CONTEXTE ET DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un système imageur pour acquérir une image ayant une plus grande réactivité vis-à-vis de la variation et de la distribution de la lumière d'une scène d'un champ d'acquisition.

Un tel système imageur comprend typiquement un capteur d'image avec une matrice de pixels, généralement actifs. Le capteur d'image comprend un circuit de lecture principal adapté pour lire les pixels actifs après une exposition desdits pixels actifs et pour acquérir une image à partir de ladite lecture.

L'exposition des pixels actifs pour l'acquisition d'une image se fait selon plusieurs paramètres bien connus des photographes, qui influent sur l'image obtenue, et qui doivent notamment être adaptés en fonction des caractéristiques de la scène à imager, et en particulier de la luminance des éléments composant ladite scène.

C'est notamment le cas du temps de pose, c'est-à-dire la durée pendant laquelle les pixels actifs sont exposés à la lumière pendant l'exposition, avant la lecture des pixels actifs. On parle également de temps d'exposition ou de vitesse d'obturation. Le temps de pose définit la quantité de lumière incidente à laquelle sont exposés les pixels actifs. Le temps de pose doit donc être adapté en fonction de la luminance des éléments de la scène, mais également en fonction de la sensibilité à la lumière des pixels actifs.

Un pixel actif peut en effet être caractérisé par une plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse, qui reflète la quantité maximale de lumière dont peut rendre compte un pixel actif et la quantité de bruit que produit ce pixel à l'obscurité. Si la quantité de lumière est trop faible, le résultat de la lecture du pixel actif contient beaucoup de bruit, et ne permet donc pas d'obtenir une image de qualité suffisante. Si la quantité de lumière est trop importante, le pixel actif sature et le résultat de la lecture du pixel ne rend plus compte des détails de l'objet à imager.

D'autres paramètres peuvent être pris en compte pour la même raison, par exemple le gain d'amplification en sortie de la matrice de pixels actifs introduit par un amplificateur réglable. Il est également possible de prendre en compte un paramètre de l'optique placé sur le trajet lumineux avant les pixels actifs tel que l'ouverture du diaphragme ou l'atténuation d'un atténuateur optique réglable.

Les éléments composant une scène peuvent présenter des valeurs de luminance très diverses, à l'intérieur d'un même champ d'acquisition, au même moment ou bien d'une acquisition à l'autre. Par exemple, une image en pleine nuit ne présente pas les mêmes caractéristiques de répartition de la lumière qu'une image en pleine journée ou lors d'un coucher de soleil. Il est donc important d'adapter les paramètres d'acquisition de l'image aux caractéristiques de luminance présentes dans son champ d'acquisition.

Lors de la première exposition des pixels actifs à la lumière d'un champ d'acquisition dont les caractéristiques de luminance des éléments le composant ne sont pas connues du système, des paramètres standards d'acquisition peuvent être utilisés. Il est alors possible que certains éléments très lumineux entraînent une surexposition de certains pixels qui saturent, ou que des éléments peu lumineux entraînent une sous-exposition d'autres pixels.

Une analyse de l'image acquise permet de déterminer un nouveau jeu de paramètres d'acquisition et ainsi une seconde image est alors acquise avec ces nouveaux paramètres d'acquisition. Une telle boucle itérative permet d'adapter les paramètres d'acquisition en fonction de la distribution et de la variation de luminosité de la scène. La demande de brevet U S2008/ 0094481A1 illustre un exemple de ce type de contrôle. La tâche d'analyse d'image est d'autant plus lourde que l'image de grande taille et de haute qualité.

Les figures 1 a, 1 b et 1 c illustrent un exemple simplifié d'application de cette méthode, avec une courbe de contour d'un histogramme d'un exemple de distribution de la luminance dans un champ d'acquisition. Dans cet exemple, la distribution de la luminance de la scène du champ d'acquisition à acquérir contient des éléments lumineux se répartissant entre une première portion 100 à luminance faible et une seconde portion 101 à luminance élevée, séparés par portion 103 de vide reflétant l'absence d'éléments de luminance moyenne.

Comme illustré sur la figure 1 a, la plage dynamique instantanée 104 des pixels actifs du capteur permet, avec les paramètres initiaux d'acquisition du capteur (temps de pose, ouverture...) de rendre compte de la plupart des éléments du champ d'acquisition dont la luminance appartient à la première portion 100. En revanche, les éléments de forte luminance, appartenant à la seconde portion 101 , présentent une luminance trop élevée pour les pixels actifs du capteur qui saturent. Ainsi, une première image primaire présente des zones surexposées reflétant la saturation des pixels actifs.

Les paramètres d'acquisition sont alors modifiés pour restreindre la quantité de lumière reçue par les pixels actifs afin d'éviter leur saturation, par exemple en diminuant le temps de pose. Ainsi qu'illustré sur la figure 1 b, la plage dynamique instantanée 104 des pixels actifs est alors déplacée vers les luminances plus fortes afin de pouvoir rendre compte des éléments trop lumineux pour les paramètres initiaux et qui saturaient les pixels actifs.

