FR2551285A1 - Appareil de prise de vues comprenant un analyseur d'images a composants a couplage de charge - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN APPAREIL DE PRISE DE VUES COMPRENANT UN ANALYSEUR D'IMAGES A COMPOSANTS A COUPLAGE DE CHARGE. L'APPAREIL COMPORTE ESSENTIELLEMENT UN ETAGE DE SORTIE D'ELECTROMETRE14-20 AVEC UN ELEMENT FLOTTANT14, UN CIRCUIT DIFFERENCIATEUR30 DES ECHANTILLONS DE REPONSE A L'IMAGE PAR RAPPORT AU TEMPS ET UN CIRCUIT D'ECHANTILLONNAGE ET MAINTIEN40 QUI RECOIT LES ECHANTILLONS D'IMAGES DIFFERENCIES ET QUI PRODUIT UNE REPONSE A L'IMAGE SANS ESPACES. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A UNE CAMERA DE TELEVISION A SEMI-CONDUCTEURS.

Description

La présente invention se rapporte à la réduction de bruits accompagnant la

réponse en image d'un appareil de prises de vues composants à couplage

de charge, tout en évitant un double échantillonnage. 5 Dans ce texte, la description d'un composant

à transfert de charge utilise la convention suivante.

Une surface d'un substrat semi-conducteur, sur lequel des électrodes de grille du composant sont disposées est décrite comme la surface "supérieure" du composant, 10 même si les électrodes de grille sont en réalité orientées différemment par rapport à la surface du substrat En outre, des mots tels que "au-dessous" et "au-dessus" sont utilisés dans le texte en fonction

de cette convention.

En général, un étage de sortie à diffusion flottante d'un composant à couplage de charge comporte un transistor à effet de champ à métalisolant semi-conducteur (appelé ci-après MISFET) comprenant une électrode de grille connectée à la diffusion flottante Le transistor fonctionne en configuration de drain commun (ou de source commune) comme un électromètre, afin de mesurer le potentiel sur la diffusion flottante Ce potentiel indique la charge dans un puits de potentiel "au-dessous" de la diffusion 25 flottante Les mesures de potentiel se font pendant des intervalles respectifs de signal-échantillonnage

qui sont séparés par des intervalles de mise au repos.

Pendant un tel intervalle de mise au repos, le niveau de la diffusion flottante est fixé par l'effet MISFET à un potentiel de référence à un drain de mise au repos Plus particulièrement, la diffusion flottante est une source virtuelle dans ce MISFET et l'effet MISFET se produit en réponse au potentiel appliqué à une électrode de grille de mise au repos 35 qui est disposée entre la diffusion flottante et le drain de mise au repos Il est de pratique courante d'intercaler une électrode de grille supplémentaire entre la diffusion flottante et l'électrode de mise au repos et d'appliquer un potentiel direct à cette électrode de grille supplémentaire afin d'éviter

que des réponses potentielles aux impulsions de mise au repos soient induites dans la diffusion flottante.

L'opération de mise au repos consistant à fixer périodiquement le niveau de la diffusion flottante au potentiel du drain de mise au repos est accompagnée de façon indésirable d'un type de bruit appelé bruit de "mise au repos" Le bruit de mise au repos se présente comme des variations potentielles laissées sur la diffusion flottante d'un intervalle de mise au repos à un autre Le bruit de mise au repos est un problème dans les composants à transfert de charge comprenant des étages de sortie à grille flottante, aussi bien que ceux avec des étages de sortie à diffûsion flottante Le bruit de mise au repos est le bruit prédominant dans les fréquences super-vidéo des signaux de sortie des composants à transfert de charge comme les analyseurs d'images à composants à 20 couplage de charge Le bruit de mise au repos est

généralement de 8 d B au-dessus du bruit dans l'étage d'électromètre MISFET suivant la diffusion flottante.

Aux fréquences vidéo inférieures, le bruit de scintillement (ou 1/f) prédomine Le bruit de scintillement 25 se produit dans l'étage d'électromètre MISFET.

Il est connu de fournir les signaux de sortie de l'analyseur d'images à un circuit d'échantillonnage et maintien Un tel circuit échantillonne pendant les intervalles d'échantillonnage du signal de sortie de l'analyseur d'images et conserve ensuite les échantillons pendant les intervalles entre les échantillonnages La réponse du circuit d'échantillonnage et maintien a un contenu accru en bande de base (ou spectre de première harmonique) et un contenu réduit 35 dans le spectre d'harmoniques supérieures comparativement au signal de sortie d'analyseur qu'il reçoit Les coefficients d'utilisation du signal de sortie d'analyseur d'images et du bruit mélangé pendant les opérations d'amplification qui suivent sont rendus semblables par l'échantillonnage et maintien Par

conséquent, le rapport signal-bruit n'est pas consi5 dérablement dégradé pendant l'amplification Cette procédure est appelée ci-après "simple échantillonnage".

Le désir de réduire les bruits de scintillement et de mise au repos a conduit à utiliser un double échantillonnage en corrélation Dans cette procédure, 10 dans chaque cycle d'horloge du registre de sortie de l'analyseur d'images à couplage de charge, le signal sur la diffusion flottante est échantillonné une première fois, quand la charge qui dépend du bruit de mise au repos mais non du signal, est présente 15 dans le puits de potentiel induit "au-dessous" de la diffusion flottante Ce signal est ensuite échantillonné une seconde fois quand la charge dépendant à la fois du bruit de mise au repos et du signal est présente sur la diffusion flottante Chaque paire d'échantillons est ensuite combinée différentiellement pour produire des échantillons qui ne dépendent pratiquement que du signal, le bruit de mise au repos

étant supprimé.

Le double échantillonnage à corrélation devient moins praticable quand la fréquence d'échantillonnage de l'étage de sortie à composants à transfert de charge augmente Les durées d'impulsions deviennent plus courtes et l'écart entre les impulsions est diminué vers la limite imposée par le temps néces30 saire pour l'équilibrage de charge sous la sortie à diffusion flottante ou à grille flottante Quand la fréquence d'horloge du registre de sortie augmente au-dessus de quelques mégahertz, la technique de double échantillonnage à corrélation devient difficile à utiliser Il a été observé que, bien qu'avec le double échantillonnage à corrélation une réduction de bruit de 20 d B puisse être obtenue à une fréquence d'horloge de 100 k Hz dans un système analyseur d'images, à une fréquence d'horloge de 1 M Hz, une réduction de plus de

3 à 6 d Bn'est obtenue qu'avec difficulté.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 330.

