FR2941327A1 - Dispositif de saisie d'images comprenant des moyens de rassemblement de pixels. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de saisie d'images comprenant n (n étant un nombre entier) capteurs d'image agencés pour saisir des images respectivement d'une même scène selon au moins trois couleurs différentes, chacun des capteurs comprenant une matrice de pixels, chaque pixel étant associé à un transistor MOS de transfert (TR1-TR4), les transistors de transfert de n pixels voisins étant associés à une même sortie ; et un circuit de lecture (RST, SF, RD) associé à des moyens de commande pour lire : - la sortie de chaque transistor de transfert séparément, ou - les sorties de deux à n transistors de transfert voisins cumulativement.

Description

B9173 - 08-GR1-273 1 DISPOSITIF DE SAISIE D'IMAGES COMPRENANT DES MOYENS DE RASSEMBLEMENT DE PIXELS

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour compenser un défaut de luminosité et/ou de netteté d'images saisies par un ou plusieurs capteurs d'images couleur.

Exposé de l'art antérieur Les capteurs d'images dans des dispositifs de saisie d'images numériques sont généralement formés à partir d'un dispositif à couplage de charge CCD, ou de dispositifs CMOS, comprenant une matrice de cellules de pixels, chaque cellule de pixel comportant une photodiode pour collecter des charges électriques et produire une tension de sortie en fonction de la lumière qu'elle reçoit. La figure 1A illustre une partie d'un filtre coloré 100 pour un capteur d'image connu sous le nom de filtre de Bayer. Le filtre de Bayer 100 comporte une matrice rectangulaire de filtres colorés élémentaires alignés avec les pixels du capteur d'image. Les filtres colorés ont pour fonction de sélectionner une plage de longueurs d'onde de la lumière incidente et sont agencés en un motif choisi de sorte qu'un groupe de quatre filtres colorés, en carré, comprend deux filtres verts disposés diagonalement, un filtre rouge et un filtre bleu.

B9173 - 08-GR1-273

2 La figure 1B représente un système optique comprenant le filtre de Bayer 100 de la figure 1A, disposé sur un capteur d'image 102 comprenant une matrice de cellules de pixels, chaque cellule de pixel incluant une photodiode. Une image est formée sur le capteur d'image 102 par un objectif 104. Une micro-lentille 106 est formée au dessus de chaque cellule de pixel dans la matrice, pour focaliser la lumière sur une zone active de la photodiode correspondante qui n'occupe qu'une partie déterminée de la surface du capteur.

La figure 2A représente un exemple de circuit de lecture classique de pixels. Chaque pixel comprend un élément photosensible représenté par une diode, correspondant à des signaux lumineux vert, bleu, rouge et vert, G, B, R et G, 121 à 124. Chaque diode est associée à un transistor de transfert TRI à TR4 dont la borne de drain est connectée à la borne de source d'un transistor de remise à zéro RST (reset) dont le drain est connecté à une borne d'alimentation VDD. La borne VDD est égale-ment connectée à un transistor suiveur SF (source follower) en série avec un transistor de lecture RD (read) et une source de courant I. La grille du transistor suiveur SF est connectée à un noeud N des drains des transistors de transfert TRI à TR4. La sortie lue sur la source du transistor RD est désignée par Vout. Les transistors RST, TRI à TR4 et RD sont prévus pour fonctionner en commutation et le transistor SF est prévu pour fonctionner en suiveur (en régime linéaire). On comprendra qu'un circuit de lecture comprenant les transistors RST, SF, RD et la source de courant I pourrait théoriquement être associé à chaque transistor de transfert T1. Ces éléments devraient alors être prévus pour chaque pixel. En pratique, pour réduire la surface, on adopte généralement le montage illustré en figure 2A, dans lequel chacune des quatre diodes G, B, R et G correspondant à quatre pixels voisins G, B, R et G (vert, bleu, rouge et vert) est associée à un transistor de transfert TRI à TR4, mais dans lequel ces quatre diodes partagent un même circuit de lecture comprenant les transistors B9173 - 08-GR1-273