Cependant, comme le système imageur ne dispose d'aucune information sur la luminance des éléments lumineux qui saturent ses pixels, la modification des paramètres d'acquisition ne peut être faite en fonction de la luminance des éléments les plus lumineux. Généralement, les paramètres d'acquisition sont modifiés selon des règles préétablies, généralement non-adaptées à la distribution de luminance spécifique d'une scène, afin d'éviter la saturation des pixels. Le même procédé peut se faire à l'inverse depuis les éléments les plus lumineux vers les éléments de moindre luminance.

On peut constater ici que la plage dynamique instantanée 104 des pixels actifs ne recouvre qu'une partie de la seconde portion 101. Par conséquent, si certains éléments dont la luminance appartient à cette portion 101 peuvent apparaître dans l'image acquise alors que les pixels actifs saturaient précédemment, les éléments de la seconde portion 101 dont la luminance excède la plage dynamique instantanée 104 des pixels actifs continuent toujours de saturer les pixels actifs. Parallèlement, la plage dynamique instantanée 104 recouvre la portion 103, alors qu'aucun élément lumineux ne présente cette luminance. Les paramètres d'acquisition sont alors encore modifiés pour restreindre la quantité de lumière reçue par les pixels actifs afin d'éviter leur saturation, par exemple en diminuant le temps de pose, comme précédemment. Cette nouvelle configuration est illustrée par la figure 1 c. Toutefois, comme le capteur ne dispose pas d'information sur la luminance réelle des éléments qui font saturer les pixels actifs, la plage dynamique instantanée 104 est à cheval entre la première portion 101 et une autre portion 105 de luminance supérieure, alors qu'aucun élément lumineux ne présente de luminance correspondant à cette autre portion 105.

Ce procédé est réitéré autant de fois que nécessaire jusqu'à ce que les paramètres d'acquisition permettent de faire que la plage dynamique instantanée 104 des pixels actifs recouvre les portions 100, 101 considérées comme représentatives des éléments de la zone d'intérêt de la scène.

Cette technique cependant souffre de plusieurs défauts. Tout d'abord, on remarque que la détermination des paramètres d'acquisition se fait par "tâtonnement", en multipliant les tentatives. La scène du champ d'acquisition d'un capteur peut présenter une distribution de luminance très inhomogène, et cette technique peut conduire à une détermination inappropriée des paramètres d'acquisition pour plusieurs acquisitions d'images. On le voit dans la figure 1 b dans laquelle la portion 103 est couverte alors qu'aucun élément lumineux ne présente cette luminance. De même pour l'autre portion 105 dans la figure 1 c.

C'est un processus long, entraînant l'acquisition d'images inexploitables ou redondantes, alors même que les éléments qui compose la scène peuvent varier, et donc la distribution de luminance également. Par exemple, dans l'exemple précédent, la première portion 101 aurait pu se déplacer vers la gauche (reflétant un assombrissement des éléments les plus lumineux) entre deux acquisitions, ce qui remet en cause la pertinence des itérations précédentes. De plus, quand la dynamique lumineuse de la scène est importante et dépasse la dynamique du capteur d'image, des saturations et des sous-expositions apparaissent malgré la boucle itérative du contrôle des paramètres d'acquisition.

Plusieurs techniques ont été proposées pour améliorer la dynamique des imageurs afin d'éviter ces saturations et sous-expositions de scène. Ces techniques peuvent être énumérées comme suit :

1 ) multiple prise de vue avec temps de pose différents ;

2) application de différents temps de pose à des sous-ensembles de pixels dans une matrice de pixels ;

3) création de pixels composites combinant des éléments photosensibles ayant différentes sensibilités, et notamment différentes tailles ; 4) création d'une réponse non-linéaire dont la sensibilité chute avec la quantité de lumière reçue par pixel.

La méthode 1 ) est souvent utilisée pour des scènes où il n'y a peu de mouvement. En effet, en cas de mouvement des éléments de la scène, les images prises à différents temps de pose différés ne se superposent plus correctement. Cette technique est néanmoins souvent mise en œuvre dans les appareils photographiques numériques. On parle généralement d'imagerie à grande plage dynamique, ou HDRI pour l'anglais " high dynamic range imaging".

La méthode 2) est généralement câblée dans un capteur d'image. Par exemple dans le brevet US8022994, les lignes de pixels paires et impaires ont des temps de pose différents, formant ainsi deux sous-images qui rendent compte des zones plus lumineuses et les zones plus sombres, respectivement. Un traitement d'image recombine ces deux images pour produire ainsi une seule image de plus grande dynamique. On peut cependant parfois constater une perte d'information si les temps de pose ne sont pas adaptés à la luminosité de la scène. En effet, si les pixels d'un sous- groupe saturent ou sont sous-exposés, ils ne sont plus utiles et la résolution peut alors être divisée jusqu'à un facteur deux.

La méthode 3 est similaire à la méthode 2), sauf que les différences de sensibilités remplacent les différences de temps de pose. L'avantage principal de cette méthode est l'absence de décalage temporelle entre les deux sous-images. En effet, dans la méthode 2), l'emploi de deux temps de pose crée un décalage temporel entre les deux prises de vue pour les sous-groupes de pixels. Ainsi, quand un élément est en mouvement dans le champ d'acquisition, il ne se trouvera pas sur la même position dans les deux sous- images. Cette méthode 3) permet d'éviter ce problème. Mais un inconvénient de cette méthode est que ces différentes sensibilités sont fixées lors de la fabrication et ne peuvent plus ensuite être modifiées pour être adaptées à une scène particulière. La demande de brevet EP2775525A1 donne un exemple de mise en œuvre de cette méthode.