753 décrit un procédé pour obtenir des signaux d'information qu'il caractérise comme relativement exempts de bruit, à l'étage de sortie d'un dispositif à transfert de charge Selon ce procédé, le signal de sortie de l'étage d'électromète à échantillonnage régulier passe 10 par un filtre passe-bande pour séparer les bandes latérales d'une modulation d'amplitude à double bande latérale, de chaque côté d'un harmonique de la fréquence d'horloge de l'étage d'électromètre Les bandes

latérales séparées sont alors détectées en synchronis15 me en utilisant un démodulateur à commutation fonctionnant sur l'harmonique de cette fréquence d'horloge.

Le spectre de bande de base des bandes latérales à modulation d'amplitude détectée en synchronisme est séparé du spectre d'harmonique associé Le spectre de bande de base est utilisé comme signal de sortie du dispositif à transfert de charge plutôt que le spectre de bande de base du signal de sortie de l'analyseur d'images qui est supprimé par le filtrage passebande

avant la détection synchrone.

Ce procédé est efficace pour supprimer le bruit de scintillement à l'étage d'électromètre, ce bruit se trouvant principalement dans la bande de base. Le bruit de mise au repos est négligé dans ce 30 brevet, mais, comme cela a été indiqué ci-dessus, le bruit de mise au repos est une source principale de bruit dans un analyseur d'images à semi-conducteurs avec un étage de sortie à grille flottante ou diffusion flottante Le bruit de mise au repos a une large bande 35 et s'étend sur le spectre des fréquences harmoniques des échantillons vidéo fournies à la sortie de l'analyseur d'images à semi-conducteurs Par conséquent, le bruit de mise au repos apporte une contribution majeure aux bruits même si une détection synchrone des bandes latérales entourant l'harmonique de fréquence d'horloge est utilisée pour récupérer le signal d'images à partir des échantillons de sortie de l'analyseur Il est bien entendu dans le cadre de

cette description que le bruit de mise au repos ne concerne pas la simple traversée des impulsions de mise au repos dont la réduction concerne le brevet 10 précité.

Il est apparu que si le signal de sortie de l'analyseur d'images à couplage de charge subit un filtrage passe-haut ou une différenciation avant l'échantillonnage et maintien, le circuit d'échantil15 lonnage et maintien convertit les composantes du spectre d'harmonique du signal de sortie de l'analyseur en des composantes de spectre de bande de base qui sont dans le domaine de fréquence d'une détection synchrone Par conséquent, le contenu à basse fré20 quence de l'image est récupéré malgré le filtrage

pass-haut du signal de sortie de l'analyseur.

En outre l'opération de maintien réagit aux crêtes du contenu spectral harmonique du signal de sortie de l'analyseur d'images et non à la valeur absolue moyenne Par conséquent, le rendement de conversion de la procédure actuellement présentée est nettement plus élevé que dans l'opération de détection synchrone décrite dans le brevet précité Ce processus utilise un échentillonnage suivi directement sans maintien d'un filtrage passe-bas, pour une réponse de détection régulière. W.F Kosonocky et J E Carnes du centre de recherche David Sarnoff de RCA Corporation décrivent l'amplificateur à diffusion flottante dans leur article 35 intitulé "Basic Concepts of Charge-Coupled Devices" publié en septembre 1975 dans RCA Review, volume 36, pages 566-593 L'article suggère la mise au repos de diffusion flottante à la barrière de potentiel établie par une grille qui est polarisée avec un potentiel direct et intercalé entre la diffusion flottante et

une grille fonctionnant comme grille de mise au repos.

Autrement dit, la diffusion flottante est mise au repos à un potentiel de canal dans le canal à transfert de charge dans lequel la diffusion flottante est disposée plutôt qu'au potentiel de grain, à l'extrémité du canal de transfert de charge Cette solution de ramener 10 au repos la diffusion flottante a pour la plus grande partie été éliminée comme impraticable par les spécialistes en la matière car cette solution introduit une distorsion prononcée à basse fréquence dans la fonction de transfert de modulation Des tâches sur les bords arrières de régions lumineuses dans des régions sombres apparaissent dans des images de télévision basées sur les échantillons vidéo provenant des analyseurs d'images à couplage de charge comportant des étages de sortie à diffusion flottante ramenés au repos à des tensions de 20 canal plutôt qu'à des tensions de drain quand les échantillons de sortie des étages de sortie sont traités de façon conventionnelle et lorsqu'un circuit de sortie à échantillonnage et maintien est utilisé

pour supprimer le passage d'horloge.

Il est apparu que la distorsion à basse fréquence dans la procédure de mise au repos de Kosonocky et Carnes ne nuit qu'à la partie en bande de base du spectre de fréquence du signal de sortie de l'analyseur d'images à couplage de charge Si la bande de base (ou au moins les fréquences inférieures dans lesquelles apparaît une distorsion) est supprimée avant l'échantillonnage et maintien pour récupérer un signal exempt d'espace, la distorsion due à la procédure de Kosonocky

et Carnes n'apparaît pas dans la réponse de sortie de 35 l'échantillonnage et maintien.

Il est également apparu que le bruit de mise au repos peut aussi être supprimé si les impulsions de mise au repos sont temporisées de façon appropriée même si la diffusion flottante est ramenée au repos au potentiel de drain de mise au repos après que chaque échantillon d'élément d'images a été passé par horloge pour se trouver "au-dessous" de la diffusion pour la mesure par électromètre En outre, cette mise au repos peut se faire sans nécessiter plus d'un échantillonnage pendant chaque intervalle de balayage

d'un élément d'image.

