FR3066344A1 - Procede de correction des non-uniformites dans les capteurs d'image - Google Patents

Abstract

Procédé de calibration des pixels (41) d'un capteur (40) à au moins deux pixels, notamment un capteur matriciel, comportant les étapes consistant à : - Placer le capteur dans l'obscurité, - injecter des charges de façon contrôlée dans au moins un pixel pour simuler un éclairement, - mesurer la réponse du ou des pixels à cette injection de charges, - calculer une correction de non uniformité à apporter au capteur en fonction de la réponse mesurée.

Description

PROCEDE DE CORRECTION DES NON-UNIFORMITES DANS LES CAPTEURS D’IMAGES

La présente invention concerne la correction des non-uniformités dans les capteurs d’image contenant au moins deux pixels.

Arrière-plan

Malgré les progrès effectués dans la fabrication des capteurs d’image, des non-uniformités de fabrication persistent en raison de non-uniformités présentes tant dans les matériaux semi-conducteurs que dans les composants actifs impliqués dans le circuit de lecture. Ce problème de non-uniformité est particulièrement prononcé dans un capteur infrarouge dont les matériaux semi-conducteurs, souvent composites, sont difficiles à produire avec une grande uniformité.

Ces non-uniformités de fabrication se manifestent par des différences de réponse photoélectrique entre les différents pixels qui composent le capteur, comme illustré de façon schématique à la figure IA pour trois pixels. Elles doivent être corrigées afin d’obtenir une image de qualité. Cette opération de correction, dite NUC pour Non Uniformity Correction en anglais, peut être réalisée par des circuits numériques intégrés dans le capteur ou dans le dispositif qui l’inclut, par exemple une caméra. Elle peut être réalisée aussi par un ordinateur via un logiciel de traitement d’image.

Le traitement NUC applique une correction à la courbe de réponse photoélectrique des pixels afin que cette courbe de réponse devienne celle de référence après la correction. Cela nécessite une phase de prises d’images avec différents niveaux d’illumination uniforme sur la matrice de pixels du capteur. Ces images sont comparées à des images de référence de réponse uniforme, et la différence entre les images réelles et les images de référence permet de déterminer les facteurs de correction à appliquer.

En fonction de la nature des non-uniformités, une, deux, voire plus d’images sont nécessaires pour déterminer précisément les facteurs de correction à appliquer. Pour un capteur à réponse photoélectrique linéaire, tel qu’illustré à la figure IA, les non-uniformités peuvent être représentées en offset et en gain. Pour corriger l’offset et le gain, deux images sont nécessaires, dont une image D prise sans illumination optique et l’autre B avec une illumination uniforme sur la matrice. L’image D permet d’obtenir l’offset OS de chaque pixel et la différence entre les images B et D permet d’obtenir le gain G de chaque pixel. Le circuit de correction ou le logiciel de correction applique sur chaque pixel I la transformation : (I-OS)/G. La figure IB illustre une opération NUC à deux points.

Si la réponse des pixels n’est pas tout à fait linéaire, plusieurs images avec différents niveaux d’illumination sont nécessaires pour apporter une correction efficace. L’article NUC Algorithm for Correcting Gain and Offset Non-uniformities Parul Goyal IJCSET/March 2011/Vol 1, Issue 2,70-76 donne un exemple de correction complexe.

Aujourd’hui avec les progrès réalisés en micro-électronique, l’opération NUC ne représente plus de difficulté calculatoire. Les difficultés majeures se trouvent dans la modélisation des non-uniformités et dans les prises d’images (dites prises d’images NUC) avec différents niveaux d’illumination.

La difficulté dans les prises d’images NUC est l’uniformité de l’illumination. Il est difficile en pratique de créer une illumination avec une grande uniformité, surtout quand cette prise d’image NUC ne peut être réalisée dans un laboratoire d’optoélectronique. Cette prise d’image NUC peut notamment être entachée par la présence de poussières sur la surface de capteur ou sur la fenêtre optique du capteur. La présence d’une poussière occulte l’illumination localement et crée par conséquence un sur-gain de correction pour les pixels situés dessous. Quand cette poussière est partie, ce sur-gain de correction crée un pixel sur-brillant.