La méthode 4) regroupe beaucoup de réalisations différentes. Le brevet EP2186318 propose un pixel ayant une réponse logarithmique qui supprime quasiment le phénomène de saturation. La demande de brevet US20140103189A1 propose une capacité non- linéaire dans un pixel à transfert de charge permettant de réaliser une réponse linéaire par morceaux. Mais ces pixels sont en générale plus complexes qu'un pixel actif simple, également plus encombrants, et ne sont pas approprié pour des matrices de pixel de forte densité et de faible pas. La solution proposée par EP2186318 reste une excellente solution pour des matrices de faible et moyenne densité (inférieure à un million de pixels), car elle permet de supprimer complètement le contrôle du temps de pose sans problème de saturation.

Les figures 2a, 2b et 2c illustrent la relation entre la dynamique de capteur et la qualité avec le temps de pose. La figure 2a illustre la définition de la dynamique de fonctionnement en montrant la dépendance du signal image à la luminance des éléments du champ d'acquisition pour un temps de pose donné. On constate que le signal image à la sortie d'un pixel augmente avec la luminance et sature à une certaine valeur haute, dite valeur de saturation. On commence à pouvoir observer un signal d'image quand celui dépasse le bruit d'obscurité du pixel. La plage dynamique peut ainsi être définie comme étant la plage de luminance pour laquelle le signal image, en sortie du pixel, est entre le bruit d'obscurité et la saturation.

La figure 2b illustre la qualité d'image perçue à la sortie d'un pixel en fonction de la luminance. Pour une luminance inférieure à la plage dynamique, le signal image ne se distingue pas du bruit d'obscurité. La qualité est donc nulle. Dans la plage dynamique, la qualité d'image s'améliore avec la luminance. Cependant, au-delà de la plage dynamique, la qualité devient nulle après la saturation.

La figure 2c illustre la qualité d'image en fonction de la luminance quand différents temps de pose sont utilisés. La première courbe 110 illustre la qualité d'image pour un premier temps de pose ti, relativement long. La seconde courbe 112 illustre la qualité d'image pour un second temps de pose t ₂ , plus court que le temps de pose ti. Il en résulte une première plage dynamique 111 correspondant à la première courbe 110 et une seconde plage dynamique 113 correspondant à la seconde courbe 112. En raison de son temps de pose plus court, la seconde plage dynamique 113 est plus étendue que la première plage dynamique 111 , et correspond à des luminances plus élevées.

On constate que le temps de pose plus long ti permet de sortir du bruit d'obscurité avec une luminance moindre, mais aussi que la saturation est atteinte également pour des luminances moindres. Un temps de pose court tel que t ₂ produit les effets contraires. On peut constater, sur la figure 2c, que si deux temps de pose sont utilisés, on élargit la dynamique d'acquisition quand les temps de pose sont correctement configurés. Toutefois, si les temps de pose sont trop écartés, un « trou » de luminance peut se former entre les plages dynamiques respectives associées aux deux temps de pose. Les détails des éléments du champ d'acquisition ayant une luminance tombant dans ce « trou » se perdent.

Ainsi, malgré que les capteurs munis de multiples temps de pose soient disponibles depuis longtemps, la performance de prise de vu des imageurs dans des conditions difficiles et dynamiques reste insatisfaisante. En particulier, des applications émergeantes faisant appel à l'intelligence artificielle, telles que la conduite automatique des véhicules, les aides à la conduite, la surveillance automatique, etc.. requièrent des imageurs une capacité d'acquisition d'images de qualité dans toutes les conditions.

PRESENTATION DE L'INVENTION

L'invention a pour but de remédier au moins en partie à ces inconvénients et préférentiellement à tous, en proposant d'utiliser, pour déterminer un jeu des paramètres optimisés pour un capteur de grande résolution, un capteur à pixels à grande dynamique tel que décrit par EP2186318 par exemple.

Il est ainsi proposé un système imageur, comprenant un capteur principal d'image ayant un premier champ d'acquisition et comprenant une matrice principale de pixels actifs présentant une première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse, et un circuit de lecture principal adapté pour lire les pixels du capteur principal d'image après une exposition desdits pixels et pour acquérir une image principale à partir de ladite lecture, ledit système imageur comprenant :

- un capteur auxiliaire d'image ayant un second champ d'acquisition recouvrant au moins partiellement le premier champ d'acquisition et comprenant une seconde matrice de pixels actifs présentant une seconde plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse plus étendue que la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse, et un circuit de lecture auxiliaire adapté pour lire les pixels actifs du capteur auxiliaire d'image après une exposition desdits pixels actifs et pour acquérir une image auxiliaire à partir de ladite lecture, et

- une unité de traitement de données configurée pour déterminer au moins une valeur d'un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image à partir de l'image auxiliaire. Le capteur auxiliaire d'image permet l'acquisition d'une image auxiliaire ne présentant pas ou peu de saturation ou de sous-exposition (grâce à une plage de dynamique de fonctionnement étendue), permettant ainsi de déterminer au mieux un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image afin que les conditions d'acquisition de l'image principale soient les plus adaptées à la scène du champ d'acquisition.