3 RST, SF, RD et la source de courant I. Ceci impose un chrono-gramme de lecture particulier. Un exemple de chronogramme de fonctionnement du circuit de la figure 2A est illustré en figure 2B. Le transistor RST est initialement à l'état passant pour précharger le noeud N. On met alors le transistor RST à l'état non passant et le transistor de lecture RD à l'état passant, tous les transistors de transfert étant à l'état non passant et, à un instant t1, on échantillonne la sortie Vout pour obtenir un signal de référence qui tient compte du bruit du système. Ensuite, on rend passant le premier transistor de transfert TRI et, à un instant t2, on échantillonne à nouveau la tension Vout qui tient alors compte de la quantité de charges accumulées dans la première diode G. On répète ce processus et on procède de même à des échantillon- nages à des instants t3, t4, t5, t6 et t7, t8 pour les transis-tors de transfert TR2, TR3 et TR4. Divers circuits de traitement non représentés sont prévus pour numériser le signal Vout et procéder au traitement des signaux des diverses couleurs obtenus. Les instants d'échantillonnages sont fixés par un signal couramment appelé CDS (Correlated Double Sampling - double échantillonnage corrélé). Dans certains cas, essentiellement quand l'image, pour le pixel considéré a une très faible intensité, la tension sur la grille du transistor SF est peu différente de la tension de bruit et l'indication donnée par le pixel est peu significative car elle est peu différente du bruit. Une solution qui a été envisagée pour résoudre ce problème consiste à lire des images correspondant à des rassemblements de pixels (binning). Pour ce faire, on essaye par exemple de cumuler les signaux Vout carres- pondants des ensembles de quatre pixels voisins de même couleur. On peut montrer que, si on cumule les signaux Vout de n pixels voisins, le rapport signal/bruit est amélioré d'un facteur n, n étant égal à 4 dans l'exemple indiqué ci-dessus. Toutefois, en pratique, cela exige de prévoir des circuits relativement complexes pour effectuer la combinaison des tensions lues pour les divers pixels. De plus, le recours à des rassemblements de B9173 - 08-GR1-273

4 pixels voisins est limité, si on veut éviter une pixellisation excessive de l'image résultante. Résumé Un objet de modes de réalisation de la présente inven- tion est de prévoir un dispositif qui pallie un ou plusieurs inconvénients des dispositifs de l'art antérieur et qui permette une amélioration de luminosité et/ou de netteté d'images couleur. Selon un mode de réalisation de l'invention, un dispo- sitif de saisie d'images comprend n (n étant un nombre entier) capteurs d'image agencés pour saisir des images respectivement d'une même scène selon au moins trois couleurs différentes, chacun des capteurs comprenant une matrice de pixels, chaque pixel étant associé à un transistor MOS de transfert, les transistors de transfert de n pixels voisins étant associés à une même sortie ; et un circuit de lecture associé à des moyens de commande pour lire : - la sortie de chaque transistor de transfert séparément, ou les sorties de deux à n transistors de transfert voisins 20 cumulativement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les sorties de quatre transistors de transfert sont reliées à la grille d'un transistor suiveur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 25 le nombre n est une puissance entière de 2. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque circuit de lecture comprend, pour un groupe de quatre pixels voisins, un transistor de remise à zéro connecté entre une borne d'alimentation et les drains des transistors de 30 transfert et un transistor suiveur en série avec un transistor de lecture et une source de courant connectés entre la borne d'alimentation et la masse, la grille du transistor suiveur étant connectée aux sorties des quatre transistors de transfert. Brève description des dessins 35 Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante B9173 - 08-GR1-273