Il faut noter qu'après la mise au repos, se trouve un intervalle qui précède l'introduction du paquet de charges suivant sous l'élément flottant de l'étage de sortie à couplage de charge d'électromètre Le niveau de bruit de mise au repos dans cet 15 intervalle précédent est le même que le niveau de bruit mis au repos pendant l'intervalle suivant après l'introduction d'une charge et avant la mise au repos suivante Ce phénomène est exploité dans le double

échantillonnage de corrélation.

En examinant ce phénomène d'une façon quelque peu différente, il faut noter que la transition du signal qui est causée par la transition d'un paquet de charges sous l'élément flottant peut être superposée sur un palier de bruit de mise au repos et que ce 25 palier de bruit ne change que d'un élément d'images à l'autre Il faut aussi noter que la différenciation par rapport au temps du signal de sortie de l'analyseur d'images à couplage de charge, selon l'invention, supprime la réponse aux paliers de bruit de mise au repos par rapport aux réponses des transitions qui sont causées par l'introduction des paquets de charge sous l'élément flottant La détection synchrone du signal de sortie différentielle peut alors se faire sur des périodes d'échantillonnage qui s'étendent sur des parties fixes respectives des réponses décroissantes de ces transitions Le signal de sortie résultant

présente un bon rapport signal-bruit de mise au repos.

L'invention concerne donc un appareil de prise de vues à bruit réduit comprenant un analyseur d'images à composants à couplage de charge ou similaire, avec un étage d'électromètre de sortie à éléments flottants (par exemple à diffusion flottante ou à grille flottante) mis au repos répétitivement, suivi par

un circuit différenciateur puis par un circuit d'échantillonnage et maintien.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de

la description qui va suivre d'un exemple de réalisation

et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma du dispositif de récupération de signal selon l'invention, utilisé avec un analyseur d'images à couplage de charge du type à transfert de champ, La figure 2 est un profil de potentiel décrivant la mise au repos de la diffusion flottante 20 au potentiel de drain de mise au repos, Les figures 3, 4 et 5 sont des profils de potentiel décrivant des exemples de manières différentes selon lesquelles la mise au repos d'une diffusion flottante à un potentiel de canal plutôt 25 qu'à un potentiel de drain de mise au repos peut se faire, comme un élément de l'invention, et La figure 6 est un diagramme de temps décrivant la temporisation préférée de la mise au repos de

la diffusion flottante au potentiel de drain de 30 mise au repos selon la figure 2.

La figure 1 représente donc le dispositif de récupération du signal selon l'invention, utilisé

avec un analyseur d'images à semi-conducteurs.

A titre d'exemple, l'analyseur d'images est un analy35 seur 10 à couplage de charge, du type à transfert de champ L'analyseur à coupleur de charge 10 comporte un registre d'images 11 (ou A), un registre de mémoire

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de champ 12 ou (B) et un registre 13 d'entrée parallèle et de sortie en série (ou C) Les échantillons du signal de sortie sont produits par des paquets de charge transférés vers l'extrémité droite du registre 5 C 13 en utilisant un étage de conversion de charge en tension du type à diffusion flottante, à titre d'exemple Dans cet étage de conversion, des paquets de charge sont déplacés par horloge régulièrement vers l'avant, depuis la sortie du registre C 13 jusqu'à 10 un puits de potentiel disposé sous la diffusion flottante 14 La valeur de charge dans chaque paquet dans

le puits de potentiel est ensuite déterminée par un électromètre L'électromètre comporte une connexion en cascade de transistors à effet de champ 15 et 16 15 à métal-isolant-semi-conducteurs à charge de source.

Un autre MISFET 17 est connecté au MISFET 15 comme une charge de source de générateur à courant constant Une résistance 28 hors pastille constitue une charge de source pour le MISFET 16 Des échantillons du signal 20 de sortie de l'analyseur d'images à couplage de

charge 10 apparaissent aux bornes de la résistance 28.

Un potentiel direct, OD, est appliqué aux drains des MISFE Ts 15 et 16 pour conditionner ces derniers dans un fonctionnement à charge de source La source du MISFET 16 est connectée à la borne de signal de sortie 27 de l'analyseur d'images à couplage de charge 10 et, par la résistance de charge 28 à une connexion de masse. Des échantillons du signal de sortie apparais30 sant à la borne de sortie 27 d'un analyseur d'images d'accouplage de charge 10 sont appliqués à l'entrée

d'un amplificateur de tension 29 à faible bruit.

La sortie d'un amplificateur 29 fournit des échantillons du signal d'entrée à un différenciateur 30.

L'amplitificateur 29 sépare la connexion d'entrée du

différenciateur 30 du MISFET 16 à charge de source.

L'amplificateur 29 a de préférence une largeur de bande suffisamment restreinte pour couper quelque peu les fréquences vidéo supérieures Grâce à cette coupure, le différenciateur 30: (a) réagit aux transitions du signal ayant une pente réduite en produisant des impulsions avec un plus grand contenu d'énergie et (b) n'introduit pas dans la réponse vidéo finale des crêtes d'amplitude excessives qui seraient autrement présentes sous l'effet du passage du signal 10 d'horloge La réponse vidéo différenciée par rapport au temps du différenciateur 30 est appliquée comme signal d'entrée à un amplificateur 35 à faible bruit

et à large bande.

Quand chaque paquet de charge a été mesuré, 15 le potentiel de la diffusion flottante 14 est ramené au repos par l'impulsion r L'impulsion ( r est appliquée à la grille de mise au repos 18 et elle est habituellement plus étroite que l'impulsion d'horloge appliquée à la dernière grille d'horloge (non représentée) 20 du registre C 13 L'impulsion r apparaît dans le temaps o l'impulsion d'horloge apparaît La grille de mise au repos 18 est disposée "au-dessus" d'un canal de transfert de charge 19 qui s'étend le long du registre C 13 et au-delà pour inclure la diffusion 25 flottante 14 et le drain de mise au repos 20 Plus particulièrement, la grille de mise au repos 18 est disposée "au- dessus" du canal de transfert de charge 19 entre la diffusion flottante 14 et le drain de mise au repos 20 et elle est précédée par une grille D- C 21 Un potentiel direct RG est appliqué à la grille 21 La grille 21 est de préférence une grille courte

afin de réduire la quantité de charge au-dessous d'elle.