Ce système imageur est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles : - l'unité de traitement de données est configurée pour déterminer une répartition spatiale de la luminosité dans l'image auxiliaire, et l'unité de traitement de données est configurée pour déterminer en tant que paramètre d'acquisition de l'image principale au moins le temps d'exposition des pixels actifs du capteur principal d'image et/ou un gain d'amplification du circuit de lecture principal à partir de la répartition spatiale de la luminosité dans l'image auxiliaire ;

- l'étendue de la seconde plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse est supérieure à deux fois l'étendue de la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse ;

- la matrice principale du capteur principal d'image présente une densité de pixels supérieure à deux fois la densité de pixels actifs de la matrice de pixels actifs du capteur auxiliaire d'image ;

- les pixels de la matrice principale du capteur principal d'image et les pixels actifs de la matrice auxiliaire du capteur auxiliaire d'image sont imbriqués à la surface d'un même substrat ;

- les pixels de la matrice principale du capteur principal d'image sont disposés sur un premier substrat et les pixels actifs de la matrice auxiliaire du capteur auxiliaire d'image sont disposés sur un second substrat distinct du premier substrat ;

- le capteur auxiliaire d'image présente une réponse en tension non-linéaire à une exposition lumineuse dans la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse ;

- les pixels actifs du capteur auxiliaire d'image présentent une répartition spatiale apériodique ;

- les pixels actifs du capteur auxiliaire d'image sont des pixels à réponse logarithmique ;

- les pixels actifs du capteur auxiliaire d'image sont des pixels à compteur adaptés pour accumuler des charges lors de l'exposition et pour compter le nombre de fois où l'accumulation de charge atteint un seuil de réinitialisation de l'accumulation ; - les pixels actifs du capteur auxiliaire d'image sont des pixels à décharge adaptés pour se décharger lors de l'exposition pendant un temps de décharge fonction de la luminance de l'exposition ;

- le capteur auxiliaire d'image est muni d'une matrice de filtre couleur, et l'unité de traitement de données est configurée pour déterminer au moins la balance des blancs à partir de l'image auxiliaire en tant que paramètre d'acquisition pour l'image principale ;

- l'unité de traitement de données est configurée pour déterminer plusieurs valeurs différentes d'un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image à partir de l'image auxiliaire, et le capteur principal d'image est configuré pour acquérir plusieurs images principales en utilisant une valeur différente du paramètre d'acquisition pour chacune desdites images principales.

L'invention concerne également un procédé d'acquisition d'image au moyen d'un système imageur selon l'invention, ledit procédé comprenant les étapes selon lesquelles :

- le capteur auxiliaire d'image acquiert une image auxiliaire,

- l'unité de traitement de données détermine au moins une valeur d'un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image à partir de l'image auxiliaire,

- le capteur principal d'image acquiert au moins une image principale en utilisant ladite valeur du paramètre d'acquisition.

Dans un mode de réalisation, l'unité de traitement de données détermine plusieurs valeurs différentes d'un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image à partir de l'image auxiliaire, et dans lequel le capteur principal d'image acquiert plusieurs images principales en utilisant une valeur différente du paramètre d'acquisition pour chacune desdites images principales.

PRESENTATION DES FIGURES

L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisations et des variantes selon la présente invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :

- les figures 1 a, 1 b, 1 c, déjà discutées, illustrent la technique de multi-exposition au moyen d'une courbe de contour d'un exemple d'histogramme de la distribution de la luminance dans un champ d'acquisition ; - les figures 2a, 2b, 2c, déjà discutées, illustrent la réponse d'un pixel à réponse photoélectrique linéaire et la définition de la plage dynamique de fonctionnement, la qualité d'image avec un temps de pose donné et l'évolution de la qualité d'image en fonction du temps de pose ;

- la figure 3 illustre schématiquement un système imageur selon un mode de réalisation possible de l'invention, dans lequel les deux capteurs sont juxtaposés et réalisés sur des substrats distincts ;

- la figure 4 illustre schématiquement un système imageur selon un mode de réalisation possible de l'invention, dans lequel les deux capteurs ont des matrices de pixels actifs imbriquées entre elles ;

- la figure 5 illustre schématiquement un détail d'un exemple d'une imbrication entre les deux matrices de pixels actifs ;

- la figure 6 illustre schématiquement un exemple de structure d'un exemple de circuit de pixel actif muni d'un compteur ;

- la figure 7 illustre schématiquement des exemples de courbes de décroissance de la charge dans un pixel actif ;

- les figures 8a, 8b, 8c illustrent la mise en œuvre d'un mode de réalisation de l'invention dans le cas illustré par les figures 1 a à 1 c.

Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires sont désignés par les mêmes références.

DESCRIPTION DETAILLEE

Dans la présente description, on entend par image un ensemble de données représentatives d'une représentation spatialement répartie selon deux dimensions d'au moins une caractéristique optique, typiquement la luminance, d'éléments d'une scène, lesdites données étant spatialement organisées selon ladite représentation spatiale. Dans la description qui suit, la matrice principale du capteur principal d'image est constituée de pixels actifs. D'autres configurations peuvent être utilisées, avec par exemple des pixels autres que des pixels actifs pour la matrice principale.

