Method and device for reading out electrical charges provided by a photodetector, and detector including such devices.
L'invention a trait au domaine de la lecture de charges électriques créées dans des détecteurs élémentaires d'un détecteur matriciel, notamment des photodiodes. Il est connu d'utiliser des détecteurs élémentaires, notamment des photodiodes, pour détecter un rayonnement électromagnétique. Le rayonnement électromagnétique incident sur une photodiode crée en effet des charges électriques dans celle-ci. Ces charges sont usuellement collectées et accumulées dans une capacité d'intégration pour pouvoir être lues par la suite. Une amélioration de ce dispositif est de permettre le recouvrement temporel des phases d'intégration et de lecture. A cette fin, on utilise usuellement une capacité de lecture et un interrupteur de transfert. La Un tel dispositif de lecture 10, associé à chaque photodiode 12 du détecteur, comporte :
Plus particulièrement, le circuit de pilotage 24 commande :
Sur la En 30, le signal « INJ » est basculé dans son état haut. Les charges produites dans la photodiode 12 sous l'effet d'un rayonnement incident sont alors stockées, via le circuit d'injection 18, dans le condensateur d'intégration 14, celui-ci étant préalablement remis à zéro par le signal « RINT ». Après une durée prédéterminée Tint, le signal « INJ » est basculé, en 32, dans son état bas, le stockage des charges produites par la photodiode 12 dans le condensateur d'intégration 14 étant alors stoppé. Une fois le stockage des charges dans le condensateur d'intégration 14 stoppé (« INJ » dans son état bas), le signal « TFX » est basculé, en 34, dans son état haut pour transférer, via l'interrupteur 20, les charges stockées dans le condensateur d'intégration 14 vers le condensateur de lecture 16, celui-ci étant préalablement remis à zéro par le signal « RLEC ». Une fois ce transfert, quasi instantané, terminé, le signal « TFX » est basculé, en 36, dans son état bas. Le signal de lecture « LECT » est alors basculé, en 38, dans son état haut pour réaliser la lecture de la tension aux bornes du condensateur de lecture 16 et le transfert de la tension lue vers l'extérieur du dispositif 10. Les condensateurs d'intégration 14 et de lecture 16 sont alors déchargés par le basculement des signaux « RINT » et « RLEC » dans leur état haut respectivement en 40 après la fin de l'intégration et 42 après la fin de la lecture. Un nouveau cycle d'intégration et de lecture peut alors débuter après respectivement un nouveau basculement du signal « RINT » en 44 et du signal « RLEC » en 43. On notera que la lecture mise en oeuvre par le circuit de lecture 22 prend fin alors que le stockage des charges dans le condensateur d'intégration est effectif (signal « INJ » dans son état haut) et que le transfert des charges entre les condensateurs d'intégration et de lecture 14, 16 est inactif (signal « TFX » dans son état bas). En effet, comme cela est connu en soi, la tension lue par le circuit de lecture 22 est délivrée selon un mode multiplexé sur un bus colonne du détecteur, la matrice de photodiodes du détecteur étant lue ligne par ligne. De fait, la lecture et la délivrance d'une tension dans une matrice lue par balayage prend un certain temps. Pour ne pas suspendre pendant ce laps de temps le stockage des charges dans le condensateur d'intégration 14 en raison d'une lecture directe de la tension aux bornes de celui-ci, le condensateur de lecture 16 est prévu. Le transfert des charges produites par la photodiode 12 dans le condensateur de lecture 16 permet ainsi de lire la tension aux bornes de celui-ci, alors qu'un nouveau cycle d'accumulation des charges produites par la photodiode 12 dans le condensateur d'intégration 14 a débuté. Une première limite dans le fonctionnement du dispositif de lecture ainsi décrit provient de la taille limitée de la capacité d'intégration 14. En effet, la surface usuellement allouée au dispositif de lecture 10 est limitée pour des raisons de compacité. La charge électrique totale stockable dans le condensateur de lecture 14, qui dépend de la taille de celui-ci, est donc limitée. La dynamique du détecteur est ainsi également limitée. A titre d'exemple de cette dynamique limitée, les condensateurs d'intégration associés à la matrice de photodiodes de celui-ci saturent rapidement sous l'effet d'un rayonnement intense. Une seconde limite est liée au bruit de lecture. En effet, en deçà d'une certaine charge stockée dans le condensateur de lecture 16, charge qui dépend de la valeur de la capacité de celui-ci, la lecture de la tension aux bornes du condensateur de lecture 16 est entachée d'un bruit important par rapport à la tension lue. Le dispositif de lecture, dans son fonctionnement classique, voit donc sa dynamique limitée, à la fois dans les hautes charges (charge totale stockable limitée) et dans les basses charges (lecture des basses charges bruitée). Pour pallier ces inconvénients, il a été proposé dans le document Selon cette technique, illustrée à la Une augmentation de la dynamique est ainsi obtenue, puisque la charge totale « stockable » est multipliée virtuellement par le coefficient La cohérence temporelle est simulée en encadrant la phase d'injection « A » par les deux phases d'injection « B1 » et « B2 ». On notera que cette technique fonctionnement de manière satisfaisante pour des flux incidents d'évolution progressive. Toutefois, un flux incident impulsionnel ne pourra