de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1A, précédemment décrite, est une vue de dessus d'un filtre de Bayer ; 5 la figure 1B, précédemment décrite, représente schématiquement un système optique comprenant le filtre de Bayer de la figure 1A ; les figures 2A et 2B, précédemment décrites, représentent respectivement un circuit de lecture de pixels adapté à un système à filtre de Bayer et un chronogramme correspondant ; la figure 3 est une vue de dessus d'un capteur d'image utilisé selon un mode de réalisation de la présente invention ; et les figures 4A et 4B représentent respectivement un circuit de lecture de pixels adapté à un système tel que représenté en figure 3 et un chronogramme correspondant selon un mode de réalisation de la présente invention. Description détaillée La figure 3 est une vue de dessus d'un agencement 200 de quatre capteurs d'images rectangulaires 202, 204, 206 et 208 agencés pour saisir le vert, le bleu, le rouge et le vert, respectivement. Chaque capteur d'image comporte une matrice de cellules de pixels. Un filtre global de couleur (non représenté) est associé à chaque capteur d'image 202 à 208, chaque filtre global de couleur étant d'une seule couleur et filtrant la lumière de tout un capteur d'image. Les images saisies par les capteurs 202 à 208 peuvent être combinées pour fournir une image couleur unique. Un agencement de lentilles frontales par exemple moulées 210, illustré par des pointillés en figure 3, est disposé au-dessus des capteurs d'images 202 à 208 pour focaliser l'image sur chaque capteur. L'agencement de lentilles frontales comprend des objectifs 212, 214, 216 et 218 disposés au-dessus des capteurs 202 à 208, respectivement.

Des images d'une même scène sont formées par les objectifs 212 à 218 sur les capteurs d'images 202 à 208. La B9173 - 08-GR1-273

6 séparation entre les capteurs d'images provoque une très petite différence due à l'erreur de parallaxe entre les images formées sur chaque capteur, mais, étant donné que, dans cet exemple, les centres des capteurs sont séparés de seulement 1 mm, la diffé- rence peut être considérée comme négligeable. Chacun des objectifs 212 à 218 peut être optimisé pour une couleur particulière qu'il est en charge de transmettre, de sorte qu'il n'y a pas de problèmes d'aberrations chromatiques. Ceci constitue un avantage par rapport à des systèmes dans lesquels un objectif doit transmettre toutes les couleurs et doit donc présenter une haute qualité chromatique. Il est ainsi possible d'obtenir de bonnes résolutions avec des lentilles moulées éventuellement colorées dans la masse. De façon générale, les capteurs d'image sont consti- tués en formant des dispositifs actifs dans un substrat semi-conducteur puis en formant un empilement d'interconnexions sur le substrat semiconducteur. La lumière arrivant sur les photo-diodes arrive du côté de l'empilement d'interconnexions et doit passer à travers une succession de couches isolantes de cet empilement tandis que les positions des parties métalliques de l'empilement doivent être sélectionnées pour ne pas gêner la propagation lumineuse. C'est la raison pour laquelle les micro-lentilles doivent être performantes, et en particulier parfaite-ment alignées par rapport aux pixels sous-jacents, car ce sont elles qui guident la lumière à travers les ombrages provoqués par les interconnexions. En conséquence, on a proposé les dispositifs à éclairement par la face arrière (BSI - acronyme du terme anglo-saxon Back Side Illumination) dans lesquels le dispositif est retourné et gravé de sorte que la lumière arrive sur les photodiodes à partir de la face arrière du substrat semiconducteur, c'est-à-dire du côté opposé au côté sur lequel l'empilement d'interconnexions est formé. Dans de tels dispositifs BSI, il n'est généralement pas nécessaire d'associer une microlentille à chaque pixel.

Grâce à cette utilisation de quatre capteurs d'image matriciels monochromes, plutôt que d'une matrice de pixels B9173 - 08-GR1-273

7 composite à filtre de Bayer, il est possible de résoudre le problème du rassemblement des images de pixels en utilisant un circuit simple et en améliorant le rapport signal/bruit des images obtenues.