En référence à la figure 3 qui illustre un exemple de système imageur selon un mode de réalisation possible de l'invention, le système imageur comprend un capteur principal d'image 1 comprenant une matrice principale 2 de pixels actifs présentant une première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse. Le système imageur comprend également un circuit de lecture principal adapté pour lire les pixels actifs du capteur principal d'image 1 après une exposition desdits pixels actifs et pour acquérir une image principale à partir de ladite lecture.

Le capteur d'image principal peut notamment être un capteur muni d'une possibilité de mise en œuvre de multiple temps de pose qui peuvent être soit implémentés en prise de vue séparées et mélangés dans une seule prise de vue, selon les modalités exposées plus haut, notamment pour les méthodes 1 ) et 2) déjà évoquées.

Chaque pixel actif comprend un photo-détecteur, tel qu'une photodiode, et un amplificateur actif. Il peut s'agir du classique pixel actif à trois transistors, à quatre transistors, ou d'une autre configuration. De préférence, pour des raisons de compacité, chaque pixel actif est un pixel à quatre transistors dont l'amplificateur de sortie est partagé par plusieurs photodiodes. Le capteur principal d'image 1 comprend également une optique 3 comprend des composants courants de la prise d'image, comme par exemple une lentille 4 ou un objectif 5 muni d'un diaphragme ou d'un obturateur. L'optique 3 peut notamment être commandée par des paramètres d'acquisition tels que le temps de pose (ou temps d'exposition) ou l'ouverture du diaphragme, qui vont contrôler la quantité de lumière reçue par les pixels actifs.

Le capteur principal d'image 1 a un premier champ d'acquisition 6 qui s'étend depuis son optique 3. Dans le champ d'acquisition 6 se trouve une scène composée de différents éléments de luminances variées. Lors de l'exposition des pixels actifs de la matrice principale 2, la lumière émise/ réfléchie par ces différents éléments de la scène passe par l'optique 3 et atteint les pixels actifs de la matrice principale 2. La quantité de lumière incidente aux pixels actifs dépend du temps d'exposition et des caractéristiques de l'optique 3, et notamment les dimensions de son ouverture. La matrice principale 2 est formée sur un substrat 7, lequel contient typiquement le circuit de lecture principal. Les caractéristiques électriques des pixels actifs varient avec la quantité de lumière incidente pendant l'exposition. Lors de la lecture de ces pixels actifs, le circuit de lecture principal mesure les caractéristiques électriques de chaque pixel actif et acquiert ainsi une image principale représentative de la quantité de lumière incidente sur chaque pixel actif. Le système imageur comprend également un capteur auxiliaire d'image 11 ayant un second champ d'acquisition 16 recouvrant au moins partiellement le premier champ d'acquisition 6. Il est préférable que le premier champ d'acquisition 6 et le second champ d'acquisition 16 coïncide au maximum, par exemple à plus de 80%, notamment à plus de dix centimètres du système imageur, ce qui est généralement une distance minimale pour une prise de vue. On peut obtenir une bonne superposition des champs d'acquisition en plaçant les capteurs adjacents l'un à l'autre, avec des axes optiques parallèles ou convergents. De préférence, le second champ d'acquisition 16 et le premier champ d'acquisition peuvent être les mêmes, ce qui peut être obtenu en utilisant la même optique pour les deux capteurs 1 , 11 , notamment en utilisant un dispositif de renvoi d'image tel qu'un miroir.

La seconde matrice 12 de pixels actifs présente une seconde plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse plus étendue que la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse. De préférence, l'étendue de la seconde plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse est supérieure à deux fois l'étendue de la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse, et de préférence encore supérieure à dix fois l'étendue de la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse.

L'étendue d'une plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse peut être déterminée simplement en mettant en évidence les bornes de celle-ci avec des paramètres d'acquisition fixes. Pour la borne inférieure, on détermine tout d'abord le bruit affectant le capteur dans les conditions d'essai : on met le capteur dans l'obscurité, on acquiert une image, et à partir des valeurs des pixels de l'image acquise, on détermine statistiquement un niveau de bruit. La borne inférieure de la plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse correspond à la luminance des éléments dans le champ d'acquisition qui permettent d'obtenir une valeur de pixel supérieure à ce niveau de bruit.

La borne supérieure correspond à la luminance à la luminance des éléments dans le champ d'acquisition à partir de laquelle les pixels actifs commencent à saturer. On peut également déduire la dynamique instantanée des pixels actifs en calculant le ratio des deux bornes dont la détermination est expliquée ci-dessus. Le capteur auxiliaire d'image 1 1 comprend également une optique 1 3 comprenant des composants courants de la prise d'image, comme par exemple une lentille 14 ou un objectif 1 5 muni d'un diaphragme ou d'un obturateur. L'optique 13 peut notamment être commandée par des paramètres d'acquisition tels que le temps de pose (ou temps d'exposition) ou l'ouverture du diaphragme, qui vont contrôler la quantité de lumière reçue par les pixels actifs. Mais une optique simplifiée avec une lentille à l'ouverture fixée peut suffire.