De plus, ce besoin d’une illumination uniforme rend la prise d’image NUC quasi impossible une fois le capteur déployé. Or les propriétés photoélectriques d’un capteur peuvent changer dans son environnement de fonctionnement. Par exemple, la variation en température ou le vieillissement peuvent altérer la réponse des pixels, nécessitant une nouvelle calibration NUC. Une re-calibration des coefficients NUC in situ serait un vrai plus pour une correction NUC de bonne qualité et durable. Résumé

La présente invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient grâce à un procédé de calibration des pixels d’un capteur à au moins deux pixels, notamment un capteur matriciel, comportant les étapes consistant à : - Placer le capteur dans l’obscurité, injecter des charges de façon contrôlée dans au moins un pixel pour simuler un éclairement, mesurer la réponse du ou des pixels à cette injection de charges, calculer une correction de non uniformité à apporter au capteur en fonction de la réponse mesurée.

Par placer le capteur dans l’obscurité, il faut comprendre empêcher la lumière d’atteindre la surface active de celui-ci.

La présente invention permet de remplacer l’illumination uniforme pendant la prise d’images NUC par une injection de charges dans les pixels. Les charges peuvent être injectées dans tous les pixels avec une même intensité pour simuler un niveau d’éclairement uniforme donné. Cette injection de charges peut être contrôlée par un signal électrique programmable, pour simuler les différents niveaux d’illumination requis au calcul des coefficients NUC.

On peut ainsi injecter successivement les charges avec des intensités différentes dans chaque pixel, pour simuler des niveaux d’éclairement respectifs différents, en effectuant une mesure de la réponse du pixel après chaque injection. L’injection de charges électriques permet de réaliser la prise d’images NUC in situ. L’injection des charges peut se faire avec une ou plusieurs diodes d’injection distinctes des photodiodes. On peut réaliser cette injection avec une diode d’injection par photodiode ou en variante avec une diode d’injection pour plusieurs photodiodes. On peut avoir une photodiode par pixel ou plus.

Un obturateur peut être déclenché pour placer le capteur dans l’obscurité avant d’effectuer la calibration.

Le procédé de calibration peut être mis en œuvre à chaque fois que l’environnement du capteur change ; par exemple, la température de l’environnement du capteur est mesurée, et une nouvelle calibration est effectuée automatiquement lorsque la température mesurée diffère d’un écart prédéfini de la température à laquelle la calibration précédente a été effectuée.

Le capteur peut être un capteur infrarouge et comporter un substrat InGaAs. L’injection des charges dans le substrat d’un pixel peut être réalisée à l’aide d’une jonction de diode polarisée en direct pendant cette injection, la diode d’injection étant utilisée ensuite avec une polarisation inverse lorsque le capteur est utilisé normalement.

La diode d’injection peut être utilisée pour diminuer l’éblouissement du pixel. L’invention a encore pour objet un dispositif comportant un capteur à au moins deux pixels, notamment un capteur matriciel, comportant : pour au moins un pixel, un substrat et une jonction de diode permettant d’injecter lorsque polarisée en direct des charges dans le substrat, - un circuit de contrôle de la calibration du capteur, pour commander l’injection de charges dans le ou les pixels via la ou lesdites jonctions, les pixels étant lors de cette injection placés dans une condition d’obscurité, mesurer la réponse du ou des pixels, calculer à partir de la ou des réponses mesurées une correction de non uniformité à apporter au capteur.

Le circuit de contrôle peut faire varier le courant d’injection des charges de façon à ce qu’il prenne successivement plusieurs valeurs, pour simuler plusieurs niveaux d’éclairement uniformes.

Les caractéristiques mentionnées ci-dessus en liaison avec le procédé valent pour le dispositif également. Le substrat peut ainsi être en InGaAs.

La jonction de la diode d’injection peut être celle d’une diode d’anti-éblouissement, polarisée en inverse lors du fonctionnement normal du capteur.