être acquis simultanément par les phases « A » et « B1+B2 ». Pour un tel flux incident, la cohérence temporelle n'est pas réalisée. Par ailleurs, le choix d'un condensateur de plus faible capacité pour les phases « B1 » et « B2 » est rendu possible en complément de la phase « A », ce qui permet de réduire le niveau de bruit global du signal obtenu. Toutefois, les échantillonnages successifs des phases « B1 » et « B2 » contribuent à l'augmentation du bruit de lecture. En outre, il est indiqué dans le document susmentionné qu'un dispositif de lecture spécifique est utilisé. Afin de remplir toutes les fonctionnalités énoncées dans ce document, il est probable que ledit dispositif comporte un condensateur supplémentaire, ce qui est pénalisant dans la mesure où le dispositif de lecture est usuellement intégré dans une petite surface, par exemple dans un détecteur matriciel à petit pas. Un autre exemple de dispositif de l'état de la technique est décrit dans l'article " Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de lecture des charges produites par un photodétecteur d'un détecteur matriciel permettant d'augmenter la dynamique de celui-ci sans dégrader le bruit de lecture. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de lecture de charges électriques produites par un photodétecteur d'une matrice de photodétecteurs, tel que défini dans la revendication 1. Selon l'invention, le transfert suivi de la lecture est réalisé en au moins deux phases, au moins une première phase ayant lieu pendant le recueil et le stockage des charges dans le premier élément capacitif, et une seconde phase ayant lieu à la fin du recueil et du stockage des charges électriques dans le premier élément capacitif. En d'autres termes, on utilise la caractéristique selon laquelle la lecture de la tension aux bornes du second élément capacitif n'est pas destructrice, la quantité de charges stockées dans cet élément avant la lecture étant sensiblement égale à la quantité de charges stockées après la lecture. Il est ainsi possible de transférer, au cours même du stockage dans le premier élément capacitif, les charges déjà stockées dans celui-ci et lire la tension correspondante. Une fois la durée d'intégration terminée, les charges accumulées dans le premier élément capacitif depuis ce transfert sont également transférées vers le second élément capacitif et viennent s'ajouter aux charges déjà stockées. De fait, la charge totale en fin d'intégration est sensiblement égale à celle obtenue en fin de durée d'intégration par l'état de la technique mais, selon l'invention, on dispose d'au moins une mesure intermédiaire supplémentaire de tension. Cette mesure intermédiaire obtenue avec un temps d'intégration plus court couvre une dynamique située au dessus de la dynamique correspondant à l'état de la technique. Elle complète ainsi la dynamique de l'état de la technique et la dynamique globale du détecteur est ainsi étendue. De plus, la dynamique de haut niveau du détecteur est déduite de la mesure de la première phase et la dynamique de bas niveau est déduite de la mesure de la deuxième phase. Par ailleurs, le bruit de mesure n'est pas augmenté par les mesures intermédiaires car les lectures sont non destructrices. Le bruit de chaque échantillonnage de lecture est ainsi annulé après chaque lecture par un rééquilibrage des charges lors de la phase suivante. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la ou chaque phase de transfert intervenant pendant le recueil et le stockage des charges dans le premier élément capacitif est réalisée simultanément pour tous les photodétecteurs de la matrice de photodétecteurs. En outre, et avantageusement, le second élément capacitif est déchargé uniquement après la seconde phase de transfert. L'invention a également pour objet un dispositif de lecture de charges électriques produites par un photodétecteur d'une matrice de photodétecteurs, tel que défini dans la revendication 4. Selon l'invention, le circuit de pilotage est apte à fermer l'interrupteur lors d'au moins deux phases, au moins une première phase ayant lieu pendant l'activation du circuit d'injection, et une seconde phase ayant lieu à la fin de l'intégration, après que le circuit d'injection soit désactivé. En d'autres termes, le dispositif met en oeuvre le procédé du type précité. Avantageusement, le circuit de pilotage est apte à fermer les interrupteurs associés respectivement aux photodétecteurs de manière synchronisée. En outre, et selon une autre caractéristique avantageuse, le circuit de pilotage est apte à décharger le second élément capacitif lorsque le circuit de lecture est désactivé. L'invention a également pour objet un détecteur de rayonnement électromagnétique, comportant une pluralité de photodétecteurs aptes à créer des charges électriques ou moduler un courant électrique sous l'effet d'un rayonnement électromagnétique incident, le détecteur comportant, associé à chacun des photodétecteurs, un dispositif du type précité pour la lecture de charges produites par le photodétecteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels :
Sur la Ce procédé diffère essentiellement de celui décrit en relation avec la Une fois le signal « INJ » basculé en 32 dans son état bas, l'ordonnancement des signaux est alors celui décrit en relation avec la Ainsi, une partie des charges produites par la photodiode 12, accumulées dans le condensateur d'intégration 14 pendant une durée prédéterminée Tintc, est transférée vers le condensateur de lecture 16 pour lecture sans pour autant que ce dernier soit déchargé avant la lecture suivante. A la fin de la phase d'intégration, l'ensemble des charges produites par la photodiode 12 pendant la durée d'intégration Tint se répartit ainsi entre les condensateurs 14 et 16, puis est finalement stocké dans le condensateur de lecture 16 à la fin du transfert 36 pour lecture. De fait, une mesure supplémentaire est réalisée, cette mesure étant temporellement cohérente avec la mesure réalisée à la fin de la durée d'intégration Tint. En outre, le positionnement du transfert de charges entre les condensateurs 14, 16 à l'intérieur de la durée d'intégration Tint permet de mesurer des flux plus importants sans dépasser la limites des charges stockables du circuit de lecture. La dynamique est ainsi étendue. En outre, le circuit de pilotage 24 synchronise l'ensemble des transferts et des lectures de tension effectués pendant le durée d'intégration Tint pour les photodiodes du détecteur. Il est ainsi obtenu deux images temporellement cohérentes de la scène mais présentant des contrastes différents. On obtient notamment plus de détails dans les basses lumières et dans les hautes lumières. La cohérence temporelle est définie par le fait qu'il existe un intervalle temporel pendant lequel les charges produites par la photodiode 12 se retrouvent dans toutes les images obtenues. Bien qu'il ait été décrit un seul transfert et une seule lecture des charges produites par la photodiode pendant la durée d'intégration Tint, plusieurs mesures sont possibles, tel que cela est illustré à la De préférence, la capacité du condensateur de lecture 16 est sensiblement inférieure à la capacité du condensateur d'intégration 14 afin de maximiser la taille du condensateur d'intégration qui définit le nombre maximum de charge stockable dans le circuit de lecture. A titre d'exemple, la capacité du condensateur de lecture 16 est inférieure au tiers de la capacité du condensateur d'intégration 14. Grâce à l'invention, il est ainsi obtenu les avantages suivants :
Method for reading electrical charges produced by a photo-detector (12) of a photo-detector matrix, comprising collecting and storing (30) electrical charges produced by the photo-detector (12) during a predetermined integration period Tint in a first capacitive element (14) distinct from the photo-detector (12), balancing (34, 50; 34, 60-66) the charges stored in the first capacitive element (14) to a second capacitive element (16) distinct from the photo-detector (12), and non-destructive reading (38, 54; 38, 68-74) the voltage at the terminals of the second capacitive element (16), method in which balancing (34, 50; 34, 60-66) followed by reading (38, 54, 38, 68-74) is carried out in at least two phases, each comprising balancing the charges stored in the first capacitive element (14) to the second capacitive element (16) followed by reading the voltage at the terminals of the second capacitive element (16) ;
▪ at least one first phase (50; 60-66) taking place during the collection and storage (30) of the charges in the first capacitive element (14), ▪ and a second phase (34) taking place at the end of the integration period Tint after the collection and storage (30) of the electrical charges in the first capacitive element (14). Method for reading electrical charges as claimed in claim 1, Method for reading electrical charges as claimed in one of claims 1 and 2, Device for reading electrical charges produced during a predetermined integration period Tint by a photo-detector (12) of a photo-detector matrix, said device comprising:
▪ a first and a second capacitive elements (14, 16) distinct from the photo-detector (12), ▪ an injection circuit (18), capable, when it is enabled, of biasing the photo-detector (12) and of transferring the charges produced thereby to the first capacitive element (14), ▪ a controllable switch (20), capable in its closed state, of balancing the charges stored in the first capacitive element (14) to the second capacitive element (16), ▪ a non-destructive read circuit (22) capable of reading the voltage at the terminals of the second capacitive element (16), ▪ and a control circuit (24) capable of controlling the switch (20) in order to balance the charges from the first capacitive element (14) to the second capacitive element (16), Device for reading electrical charges as claimed in claim 4, Device for reading electrical charges as claimed in one of claims 4 and 5, Detector of electromagnetic radiation comprising a plurality of photo-detectors capable of creating electrical charges or modulating a current under the effect of an incident electromagnetic radiation, the detector comprising, associated with each of the photo-detectors, a device as claimed in any one of the claims 4 to 6 for reading charges produced by the photo-detector.DOMAINE DE L'INVENTION
ETAT DE LA TECHNIQUE
EXPOSE DE L'INVENTION
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
in which the control circuit (24) is capable of closing the switch (20), and then controlling the reading of the voltage at the terminals of the second capacitive element (16), during the course of at least two phases (34, 50; 34, 60-66), at least one first phase (50; 60-66) taking place while the injection circuit (18) is enabled, and a second phase (34) taking place at the end of the integration period (Tint), after the injection circuit (18) is disabled.