Ainsi, comme l'illustre la figure 4A, un mode de réalisation de la présente invention propose un circuit pour analyser l'image de quatre pixels voisins 221 à 224 d'une même couleur, par exemple quatre pixels rouges. Ce circuit est en fait identique au circuit antérieur illustré en relation avec la figure 2A, ce qui constitue un avantage important puisque cela ne nécessite pas de reconcevoir le circuit et la topologie des divers pixels. On peut adopter sans modification un mode de lecture du type de celui décrit en relation avec la figure 2B pour lire séparément les charges stockées dans chacune des diodes associées aux pixels 221 à 224. On peut aussi rassembler ces pixels voisins deux par deux ou quatre par quatre sans modifier la topologie du circuit. Un exemple de chronogramme adapté au rassemblement des pixels quatre par quatre est illustré en figure 4B. Dans ce cas, on commence par rendre le transistor RST non passant et le transistor RD passant, les transistors TR étant non passants. A un instant t11, on lit les charges accumulées sur la grille du transistor SF, pour obtenir un signal de référence. Ensuite, on rend simultanément passant les transistors TRI à TR4 et on lit la charge accumulée sur la grille du transistor SF à un instant t12, pour obtenir un signal correspondant à l'éclairement de quatre pixels. Ainsi, on peut très facilement effectuer grâce à la présente invention le rassemblement des intensités lumineuses correspondant à quatre pixels voisins. On notera que cette fois ci on additionne des charges présentes sur une grille et non pas des tensions de sortie. Ceci présente un avantage important. En effet, on peut démontrer que, dans ce cas, le rapport signal/bruit augmente d'un facteur n2, si n est le nombre de pixels traités simultanément. Ainsi, avec quatre pixels lus simultanément, on augmente le rapport signal/bruit d'un facteur B9173 - 08-GR1-273

8 16, au lieu d'un facteur 4 dans l'art antérieur des matrices de pixels utilisant des transistors CMOS. On a décrit ici le cas du rassemblement de quatre pixels. On aurait aussi pu procéder au rassemblement de seule- ment deux pixels voisins et on aurait alors eu une amélioration de rapport facteur/bruit d'un facteur 4 (et non pas de 2 si on s'était contenté d'additionner les tensions Vaut obtenues). On aurait aussi pu interconnecter les drains d'un plus grand nombre (n) de transistors de transfert et on pourra alors procéder à des mesures pour tout rassemblement de pixels compris entre 2 et n. De préférence n sera une puissance entière de 2. Bien que l'association de la séparation des couleurs selon le principe ci-dessus et de la technologie BSI apporte des avantages certains, la présente invention s'applique aussi aux réalisations classiques à éclairement par la face avant des matrices 202-208. Le dispositif de saisie d'images est, par exemple, un téléphone mobile, un appareil photographique numérique, une console de jeux portable, ou autre dispositif comprenant un appareil numérique. Alors que des modes de réalisation particuliers ont été décrits, il est clair pour l'homme de l'art que diverses modifications et variantes peuvent être utilisées. En particulier, on a décrit le cas où deux filtres verts étaient utilisés, car il s'agit là de la configuration la plus classique. Néanmoins, on pourrait choisir un système à seulement trois capteurs d'image, rouge, vert et bleu, ou encore à quatre capteurs d'image, rouge, vert, bleu et incolore. Il est clair pour l'homme du métier que les diverses caractéristiques décrites ci-dessus en relation avec les différents modes de réalisation et avec l'état de la technique peuvent être combinées en n'importe quelle combinaison.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de saisie d'images couleur comprenant : n (n étant un nombre entier) capteurs d'image (202-208) agencés pour saisir des images respectivement d'une même scène selon au moins trois couleurs différentes, chacun des capteurs comprenant une matrice de pixels, chaque pixel étant associé à un transistor MOS de transfert (TR1-TR4), les transis-tors de transfert de n pixels voisins étant associés à une même sortie ; et un circuit de lecture (RST, SF, RD) associé à des 10 moyens de commande pour lire : - la sortie de chaque transistor de transfert séparément, ou - les sorties de deux à n transistors de transfert voisins cumulativement.
2. 2. Dispositif de saisie d'images selon la revendica- 15 tion 1, dans lequel les sorties de quatre transistors de transfert sont reliées à la grille d'un transistor suiveur (SF).
3. 3. Dispositif de saisie d'images selon la revendication 1, dans lequel le nombre n est une puissance entière de 2.
4. 4. Dispositif de saisie d'images selon l'une 20 quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque circuit de lecture comprend, pour un groupe de quatre pixels voisins : un transistor de remise à zéro (RST) connecté entre une borne d'alimentation (VDD) et les drains des transistors de transfert ; et 25 un transistor suiveur (SF) en série avec un transistor de lecture (RD) et une source de courant (I) connectés entre la borne d'alimentation (VDD) et la masse, la grille du transistor suiveur (SF) étant connectée aux sorties des quatre transistors de transfert.