Le capteur peut comporter autant de diodes d’injection que de photodiodes. En variante, le capteur comporte plusieurs photodiodes par diode d’injection.

Chaque pixel peut comporter une seule photodiode.

Le dispositif peut comporter un obturateur pour placer les pixels dans l’obscurité. Cet obturateur peut être commandé par le circuit de contrôle.

Description des figures L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : - La figure IA, précédemment décrite, donne un exemple de non-uniformité de réponse de pixels, la figure IB, précédemment décrite également, illustre un exemple de correction NUC dans l’exemple de la figure 1, la figure 2A illustre la génération de charges photoélectriques lors de l’éclairement d’un capteur, la figure 2B illustre la simulation de la génération de charges photoélectriques par injection dans le substrat d’un courant par une diode polarisée en direct, la figure 3 représente de façon schématique en vue de dessus un exemple de capteur matriciel selon l’invention, la figure 4 représente un exemple de structure de pixel selon l’invention, avec le circuit de lecture associé, la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 d’une variante de pixel, la figure 6 représente de façon schématique un dispositif selon l’invention, et la figure 7 est une vue analogue à la figure 3 d’une variante de capteur selon l’invention. L’invention est applicable à tout type de capteur basé sur l’utilisation de photodiodes à jonction PN ou de capacitances MOS (CCD).

La figure 2A illustre une photodiode 10 réalisée par dopage en 11 d’un substrat semi-conducteur 30. La zone dopée 11 de la photodiode 10 collecte des charges mobiles dans son voisinage et génère ainsi un signal électrique. Ce dernier peut être sous forme de charges (capteur CCD) ou sous forme de tension (capteur APS). Quand ces charges mobiles sont créées par l’incidence des photons, le signal de sortie de la photodiode renseigne sur l’énergie ou la puissance de la lumière.

La figure 2B représente la structure de la figure 2A dans laquelle on a ajouté conformément à l’invention une diode PN référencée 20. Quand on fait circuler un courant dans le sens positif de la polarisation, une certaine quantité de charges mobiles est injectée dans le substrat 30. Si cette injection de charges mobiles se fait dans le voisinage de la photodiode 10, les charges seront collectées sans distinction par cette dernière de leur origine. Dans ce cas, on peut simuler l’effet de photons incidents par cette injection de charges. La quantité de charges mobiles collectée par la photodiode 10 est directement liée à la quantité de charges électriques injectées, donc au courant électrique d’injection.

Autrement dit, si l’on place une diode PN dite diode d’injection à proximité d’une photodiode d’un pixel actif et que l’on injecte un courant électrique contrôlé, la photodiode collecte ces charges mobiles injectées comme si un spot de lumière était présent à proximité, même quand le pixel est placé dans une obscurité totale. Lorsque cet arrangement est fait dans une matrice de pixels dont le pas est inférieur à la longueur de diffusion des charges mobiles dans le substrat, on peut créer une densité de charges mobiles très uniforme dans la matrice de pixels grâce à la diffusion des charges mobiles.

Cet arrangement répond ainsi parfaitement au besoin de la prise d’image NUC. Avec l’injection de charges au sein des pixels réalisée conformément à l’invention, il n’y a plus besoin de faire appel à des sources de lumières programmables et uniformes. Il suffit de placer le capteur dans l’obscurité et de faire une prise d’image NUC avec différents niveaux d’injection de courant dans le substrat. A chaque niveau d’injection, on prend une image et l’on peut prendre autant d’images que nécessaire pour la construction des coefficients de la correction NUC.

Un capteur avec de tels pixels, associé à un obturateur commandé électriquement, permet de mettre à jour les coefficients NUC dans toute condition de fonctionnement et d’installation.