La grille 21 est utilisée pour éviter que les impulsions r appliquées à la grille de mise au repos 18 soient 35 couplées électrostatiquement avec la diffusion

flottante 14.

Un générateur d'horloge 25 est représenté sur la 1 1 figure 1 comprenant des groupes respectifs de signaux d'horloge à trois phases pour un registre A 11, un registre B 12 et un registre C 13 comme cela est courant dans un analyseur d'images à couplage de charge du type à transfert de champ D'autres systèmes d'horloge bien connus utilisant une commande d'horloge à 2, 4 une seule ou une phase virtuelle, pourraient être utilisés Le générateur d'horloge 25 produit les impulsions r décrites ci-dessus pour l'application 10 à l'électrode de grille 18 de l'étage de sortie à

diffusion flottante.

Le générateur d'horloge 25 produit également des impulsions O S à une fréquence de répétition égale à la fréquence d'horloge du registre C 13 pendant une 15 lecture de ligne en série Ces impulsions os sont appliquées par une ligne 26 à un détecteur synchrone Les impulsions Os sont utilisées comme une porteuse pour contrôler les instants o le signal appliqué au détecteur synchrone 40 provenant de la sortie de 20 l'amplificateur 35 à faible bruit et large bande

est échantillonné dans le processus de détection synchrone.

L'amplificateur 35 apporte un gain en tension qui augmente le niveau du signal de manière que le bruit associé soit supérieur à celui introduit par la détection synchrone qui suit; le bruit attribué à l'amplificateur 30 est négligeable, comparativement au bruit 1/f produit dans l'analyseur d'images 10 à

couplage de charge.

Le différenciateur 30 est représenté sur la figure 1 comme un simple filtre passe-haut RCZ comprenant un condensateur 31 en série et une résistance 32 en dérivation La constante de temps RC 1 ' est choisie pour supprimer au moins autant-du spectre de fréquence en bande de base des échantillons de sortie 35 de l'analyseur d'images 10 que celui accompagné par le bruit de scintillement ou ( 1/f) nettement important comparativement au bruit thermique de fond Cette suppression du spectre de fréquence en bande de base se manifeste dans la réponse de sortie du différenciateur fournie au détecteur synchrone 40 La constante de temps t est l'inverse d'une fréquence d'angle fc exprimée en radians par seconde, les composantes d'amplitude à cette fréquence fc étant supprimées de 3 d B par le filtre RC La fréquence fc peut être considérée comme une fréquence limite entre une suppression substantielle et une non- suppression substantielle des fréquences 10 présentes dans le signal d'entrée du différenciateur , mais présentes seulement sélectivement dans son

signal de sortie.

Un condensateur 31 de 430 picofarads et une résistance 32 de 75 ohms ont été utilisés dans un système de récupération du signal avec une fréquence d'horloge du registre C 13 de 7,5 M Hz Le filtre passehaut RC avait une constante de temps de 35 nanosecondes, donnant une fréquence d'angle de 5 M Hz Les fréquences supérieures du spectre de bandes de base des échantillons 20 de sortie de l'analyseur d'images 10 provenant du différenciateur 30 sont comkinées avec le premier spectre harmonique démodulé dans le signal de sortie du détecteur synchrone 40 pour obtenir les crêtes vidéo à haute fréquence Les résidus du signal en bandes de base et le signal du premier spectre d'harmonique démodulé sont mis en corrélation et additionnés algébriquement tandis que les composantes de bruit des bandes respectives ne sont pas en corrélation et s'additionnent vectoriellement Par conséquent, les avantages sur le rapport signal-bruit sont accrus avec

cette forme de crête vidéo à haute fréquence.

Un démodulateur à commutation suivi par un filtre passe-bas pourrait être utilisé au lieu du détecteur synchrone 40 Mais ces démodulateurs à commutation effectuent une détection moyenne, produisant un signal de sortie de démodulateur dans lequel la bande de base récupérée est accompagnée par un fort spectre harmonique Il est préférable d'utiliser une détection synchrone qui est une détection de crête de nature pour réduire l'intensité des résidus de spectres harmoniques provenant de-la détection par rapport aux spectres de bande de base récupérés Un circuit d'échantillonnage et maintien fonctionne ici comme

un tel détecteur synchrone.

La figure 1 représente un circuit d'échantillonnage et maintien 40 comprenant un MISFET 41 et un condensateur 42 Le canal du MISFET 41, lorsqu'il est conducteur, transmet un échantillon respectif au condensateur 42 qui maintient cet échantillon La grille du MISFET 41 reçoit de la ligne 26 les impulsions Os qui sont fournies à une fréquence égale à la fréquence d'horloge du registre C Le canal du MISFET 41 est rendu conducteur par chaque impulsion X S Le MISFET 41 fonctionne comme une porte de transmission d'un type dans lequel les signaux de commande (impulsions s de la ligne 26) ne sont pas appliqués dans une 20 mesure applicable au canal conducteur Le circuit de sortie de cette forme de détecteur synchrone n'est pas équilibré par rapport aux signaux d'entrée fournis au canal conducteur Les résidus du spectre de bandes de base appliqués à l'entrée de ce détecteur synchrone 25 paraissent à sa sortie, ce qui permet le passage des composantes à fréquence supérieure du spectre de bande de base Cela produit des crêtes à haute

fréquence du signal vidéo.

Le signal de sortie détecté provenant du circuit d'échantillonnage et maintien 40 (contrairement à un signal prélevé directement à un démodulateur à commutation) est un signal vidéo utilisable et n'a pas à être filtré davantage que par la coupure de l'amplificateur vidéo Le signal de sortie détecté provenant du détecteur 40 est appliqué à un amplificateur tampon 50 et de là à un filtre de régularisation 51 Le filtre 51 est de préférence un filtre passe-bas qui élimine les résidus de fréquence d'horloge de manière à fournir un signal vidéo à faible bruit qui est également exempt de déformations de détails d'images Ce signal vidéo à faible bruit est habi5 tuellement appliqué à un amplificateur de traitement vidéo (non-représenté) dans lequel des impulsions de synchronisation et de correction sont introduites à des instants en coordination avec la temporisation

du générateur d'horloge 25.