Comme le premier capteur 1 , le second capteur comprend un circuit de lecture auxiliaire adapté pour lire les pixels actifs du capteur auxiliaire d'image 1 1 après une exposition desdits pixels actifs et pour acquérir une image auxiliaire à partir de ladite lecture. Comme pour le capteur principal d'image 1 , la matrice auxiliaire 12 est formée sur un substrat 17, lequel contient typiquement le circuit de lecture auxiliaire. Les caractéristiques électriques des pixels actifs varient avec la quantité de lumière incidente pendant l'exposition. Lors de la lecture de ces pixels actifs, le circuit de lecture auxiliaire mesure les caractéristiques électriques de chaque pixel actif et acquiert ainsi l'image auxiliaire représentative de la quantité de lumière incidente sur chaque pixel actif. Le capteur auxiliaire d 'image 1 1 est ainsi utilisé pour acquérir une image auxiliaire avant l'acquisition d 'une image principale par le capteur principal d 'image 1 afin qu'au moins un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image soit déterminé à partir de cette image auxiliaire et puisse être utilisé pour acquérir l'image principale. A cet effet, le système imageur comprend également une unité de traitement de données 10 configurée pour déterminer au moins une valeur d'un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image à partir de l'image auxiliaire. Ce paramètre d 'acquisition peut par exemple être le temps de pose, et/ou l'ouverture du diaphragme, et/ou le gain d 'amplification du circuit de lecture principal et/ou l'atténuation optique d 'un atténuateur optique, et/ou la balance des blancs. L'unité de traitement 10 est donc connectée à la fois avec le capteur auxiliaire d 'image 1 1 pour recevoir l'image auxiliaire et à la fois avec le capteur principal d 'image 1 pour lui fournir la valeur du paramètre d 'acquisition. Notamment, l'unité de traitement de données 10 peut être configurée pour déterminer une répartition spatiale de la luminosité dans l'image auxiliaire, et pour déterminer en tant que valeur du paramètre d'acquisition de l'image principale au moins une durée de temps d'exposition des pixels actifs du capteur principal d'image 1 et/ou un gain d'amplification du circuit de lecture principal à partir de la répartition spatiale de la luminosité déduite à partir de l'image auxiliaire.

Le procédé d'acquisition d'image au moyen d'un système imageur selon l'un quelconque des modes de réalisation possible comprend donc les étapes selon lesquelles :

- le capteur auxiliaire d'image 11 acquiert une image auxiliaire,

- l'unité de traitement de données 10 détermine au moins une valeur d'un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image 1 à partir de l'image auxiliaire,

- le capteur principal d'image 1 acquiert une image principale en utilisant ladite valeur du paramètre d'acquisition.

Dans la mesure où l'image auxiliaire est essentiellement utilisée pour déterminer la valeur d'un paramètre d'acquisition pour le capteur principal d'image 1 , il n'est pas nécessaire que la résolution de l'image auxiliaire soit aussi élevée que la résolution de l'image principale. Il s'ensuit que la densité de pixels actifs du capteur auxiliaire d'image 11 n'a pas à être aussi élevée que la densité de pixels actifs du capteur principal d'image 1.

Ainsi, la matrice principale 2 du capteur principal d'image 1 peut présenter une densité de pixels actifs supérieure à deux fois la densité de pixels actifs de la matrice 12 de pixels actifs du capteur auxiliaire d'image 11 , voire de préférence supérieure à dix fois la densité de pixels actifs de la matrice 12 de pixels actifs du capteur auxiliaire d'image 11. En termes de nombre de pixels, la matrice principale 2 du capteur principal d'image 1 peut présenter un nombre de pixels actifs supérieure à dix fois le nombre de pixels actifs de la matrice 12 de pixels actifs du capteur auxiliaire d'image 11 , voire de préférence supérieure à cent fois le nombre de pixels actifs de la matrice 12 de pixels actifs du capteur auxiliaire d'image 11.

Une faible résolution pour l'image auxiliaire permet d'alléger les traitements appliqués par l'unité de traitement, et donc en particulier d'accélérer l'analyse de l'image auxiliaire. Cette faible résolution permet également d'utiliser avantageusement des pixels logarithmiques sans saturation et sans contrôle des paramètres de prise de vue comme le propose le brevet EP2186318. Le capteur auxiliaire d'image 11 présente cependant une résolution suffisante pour permettre une analyse fine de l'image auxiliaire. Ainsi, la matrice 12 de pixels actifs du capteur auxiliaire d'image 11 présente de préférence un nombre de pixels actifs supérieur à 320x240 pixels, et de préférence supérieure au millième, voire du centième, du nombre de pixels actifs de la matrice principale 2 du capteur principal d'image 1.

Il est possible de munir le capteur auxiliaire d'image d'une matrice de filtres couleurs (ou CFA pour l'anglais « color filter array »). Cette matrice de filtres couleurs est constituée de petits filtres couleurs placés devant les éléments photosensibles des pixels actifs du capteur auxiliaire d'image. Il est alors possible de déterminer la distribution de la luminance dans différentes couleurs. L'unité de traitement de données 10 peut alors être configurée pour déterminer au moins la balance des blancs à partir de l'image auxiliaire en tant que paramètre d'acquisition pour l'image principale. Dans l'exemple de la figure 3, le capteur principal d'image 1 et le capteur auxiliaire d'image 11 sont spatialement distincts, et sont représentés juxtaposés. Les pixels actifs de la matrice principale 2 du capteur principal d'image 1 sont disposés sur un premier substrat 7 et les pixels actifs de la matrice auxiliaire 12 du capteur auxiliaire d'image 1 sont disposés sur un second substrat 17 distinct du premier substrat 7. Cette configuration a l'avantage de pouvoir travailler avec des capteurs principal et auxiliaire de différente provenance et de constructeurs.