La diode à jonction PN ne peut injecter qu’un seul type de charges dans le substrat. Par exemple, une diffusion N dans un substrat du type P ne permet que d’injecter des électrons dans le substrat quand une tension négative est appliquée sur la diffusion N. Quand une tension positive est appliquée sur la diffusion N, elle va absorber des électrons au lieu d’y en injecter. On applique donc une tension négative sur la diffusion N de la diode d’injection afin d’injecter des électrons pour simuler une illumination pendant la prise d’image NUC pour la construction des coefficients NUC. Par contre, une tension positive y sera appliquée afin d’arrêter cette injection lors de l’utilisation normale du capteur pour prendre des images. L’absorption des électrons libres dans le substrat par la diode d’injection fait concurrence à la photodiode pendant la prise de vue. Cet inconvénient peut être minimisé par l’utilisation d’une diode d’injection de plus petite taille que celle de la photodiode.

La figure 3 représente schématiquement un capteur matriciel 40 comportant une pluralité de pixels actifs 41 comportant chacun une photodiode 10 réalisée sur un substrat semi-conducteur 30 et une diode 20 d’injection de charges, de plus petites dimensions que la photodiode.

Le rapport r entre la surface Sp de la photodiode 10 et celle Sd de la diode 20 est par exemple supérieur à 1.

La distance d entre la photodiode 10 et la diode 20 est par exemple telle que d<lo, où Id désigne la longueur de diffusion des charges dans le substrat 30.

Sur la figure 3 on a représenté l’alimentation des diodes d’injection 20. Celles-ci sont par exemple, comme illustré, toutes alimentées en parallèle par la même ligne 42 sous la même tension d’injection.

La figure 4 est un exemple de réalisation d’un pixel actif 41 à base d’une photodiode 10 en mode tension, c'est-à-dire que la tension sur la photodiode 10 est lue par un amplificateur 43 comme signal de sortie du pixel. Dans ce cas, la photodiode 10 et la diode d’injection 20 peuvent se trouver dans le même substrat 30 que l’amplificateur 43. Elles peuvent aussi dans une variante être réalisées dans un autre substrat que celui de l’amplificateur 43. Le premier cas concerne les capteurs d’image monolithiques. Le second concerne les capteurs hybrides tels que les capteurs infrarouges où la photodiode 10 et la diode d’injection 20 se trouvent dans un substrat constitué d’un matériau semi-conducteur apte à convertir les photons infrarouges en électrons ou trous libres, et sont connectées à un circuit CMOS de lecture.

La figure 5 représente une variante de réalisation avec un pixel 41 dit à transfert de charge.

La photodiode 10 est alors réalisée par une diffusion enterrée, reliée à un nœud de lecture 44 par une grille 45. Un signal de commande TX de la grille 45 permet de transférer la charge accumulée dans la photodiode enterrée 10 vers le nœud de lecture 44. La diode d’injection 20 est placée à proximité de la photodiode 10 afin d’injecter des charges quand elle est polarisée en direct par la tension Vinjection.

Le nœud de lecture 44 est relié à un amplificateur 43 qui peut être réalisé dans le même substrat ou non que la photodiode.

Les deux exemples des figures 4 et 5 utilisent des diffusions N dans un substrat P pour la photodiode et la diode d’injection. Une structure symétrique inverse, à diffusion P dans un substrat N, est bien entendu possible sans sortir du cadre de la présente invention.

On a représenté schématiquement à la figure 6 un dispositif 100 comportant un capteur 40 selon l’invention, associé à une optique 101.

Un circuit de contrôle 102 permet de commander un obturateur 103 de façon à intercepter ou non la lumière incidente et placer le capteur 40 dans l’obscurité pour la prise d’images NUC.

Durant cette prise d’images, une tension Vinjection est appliquée aux diodes d’injection 20 de façon à simuler un éclairement uniforme. L’application de la tension Vinjection s’effectue selon un programme de façon à récolter toutes les valeurs nécessaires au calcul des coefficients de la correction NUC.

Le circuit de contrôle 102 peut être reliée à un capteur de la température 105 qui permet de détecter un changement d’environnement du capteur 40 et ainsi effectuer de façon automatique une nouvelle calibration lorsque cela est souhaitable, en cas de trop forte variation de température, par exemple.

Sur la figure 6, l’obturateur 103 est représenté dans sa position escamotée, où il ne bloque pas le flux lumineux incident sur le capteur 40.

