui concerne le calcul de profondeur dans un capteur d'image 3D dans une mesure à Temps de Vol (TOF), mais l'invention n'est pas limitée à cela.

Parmi les imageurs TOF, le pixel de remise à l'état initial synchrone, présenté au-dessus, pourrait être appliqué à des imageurs classiques. Par exemple, la figure 17 et la figure 18 montrent comment l'innovation proposée pourrait être appliquée à une matrice de pixels de couleur comme la matrice de Bayer standard (figure 17) ou l'architecture de détection de couleur basée sur Foveon, ou tout autre système de détection à capture de lumière. En effet, par exemple, dans un capteur couleur basé sur une matrice de Bayer standard, le second pixel vert habituel pourrait être remplacé par un pixel de remise à l’état initial synchrone responsable de la détection de la saturation du pixel de couleur restant : bleu, vert et rouge, comme le montre la figure 18. Afin de donner plus d'intensité au pixel vert et de compenser la perte du second pixel vert, on pourrait appliquer certaines techniques de processus d’imageur comme des tuyaux de lumière, des films à points quantiques ou des micro-lentilles par exemple.

Dans des imageurs de « profondeur », le système de pixel de remise à l’état initial synchrone et le procédé proposés pourraient être utilisés comme le montrent la figure 19 et la figure 20, décrivant deux organisations possibles de pixels. Ils pourraient en outre être étendus à un mode de réalisation d'architecture « in-pixel » dans lequel chaque pixel pourrait comprendre une pluralité de nœuds de détecteur et des circuits de remise à l'état initial synchrone pour comparer des tensions au niveau de ces nœuds afin de remettre à l'état initial au moins les nœuds de chaque pixel individuel si une saturation est détectée au niveau de ces nœuds de détecteur. De manière facultative, les pixels voisins du mode de réalisation précédemment mentionné pourraient également être remis à l'état initial de façon à préserver le système souffrant d’un risque d'effet de flou. Le pixel de remise à l'état initial synchrone proposé fait attention soit de contrôler des lumières incidentes adjacentes soit de contrôler sa propre lumière incidente pour le groupe entier. Pour le premier cas, si un de ces pixels adjacents sature, alors le groupe entier est remis à l'état initial en même temps. Pour le second cas, si le pixel central sature, alors le groupe entier est remis à l'état initial en même temps. À la figure 19, un seul pixel de remise à l’état initial synchrone (SAT DET) est placé par groupe de 9 pixels tandis que, à la figure 20, un seul pixel de remise à l’état initial synchrone (SAT DET) est placé par groupe de 5 pixels.

En outre, la logique de remise à l'état initial synchrone ne doit pas nécessairement être incorporée dans un pixel factice. Elle pourrait faire partie de la surface de circuits 2 de la figure 2. En effet, la logique de remise à l'état initial synchrone peut également être intégrée à l'intérieur de la surface de circuits comme on le décrit à la figure 21. La figure 21 représente une configuration spécifique, mais évidemment il y a beaucoup plus de configurations possibles.

Traduction de dessins:

f « . *

Claims (20)