Les phases des impulsions fournies par la ligne 26 depuis le générateur d'horloge 25 à la grille du MISFET 41 sont agencées pour que le canal de ce transistor soit conducteur dans les parties décroissantes des réponses de crête du différenciateur 15 30 à certaines transitions du niveau du signal de sortie de l'analyseur d'images 10 Ces transitions peuvent être attribuées à l'introduction de paquets de charge sous la diffusion flottante 14 Ces transitions ne sont pas accompagnées par bruit de mise au repos Mais il existe un bruit de mise au repos résiduel des parties décroissantes des réponses de crête du différenciateur 30 aux transitions du signal de sortie de l'analyseur d'images 10 sur les flancs avant et arrière des impulsions de mise au repos Or' 25 Par conséquent, ces dernières transitions contiennent des composantes de bruit de mise au repos Ces composantes de bruit résultent respectivement de l'élément d'images précédent et de l'élément d'images en cours comme cela sera expliqué plus en détail par la suite. 30 La détection synchrone des parties décroissantes des réponses de crête aux flancs arrières du signal 4 r peut être réduite en prévoyant une plus courte constante de temps t dans le différenciateur 30 Mais cette disposition réduit l'importance des crêtes 35 horizontales pouvant être obtenues par le passage

du spectre en bande de base résiduelle.

Il peut être plus facile d'éviter la détection synchrone des transitions aux flancs avant et arrière des impulsions or en portant une attention spéciale à la temporisation avec laquelle les impulsions de 5 mise au repos Or sont appliquées à l'électrode de grille de mise au repos 18 de l'étage de sortie de l'analyseur d'images à diffusion flottante La complexité de cette procédure de mise au repos sera

expliquée par la suite à l'aide du profil de potentiel 10 de la figure 2 et du diagramme de temps de la figure 6.

Chacun des profils de potentiel des figures 2, 3, 4 et 5 montre dans sa partie supérieure des représentations stylisées des structures rencontrées

par les paquets de charge en se déplaçant de la gauche 15 vers la droite dans le canal à transfert de charge.

Sur ces profils, les potentiels plus positifs sont représentés vers le bas Le diagramme suppose un puits de potentiel vide sous la diffusion flottante 14 Pour des raisons de simplicité, les effets de champ de fuite sont négligés La considération de ces effets de champ de fuite n'est pas essentielle pour

la compréhension de l'invention. Le profil de potentiel de la figure 2 décrit la mise au repos de la

diffusion flottante 14 au 25 potentiel de drain de mise au repos RD qui est appliqué au drain de mise au repos 1 oc est la phase de l'horloge du registre C appliquée pendant la lecture de ligne à la dernière grille 61 commandée par horloge du registre C 13 Ce dernier comporte une 30 grille finale 62 suivant la grille d'horloge 61 et à laquelle est appliqué continu BP Le potentiel BP établit une hauteur de barrière pour bloquer le passage des charges depuis un puits de potentiel au-dessous de la grille d'horloge 61, vers un puits de potentiel sous la diffusion flottante 14 à l'exception des intervalles ou des impulsions Qc abaissent la grille 61 au-dessous du potentiel positif La grille 21 reçoit un potentiel RG qui lui est appliqué de manière que le potentiel de canal sous la grille 21 soit aussi

positif ou plus positif que le potentiel de drain RD.

Les effets de champ de fuite affectent fortement le potentiel réel du canal 21, qui est réalisé normalement très courte pour réduire le partage des charges avec la diffusion flottante 14 O r se situe entre: (a) pendant le temps de mesure de charge, une tension 10 suffisamment négative pour établir une barrière insurmontable au passage des charges provenant de la diffusion flottante 14 vers la diffusion de drain de mise au repos 20 et (b) pendant le temps de mise au repos, une tension suffisamment positive pour permettre au niveau, 15 de charge sous la diffusion flottante 14 de drainer le potentiel RD comme représenté Par conséquent, la diffusion flottante 14 est ramenée au potentiel de

drain de mise au repos RD.

La constante de temps RC de la partie de transfert de charge dans laquelle est disposée la diffusion flottante 14 est courte dans ce système de mise au repos Il en est ainsi car la partie C de la constante de temps est la petite capacité du substrat de la diffusion flottante 14 et que la partie R est la faible résistance présentée par le canal de l'action de transistors à effet de champ cascode (qui s'étend entre la diffusion flottante 14 et le drain de mise au repos 20 quand l'impulsion positive Or est appliquée à la grille de mise au repos 18) La mise au repos de 30 la valeur finale des variations de bruit thermique superposé sur le potentiel de drain de mise au repos RD se produit car cette constante de temps est trop courte pour intégrer les variations parasites C'est là un processus d'échantillonnage et maintien qui étend 35 la durée de la dernière valeur de la variation de bruit thermique jusqu'au prochain intervalle de mise au repos

créant ainsi un bruit de mise au repos.

Un procédé a été trouvé par lequel le bruit de mise au repos apparaissant dans le fonctionnement de l'analyseur d'images à couplage de charge à 403 colonnes de RCA Corporation pouvait être réduit depuis un niveau de 100 électrons ou environ jusqu'à un niveau inférieur à 35 électrons ou environ. Un bruit de ce dernier niveau peut être attribué aux MISFE Ts 15, 16 et 17 Ce procédé sera expliqué à

l'aide de la figure 6.

Sur le diagramme de temps de la figure 6, (a) est le signal d'horloge appliqué à la dernière grille d'horloge 61 du registre C 13 Cette dernière électrode de grille d'horloge, dans la pratique courante, est immédiatement suivie par une électrode 15 de grille 62 La grille 62 est polarisée avec un potentiel continu et elle est suivie par la diffusion flottante 14 A titre d'exemple, une horloge à trois phases sera supposée La durée du cycle d'horloge est 133 nanosecondes dans un analyseur d'images à couplage de charge à registre d'images à 403 colonnes du type à transfert de champ qui fournit une composante de signal de télévision NTSC Lorsque la tension d'hrologe appliquée à la dernière électrode de grille d'horloge 61 du registre C 13 devient négative, 25 un paquet de charge d'échantillonnage d'un élément

d'images est transféré sous la diffusion flottante 14.