Dans cette configuration de fonctionnement normal, le circuit de contrôle 102 maintient une polarisation inverse sur les diodes 20, afin de bloquer l’injection des charges vers les photodiodes 10.

Le circuit de contrôle 102 peut être réalisé sous la forme d’un composant distinct du capteur 40. Toutefois, le circuit de contrôle peut être intégré dans un même composant que le capteur, ce composant comportant alors par exemple au moins une connexion vers une interface de commande de l’obturateur 103. L’obturateur 103 peut être intégré à l’optique 101 ou au capteur 40, le cas échéant.

On peut disposer de nombreuses autres manières les diodes d’injection.

On a par exemple, comme illustré à la figure 7, une diode d’injection 20 pour plusieurs photodiodes 10, comme illustré à la figure 7. Sur cette dernière, on voit qu’une diode d’injection 20 est associée à quatre photodiodes environnantes disposées comme les sommets d’un carré, la diode d’injection étant au centre. Les charges injectées par cette diode lors de la phase de calibration diffusent vers les photodiodes, comme illustré.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de calibration des pixels (41) d’un capteur (40) à au moins deux pixels, notamment un capteur matriciel, comportant les étapes consistant à : - Placer le capteur dans l’obscurité, injecter des charges de façon contrôlée dans au moins un pixel pour simuler un éclairement, mesurer la réponse du ou des pixels à cette injection de charges, calculer une correction de non uniformité à apporter au capteur en fonction de la réponse mesurée.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les charges sont injectées avec une même intensité dans tous les pixels pour simuler un niveau d’éclairement uniforme donné.
3. 3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel on injecte successivement les charges avec des intensités différentes dans chaque pixel, pour simuler des niveaux d’éclairement respectifs, en effectuant une mesure de la réponse du pixel après chaque injection.
4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un obturateur (103) est déclenché pour placer le capteur (40) dans l’obscurité avant d’effectuer la calibration.
5. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température de l’environnement du capteur (40) est mesurée, et une nouvelle calibration est effectuée lorsque la température mesurée diffère d’un écart prédéfini de la température à laquelle la calibration précédente a été effectuée.
6. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le capteur (40) comportant un substrat (30) InGaAs.
7. 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’injection des charges dans le substrat (30) d’un pixel étant réalisée à l’aide d’une jonction de diode (20) polarisée en direct pendant cette injection, la diode étant utilisée ensuite avec une polarisation inverse lorsque le capteur est utilisé normalement.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, les pixels comportant chacun une photodiode, le capteur comportant autant de diodes d’injection que de photodiodes.
9. 9. Procédé selon la revendication 7, les pixels comportant chacun une photodiode, le capteur comportant plus de photodiodes que de diodes d’injection.
10. 10. Dispositif (100) comportant un capteur (40) à au moins deux pixels (41), notamment capteur matriciel, comportant : pour au moins un pixel (41), un substrat (30) et une jonction de diode (20) permettant d’injecter lorsque polarisée en direct des charges dans le substrat (30), - un circuit de contrôle de la calibration du capteur (40), pour o commander l’injection de charges dans le ou les pixels via lesdites jonctions, le ou les pixels (41) étant lors de cette injection placés dans une condition d’obscurité, o mesurer la réponse du ou des pixels, o calculer à partir des réponses mesurées la correction de non uniformité (NUC) à apporter au capteur.
11. 11. Dispositif selon la revendication 10, le substrat étant en InGaAs.
12. 12. Dispositif selon l’une des revendications 10 et 11, la jonction de diode étant celle d’une diode d’anti-éblouissement, polarisée en inverse lors du fonctionnement normal du capteur.
13. 13. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, comportant un obturateur (103) pour placer les pixels dans l’obscurité.
14. 14. Dispositif selon la revendication 13, l’obturateur (103) étant commandé par le circuit de contrôle (102).
15. 15. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 10 à 14, chaque pixel comportant une photodiode et le capteur comportant autant de diodes d’injection que de photodiodes.