Une telle configuration n'est toutefois pas nécessaire. Afin de simplifier la structure du système imageur, et en référence à la figure 4 et à la figure 5, il est possible de prévoir que lequel les pixels actifs 30 de la matrice principale 2 du capteur principal d'image 1 et les pixels actifs 32 de la matrice auxiliaire 12 du capteur auxiliaire d'image 11 soient imbriqués à la surface d'un même substrat 23. La matrice principale 2 et la matrice auxiliaire 12 sont alors dans un même plan. La matrice principale 2 et la matrice auxiliaire 12 forment alors une matrice commune 22.

Les deux capteurs 1 , 1 1 aux matrices imbriquées partagent une même optique commune 23, avec par exemple une lentille commune 24 et un objectif commun 25, et de fait, le même champ d'acquisition commun 26, qui constitue donc à la fois le premier champ d'acquisition et le second champ d'acquisition. Toutefois, chaque capteur d'image 1 , 1 1 peut garder un circuit de lecture dédié à ses pixels actifs respectifs. La figure 5 montre un exemple d'organisation des pixels actifs dans ce cas. On y voit un exemple de l'organisation spatiale des pixels actifs 30, 32 dans la matrice commune 22. Des premiers pixels actifs 30 correspondent aux pixels actifs de la matrice principale 2 du capteur principal d'image 1 , tandis que des seconds pixels actifs 32 correspondent aux pixels actifs de la matrice auxiliaire 12 du capteur auxiliaire d'image 11 et se répartissent entre des pixels actifs 30 du capteur principal d'image 11. Il est à noter que les seconds pixels actifs 32 sont ici représentés plus gros que les premiers pixels actifs 30, ce qui est courant pour les pixels actifs de grande dynamique. Ce n'est cependant pas obligatoire, et les seconds pixels actifs 32 pourraient par exemple présenter une taille similaire aux premiers pixels actifs 30.

Comme précédemment, il est à noter que le nombre de pixels actifs 30 du capteur principal d'image 1 est bien supérieur à au moins deux fois, de préférence au moins dix fois, le nombre de pixels actifs 32 du capteur auxiliaire d'image 11. De préférence, les pixels actifs 32 du capteur auxiliaire d'image 11 ne sont pas adjacents les uns aux autres mais sont individuellement isolés les uns des autres par des pixels actifs 30 du capteur principal d'image 11. De préférence également, les pixels actifs 32 du capteur auxiliaire d'image 12 présentent une répartition spatiale apériodique, afin d'éviter la création d'effets géométriques tels qu'un effet de moiré, et présentent donc une absence de symétrie dans leur répartition au milieu des pixels actifs 30 du capteur principal d'image 11.

Comme indiqué plus haut, les pixels actifs 30 du capteur principal d'image 1 sont du type couramment utilisé dans les imageurs pour obtenir des images hautes définitions, par exemple des pixels actifs à trois transistors ou à quatre transistors. Les pixels actifs 30 du capteur principal d'image 1 et les pixels actifs 32 du capteur auxiliaire d'image 11 se distinguent par leurs différentes plages dynamiques instantanées de sensibilité lumineuse. Afin d'obtenir des pixels actifs 32 du capteur auxiliaire d'image 11 présentant une seconde plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse sensiblement supérieure à celle des pixels actifs 30 du capteur principal d'image 1 , plusieurs solutions sont possibles. Alors que le capteur principal d'image 1 présente en général une réponse en tension linéaire au moins par partie à une exposition lumineuse dans la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse, le capteur auxiliaire d'image 2 présente de préférence une réponse en tension non-linéaire à une exposition lumineuse dans la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse. II est possible d'obtenir cette non-linéarité en utilisant des pixels à réponse logarithmique en tant que pixels actifs 32 du capteur auxiliaire d'image 12. Par exemple, le brevet EP2186318 propose une structure d'un pixel actif de type CMOS pouvant être utilisé. D'autres configurations de pixels à réponse logarithmique peuvent être utilisées. Puisque les pixels actifs présentent une réponse logarithmique, leur réponse évolue très peu avec la luminosité, et permet donc d'éviter la saturation. On obtient donc une plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse quasiment infinie.