Ce transfert est représenté sous la forme d'onde (a) de la figure 6 par une flèche sur la transition de tension. La forme d'onde (b) de la figure 6 montre la temporisation de l'impulsion de mise au repos positive Or appliquée à la mise au repos 13 Une impulsion initiale r_ 1 est représentée sur la forme d'onde (b) suivie par les impulsions Or-2 et Or3; ces impulsions 35 sont dans une série d'impulsions $r' Chaque impulsion de mise au repos Or doit normalement être appliquée peut de temps avant la transition négative de la forme

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d'onde (a) lorsque le double échantillonnage en corrélation n'est pas utilisé Mais, comme le montre la forme d'onde (b), l'impulsions de mise au repos Or utilisée ici est appliquée bien avant la transition négative d'une impulsion d'horloge respective Chaque impulsion d'horloge a une durée t qui n'est pas nettement plus courte que r, ou constante de temps RC Cette temporisation permet à la réponse de crête du différenciateur 30 (aux transitions produites aux 10 flancs avant et arrière d'impulsions or) d'être suffisamment terminée à l'instant d'apparition d'une impulsion O S (pour rendre conducteur le canal du MISFET 41 dans l'échantillonnage de la réponse de crête du différenciateur 30 à la transistion associée 15 avec l'introduction d'un paquet de charge sous la diffusion flottante 14) Cette apparition précoce des impulsions de mise au repos Or est utilisée en fonctionnement avec le double échantillonnage

en corrélation également, mais pour des raisons qui 20 sont différentes de celles de l'invention.

La forme d'onde (c) de la figure 6 montre la variation de potentiel résultante sur la diffusion flottante 14 La même variation de potentiel, éventuellement avec un niveau différent de polarisation 25 continue apparaît à l'électrode de source du MISFET 16 et aux bornes de la résistance de charge 28 de l'analyseur d'images 10 La plage de variations R attribuable aux bruits de mise au repos paraît dans des parties non fixées de la forme d'onde (c) entre 30 les impulsions de mise au repos Cr1 et #r-2 de

la forme d'onde (b).

Une plage de variations R', également attri buable aux bruits de mise au repos apparaît dans des parties de la forme d'onde (c) pendant le temps entre les impulsions de mise au repos Or-2 et r-3 de la forme d'onde (b) Les plages de variations R et R' ont des amplitudes similaires mais les variations d'amplitude de-ces plages R et R' ne sont pas en corrélation L'introduction d'un paquet de charge sous la diffusion flottante 14 suivant l'impulsion

de mise au repos Or-2 crée une hauteur d'échantillon 5 sur laquelle est superposé un bruit de mise au repos dans la plage R'.

La forme d'onde (d) de la figure 6 est une représentation idéalisée des échantillons de tension apparaissant à la sortie de l'amplificateur 35 suivant le différenciateur 30 Le bruit d'horloge n'est pas considéré Le différenciateur 30 supprime le contenu de basse fréquence dans sa réponse, cette réponse étant analysée par superposition des réponses à des transitions La différenciation de la plage 15 d'amplitude de la transition de la forme d'onde (c) sur le flanc avant de l'impulsion de mise au repos Or-2 accompagnée par le bruit de mise au repos de la plage R amplifiée par le gain de tension G de l'amplificateur 35 entraine une valeur initiale de GR dans la plage du bruit de mise au repos apparaissant dans la forme d'onde (d) pendant l'impulsion Or-2 ' Cette valeur initiale de GR décroît de façon exponentielle jusqu'à GR exp 1 (d- 11) pendant la durée d de l'impulsion r-2 ' La différenciation de la transition 25 de la forme d'onde (c) sur le flanc arrière de l'impulsion er-2 qui est accompagnée par le bruit de mise au repos de la plage R' et qui est amplifié par le gain de tension G de l'amplificateur 35, augmente GR exp -l(d V -1) du bruit de mise au repos sans corrélation GR' Cette augmentation donne une valeur initiale N pour la plage de décroissance exponentielle du bruit total de mise au repos dans la période entre les impulsions 6 r-2 et Or-3 ' La somme de ces composantes de bruit de mise au repos sans corrélation -2 est telle qu'en moyenne N est égal à G (R'2 + R 2 exp 2 (d 1)) 1/2 sur le bord arrière de l'impulsion qr-2 ' A un instant venant une durée t plus tard, lorsqu'un paquet de charge est introduit sous la diffusion flottante 14, le bruit de mise au repos est réduit à une valeur N (exp 1 (t 1)) A ce moment, la réponse de l'amplificateur de tension 35 a la hauteur d'échantillon différencié à une valeur G d Le rapport signal-bruit à ce moment a une valeur (R,2 +R 2 exp-2 (dz -1))-l/2 exp(t 1) Etant donné que l'échantillon GA et le bruit de mise au repos N(exp(t T -1)) décroissent en exponentiel, ce rapport signal-bruit reste pratiquement constant quand

l'échantillon Gb décroit.

La forme d'onde (e) de la figure 6 montre un exemple de phase de deux impulsions d'échantillonnage 15 ( e-1 t s_ 2) de la série des impulsions S 5 qui est appliquée par la ligne 26 à l'électrode de grille du

MISFET 41 à canal N et qui sont utilisées pour la commutation d'échantillons dans le détecteur synchrone 40.