1. Revendications

   1. Procédé pour éviter la saturation de pixel dans un groupe de pixels pendant un temps d’intégration Tint, chacun ayant un détecteur (3) et un nœud de détecteur (20), la méthode comprenant les étapes de : - prédéterminer une tension de référence pour laquelle la saturation des pixels n’est pas atteinte, - comparer la tension au nœud de détecteur de chaque pixel avec la tension de référence prédéterminée pendant le temps d’intégration ; et - provoquer la remise à l'état initial synchrone des détecteurs de tous les pixels du groupe lorsqu’une tension au nœud de détecteur de seulement un des pixels atteint la tension de référence prédéterminée.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la remise à l'état initial des détecteurs de tous les pixels est autorisée pendant le temps d'intégration Tint, par au moins un signal d'autorisation.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le signal d'autorisation est un signal de validation (ENCOMP) pour autoriser la remise à l'état initial des détecteurs de tous les pixels juste une fois.
4. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le signal d'autorisation est un signal d'horloge de pixel pour autoriser la remise à l'état initial des détecteurs de tous les pixels au moins une fois.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le signal d'horloge de pixel a une période qui varie pendant le temps d'intégration TINT.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la période variable dudit signal d'horloge de pixel est diminuée de manière consécutive d'un facteur prédéterminé a pour former une série d'occurrences auxquelles la remise à l'état initial des détecteurs de tous les pixels est validée lorsque la tension au niveau des nœuds de détecteur atteint la tension de référence prédéterminée.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le facteur prédéterminé a vaut 2, comme la période variable du signal d'horloge de pixel devient de manière séquentielle Tint/2, Tint/4, Tint/8, Tint/16 et T|NT/32 jusqu'à un nombre fini prédéterminé discret.
8. 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la tension de seuil est une tension variable.
9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le niveau de tension de seuil est diminué de manière consécutive d'un facteur prédéterminé ß.
10. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le facteur prédéterminé ß est 2 comme le niveau de tension variable de seuil devient de manière séquentielle Vreset> Vresf.to, Vreset/4) Vreset/8» Vreset/16 et Vreset/32 jusqu'à un nombre fini discret.
11. 11. Procédé selon la revendication 1 à 7, dans lequel la remise à l'état initial synchrone est interdite par un signal STOP de remise à l'état initial (STOP SRST) jusqu'à la fin du temps d'intégration quand la saturation n'est pas atteinte.
12. 12. Procédé selon la revendication 3 à 11, dans lequel le signal ENCOMP continue à remettre les détecteurs des pixels à l'état initial jusqu'à ce qu'une impulsion de validation de remise à l'état initial (ENSRST) soit reçue.
13. 13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel un signal de compteur de remises à l'état initial (SRSTCNT) est mis au niveau haut si au moins une saturation se produit.
14. 14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le signal SRST CNT est un COMPTEUR à n bits qui compte le nombre de saturations se produisant.
15. 15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel ledit groupe de pixels inclut au moins deux pixels.
16. 16. Procédé selon la revendication 13 ou 14, des mesures absolues de Plage Dynamique Étendue sont évaluées sur la base de i) la tension au niveau des nœuds de détecteur des pixels à la fin du temps d'intégration et ii) le nombre de saturations se produisant comptées.
17. 17. Procédé selon la revendication 1 à 16, dans lequel des mesures absolues de Plage Dynamique Étendue sont évaluées sur la base de i) la tension au niveau des nœuds de détecteur des pixels à la fin du temps d'intégration et ii) la survenance dans le temps auquel la dernière remise à l'état initial s’est produite pendant le temps d'intégration.
18. 18. Dispositif de pixel de remise à l’état initial synchrone pour la mise en œuvre selon l’une quelconque des revendications 1 à 17, comprenant : - un groupe de pixels, chacun d'entre eux comprenant un détecteur (3) qui est sensible à la lumière, connecté à un nœud de détecteur (20), un transistor RESET (4), un transistor de lecture à source chargée (5) et un transistor de SELECTION (6), - au moins un détecteur de tension (11), lequel détecte le changement de tension au niveau de chacun des nœuds de détecteur (20) de pixels et sort un pixel saturé, - un moyen comparatif, pourvu d’une tension de seuil prédéterminée pour laquelle la saturation des pixels n’est pas atteinte, pour comparer ladite tension de seuil prédéterminée à la tension au niveau du nœud de détecteur (20) desdits pixels, - un moyen pour autoriser la remise à l'état initial des détecteurs de pixels pendant un temps d'intégration donné TINT, - un moyen pour compter le nombre de saturations se produisant pendant ledit temps d'intégration Tint.
19. 19. Imageur comprenant : - le dispositif de pixel de remise à l’état initial synchrone selon la revendication 18, et - une matrice de pixels reliée audit dispositif.
20. 20. Imageur selon la revendication 19, comprenant en outre un moyen pour des mesures à Temps de vol.