La figure 6 illustre un exemple d'une autre possibilité. Le pixel actif du capteur auxiliaire d'image 11 est ici un pixel à compteur adapté pour accumuler des charges lors de l'exposition et pour compter le nombre de fois où l'accumulation de charge atteint un seuil de réinitialisation de l'accumulation. Une photodiode 50 est connectée par un nœud 51 au drain d'un transistor de réinitialisation 52. Un intégrateur 53 est connecté au nœud 51 et intègre la tension aux bornes de la photodiode 50. Le résultat de cette intégration est appliqué à la grille du transistor 52. Lorsque le résultat de l'intégration atteint une valeur suffisante, le transistor 52 devient passant et réinitialise la photodiode 53. Un compteur 54 configuré pour compter le nombre de franchissement d'un seuil permet de rendre compte du nombre de cycle. D'autres configurations sont évidemment possibles, notamment pour adapter le seuil ou la réinitialisation. La publication « Architectures for High Dynamic Range, High Speed Image Sensor Readout Circuits » par S. Kavusi et al. in « 2006 I FI P International Conférence on Very Large Scale Intégration » donne plus de détails techniques sur ce type de pixel à grande dynamique de fonctionnement.

La figure 7 illustre une autre approche, dans laquelle les pixels actifs 32 du capteur auxiliaire d'image 12 sont des pixels à décharge adaptés pour se décharger lors de l'exposition pendant un temps de décharge fonction de la luminance de l'exposition. On a représenté ici deux exemples de décharges 61 , 62, correspondant respectivement à une exposition à forte luminance et une exposition à faible luminance. Pour la première exposition, de forte luminance, la décharge 61 se fait rapidement, de sorte que le seuil 60 de charge est atteint rapidement au bout d'un faible temps t1. Pour la seconde exposition, de faible luminance, la décharge 62 se fait plus lentement, de sorte que le seuil 60 de charge est atteint au bout d'un temps t2 supérieur au temps t1. Le signal correspondant à la luminance de l'exposition peut alors être déterminé comme étant proportionnel à l'inverse du temps de décharge. Ainsi, le signal de l'exposition de forte luminance 1 /t1 est supérieur au signal de l'exposition de faible luminance 1 /t2. Une grande dynamique est possible si le chronométrage est suffisamment fin.

D'autres solutions techniques pour étendre la plage dynamique peuvent par exemple être trouvées dans l'ouvrage " High Dynamic Range Imaging: Sensors and Architectures", par Arnaud Darmont, 2013, ISBN 9780819488305.

La grande étendue de la seconde plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse permet d'améliorer, au moyen de l'image auxiliaire, l'acquisition de l'image principale. A cet effet, l'unité de traitement de données 10 est configurée pour déterminer au moins une valeur d'un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image à partir de l'image auxiliaire.

Il est également possible d'acquérir plusieurs images principales à partir de la même image auxiliaire. A cet effet, l'unité de traitement de données 10 est configurée pour déterminer plusieurs valeurs différentes d'un paramètre d'acquisition du capteur principal d'image 1 à partir de l'image auxiliaire, et le capteur principal d'image est configuré pour acquérir plusieurs images principales en utilisant une valeur différente du paramètre d'acquisition pour chacune desdites images principales. On a repris dans les figures 8a, 8b et8 le cas de figure illustré par les figures 1 a à 1 c, en y appliquant un exemple de mise en œuvre de l'invention, dans lequel deux images principales sont acquises en utilisant différentes valeurs d'un même paramètre d'acquisition déterminées à partir de la même image auxiliaire. La figure 8a illustre l'acquisition de l'image auxiliaire par le capteur auxiliaire d'image 11. En raison de leur large plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse 70, les pixels actifs capteur auxiliaire d'image 11 sont capables de capturer la lumière de tous les éléments présents dans le second champ d'acquisition 16, que ces éléments appartiennent à la première portion 100 de luminance faible ou à la seconde portion 101 de luminance élevée. L'image auxiliaire résultant de cette acquisition est analysée par l'unité de traitement 10 qui peut identifier les deux ensembles constitués par les portions 100 et 101.

L'unité de traitement détermine alors au moins une valeur d'un paramètre d'acquisition pour que la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse 71 des pixels actifs du capteur principal d'image corresponde au mieux à la luminance des éléments appartenant à la première portion 100, comme illustré sur la figure 8b. On voit ici que la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse 71 ne recouvre que peu la portion 103 de luminance qu'aucun élément ne présente. Une première image principale peut donc être acquise pour les éléments dont la luminance correspond à la première portion 100.

A partir de la même image auxiliaire, l'unité de traitement détermine également au moins un paramètre d'acquisition pour que la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse 71 des pixels actifs du capteur principal d'image corresponde au mieux à la luminance des éléments appartenant à la portion 101 , comme illustré sur la figure 8c. On voit ici que la première plage dynamique instantanée de sensibilité lumineuse 71 est centrée sur la seconde portion 101 qu'elle recouvre. Il n'y a donc pas de saturation des pixels actifs, ni de recouvrement de portions 103, 105 de luminance qu'aucun élément ne présente. Une seconde image principale peut donc être acquise.

Grâce à l'invention, on a donc pu en deux images principales capturer l'ensemble des éléments du premier champ d'acquisition 6, en s'assurant qu'il n'y a pas de saturation de pixels, et donc de perte d'information.

On peut constater que ces deux expositions forment bien un « trou » en échelle de luminance entre les plages dynamiques des figures 8b et 8c. Mais ce trou est judicieusement placé dans la portion 103 de luminance où il n'y a aucun élément, grâce à l'analyse de l'image auxiliaire à très grande dynamique. Il en résulte une exploitation optimale des acquisitions d'image, et donc un gain de temps et de ressources.

L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux figures annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.