Bien que le circuit 40 soit considéré comme d'une nature 20 d'échantillonnage et maintien, il est décrit plus exactement comme étant de nature de poursuite et maintien, la dernière valeur de-chaque échantillon étant conservée dans la période d'échantillon qui suit Dans ce contexte, l'amplitude de la réponse de 25 sortie du circuit d'échantillonnage et maintien 40 augmente si l'échantillonnage est effectué avec une impulsion plus courte, plus tôt après la transition négative de G A. Etant donné que la composante de bruit de mise au repos concernant l'élément d'images précédent et la composante de bruit de mise au repos concernant l'élément d'images présent ne sont pas en corrélation et tendent à avoir en moyenne la même amplitude, le raccourcissement de d autant que possible pour une 35 valeur donnée de d+t tend à réduire le bruit de mise au repos Si d est 33 nanosecondes et t,40 nanosecondes, (comparativement à la constante de temps t de 35 nanosecondes du filtre 30), le bruit de mise au repos est réduit dans un rapport de trois comparativement à la mise au repos juste avant la démission d'une charge sous la diffusion flottante 14 En ce qui concerne le fonctionnement du circuit spécialement décrit, utilisant l'analyseur d'images à couplage de charge à 403 colonnesde RCA Corporation, cela réduit le bruit de

mise au repos au-dessous du bruit d'amplificateur 10 de 35 électrons.

Comme cela a été indiqué ci-dessus, le bruit de mise au repos est produit quand la mise au repos de la diffusion flottante 14 est fixée au drain de mise au repos 20, en raison de la courte constante de 15 temps RC de la tension apparaissant à la diffusion

flottante 14, autorisant le repos au bruit thermique.

En variante, le bruit de mise au repos peut être abaissé en prenant des mesures pour allonger la constante de temps RC sur la diffusion flottante 14 Cela peut se faire en ramenant au repos la diffusion flottante, non pas au potentiel du drain de mise au repos, mais au potentiel du canal Cette mise au repos introduit un processus d'accumulation Ce dernier forme l'intégration par rapport au temps de la charge sous la diffusion 25 flottante 14 Cette intégration allonge la constante de temps effective RC associée avec la diffusion flottante 14 D'autres modes de mise au repos utilisant ces

principes seront décrits dans la présente description.

Des circuits différenciateurs autres que le 30 circuit passe-haut RC de la résistance 31 et du condensateur 32 peuvent être utilisés bien entendu

pour la mise en oeuvre de l'invention.

L'extension de la réponse décroissante aux bords avants des impulsions de mise au repos pour 35 recouvrir la réponse à la mesure de l'échantillon d'élément d'images suivantes a un effet prononcé sur les crêtes vidéo (dans la direction de balayage de lignes) du signal de sortie de l'analyseur d'images détectées en synchronisme Cela sera expliqué à

l'aide de la figure 6 (d).

La perte de la référence de ligne de base en courant continu pendant le passage du signal de sortie de l'analyseur d'images 10 par le différenciateur 30 coopère avec la perte de rétablissement de composantes continues, sauf pendant le retour de ligne pour produire l'effet suivant La réponse à décroissance exponentielle aux bords avant de chaque impulsion de mise au repos a une queue avec une composante d'amplitude qui dépend de la valeur de

l'échantillon d'images admise sous la diffusion 15 flottante 14 avant l'impulsion de mise au repos.

Les composantes de fréquences inférieures de cet échantillon d'images précédent sont similaires à celles de l'échantillon d'images suivant admis sous la diffusion flottante 14 après cette impulsion 20 de mise au repos Par conséquent, la réponse positive à décroissance exponentielle aux bords avant de l'impulsion de mise au repos s'oppose à la réponse négative à décroissance exponentieile de l'échantillon d'images suivant Cette relation opposée réduit la modulation en fréquence inférieure de chaque harmonique de la fréquence d'horloge du registre C dans le signal de sortie de l'analyseur d'images 10 Cette relation d'opposition et les composantes de fréquence supérieures des deux échantillons d'images sont dissemblables de sorte que l'effet d'annulation est moins prononcé Cela augmente l'amplitude des bandes latérales de fréquence supérieure de modulation

des harmoniques de la fréquence d'horloge du registre C par rapport à l'amplitude de leurs bandes latérales 35 de fréquences inférieures de modulation.

Le facteur par lequel le signal de sortie du détecteur synchrone 40 est accentué à chaque fréquence

2-3 2551285

est pratiquement constant malgré les variations d'amplitude des impulsions de mise au repos ou des variations de la différence entre les amplitudes des échantillons successifs d'éléments d'images La valeur d'accentua5 tion dépend principalement du degré auquel la queue de la réponse positive à décroissance exponentielle à la différence aux échantillons d'images successifs est réduite dans son chevauchement sur la réponse négative à décroissance exponentielle du dernier échantillon d'images La valeur de la réduction d'amplitude de queue dépend du temps écoulé entre le bord avant d'impulsions de mise au repos et la réception de la charge d'échantillons d'images suivant sous la diffusion flottante 14 Autrement dit, la valeur de 15 réduction d'amplitude de queue dépend de la somme (d+t) de la durée d de l'impulsion de mise au repos et de l'intervalle t entre le bord arrière de l'impulsion

de mise au repos et cette admission de charge.

La durée d de l'impulsion de mise au repos peut être choisie pour obtenir une réponse vidéo plane à la sortie du détecteur synchrone 40 (ou dans ce cas pour obtenir une coupure ou une réponse vidéo accentuée si cela est désiré La durée de l'intervalle t peut être réglée à un degré qui affecte également l'accen25 tuation Comme cela a été noté ci-dessus, ce réglage est limité par le désir d'éviter le bruit de mise au repos Les valeurs d, t et peuvent être choisies de manière à obtenir une réponse vidéo audessus des crêtes, la réponse vidéo pouvant être réglée à

volonté en utilisant une résistance variable intercalée en série avec le canal du MISFET 41 pour introduire un degré variable de coupure.

L'utilisation du différenciateur 30 avant le détecteur synchrone 40 résoud un autre problème apparaissant dans les analyseurs d'images de couplage de charge Pendant le transfert en parallèle des paquets de charge du registre B 12 au registre C 13, un changement transitoire se produit dans la polarisation du substrat Cette transitoire entraine un décalage de niveau dans la réponse à l'analyseur d'images Le décalage de niveau se manifeste comme un excès de luminosité initiale à décroissance prononcée dans les quelques premiers échantillons vidéo sortis du registre C 13 dans chaque ligne d'images Cet excès de luminosité sur un bord d'image décroit à une vitesse d'éléments d'images à un autre 10 suffisamment faible pour être complètement supprimé dans la réponse du différenciateur 30 Un effet similaire qui apparaît en haut de l'image résulte du

transfert du registre A au registre B pendant l'intervalle de retour vertical Cette manifestation est 15 également réduite par le différenciateur 30.

Les autres modes de mise-au repos déjà mentionnés seront maintenant considérés La différence entre la mise au repos de la diffusion flottante 14 au potentiel de drain de mise au repos et la mise au repos au potentiel de canal sera expliquée à l'aide

des profils de potentiel des figures 3, 4 et 5.

La figure 3 est un diagramme de profil de potentiel décrivant la mise au repos de la diffusion flottante 14 au potentiel du canal Le potentiel de canal est établi par l'excursion la plus positive

de O r' qui n'est pas aussi positive que RD.

L'excursion la plus positive présente une hauteur de barrière abaissée qui est surmontée par les porteurs de charge dans la région de la diffusion flottante 30 14 et sous la grille 21, jusqu'à ce qu'un niveau de potentiel plus positif que la hauteur de barrière soit établi sur la diffusion flottante 14 Ce potentiel est moins positif que RD La mise au repos est aussi haute que la barrière avec un léger décalage en raison du courant du noir qui circule sous l'effet de l'excitation thermique des porteurs de charge La variation du décalage dûe à cette excitation thermique est une cause principale de la crête à basse fréquence de la bande de base de la fonction de transfert de modulation quand la mise au repos se fait au potentiel

du canal.

La figure 4 est un diagramme de profil de potentiel d'une manière préférée de remise au repos de la diffusion flottante 14 à un potentiel de canal La grille de mise au repos 18 est commandée dans une plage contenant le potentiel de drain de mise au repos RD L'excursion positive de v r n'est pas le potentiel de canal auquel la diffusion flottante 14 est ramenée Au contraire, le potentiel continu RG appliqué à la porte 21, ce potentiel étant facilement filtré pour en éliminer les bruits, est 15 rendu plus positif que l'attention de drain de mise au repos RD Une barrière de potentiel 63 est dressée sous la porte 21 et la diffusion flottante 14 est ramenée au potentiel de barrière 63 avec un léger décalage positif Ce décalage se produit car la circulation de charge ne se fait que jusqu'à ce que le potentiel de barrière ne puisse plus être surmonté. La figure 5 est un diagramme de profil dg potentiel de la mise au repos au potentiel de barrière de la diffusion flottante 14 sous la grille 21 lorsqu'une autre grille à courant continu 64 est intercalée entre la grille de mise au repos 18 et le drain de mise au repos 20 Cette autre grille 64 se trouve dans les analyseurs d'images de couplage de charge actuellement 30 fabriqués par RCA Corporation Cette autre grille 64 est connectée intérieurement à la grille 21 de ses dispositifs La direction fortement préférée de circulation des charges depuis le dessous de la grille de mise au repos 18 quand cette dernière n'est 35 plus pulsée positivement se fait vers le drain de mise au repos 20 Il en est ainsi car la barrière de potentiel sous la grille 21 tend à être moins facilement surmontée que la barrière de potentiel sous la grille 64 en raison du champ de fuite depuis le drain de mise au repos 20 réduisant la hauteur de barrière sur la grille 64. L'invention a été décrite en regard d'un analyseur d'images 10 à couplage de charge du type à transfert de champ mais elle peut s'appliquer également à d'autres types d'analyseur d'images à 10 couplage de charge comme ceux du type à transfert

entre lignes ou à transfert de lignes.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation décrits et illustrés à titre d'exemples 15 nullement limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 Appareil de prise de vues comprenant un analyseur d'images à composants à couplage de charge pour produire une série d'échantillons espacés de réponse à une image à une fréquence fixée par horloge, caractérisé en ce qu'il comporte un étage de sortie électromètre ( 14-20) comprenant un élément flottant pour fournir ladite série d'échantillons espacés de réponse à l'image, ledit élément flottant ( 14) étant ramené au repos périodiquement en réponse 10 à des impulsions (àr) à ladite fréquence d'horloge, r un circuit différenciateur ( 30) pour différencier lesdits échantillons de réponse à l'image par rapport au temps, et pour supprimer certaines fréquences dans les échantillons d'images différenciés produits, lesdites 15 certaines fréquences étant inférieures à une fréquence d'angle et contenant pratiquement toute l'énergie d'un bruit de scintillement, et un circuit d'échantillonnage et maintien ( 30) auquel sont fournis les échantillons différenciés de réponse à l'image provenant dudit 20 circuit différenciateur, pour l'échantillonnage et le maintien des échantillons fournis en réponse à des impulsions d'échantillonnage ( os) à ladite fréquence d'horloge afin de produire une réponse

d'images sans espaces.

2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément flottant ( 14) est remis au repos à un potentiel de canal d'un canal de transfert de charge ( 19) dudit étage de sortie pour réduire les bruits associés avec la mise au repos. 30 3 Appareil selon la revendication 1, ou 2, caractérisé en ce que des applications d'impulsions de mise au repos ( Or) précédent les instants respectifs auxquels des paquets de charge sont introduits sous ledit élément flottant ( 14) à des intervalles qui ne sont 35 pas nettement plus courts que l'inverse de ladite

fréquence d'angle en radians par unité de temps.

4 Appareil selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la

fréquence d'angle dudit circuit différenciateur ( 30) est choisie dans le spectre de fréquence de bande de 5 base desdits échantillons de réponse à l'image afin de produire une accentuation vidéo de la réponse à

l'image dudit circuit d'échantillonnage et maintien ( 30).

Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit circuit 10 différenciateur consiste en un filtre passe-haut

comprenant un condensateur en série ( 31),et une

résistance en dérivation ( 32).

6 Appareil selon l'une quelconque des

revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit 15 circuit d'échantillonnage et maintien comporte un

transistor à effet de champ à grille isolée qui réagit aux impulsions d'échantillonnage de la fréquence d'horloge ( Os) à sa grille pour recevoir des échantillons dudit circuit différenciateur pour 20 ce circuit d'échantillonnage et maintien, et un condensateur ( 42) utilisé pour conserver la réponse à l'image échantillonnée admise à la sortie dudit

circuit échantillonnage et maintien.