Obturateurs électroniques CMOS : globaux ou roulants et comment choisir ? |

Dans le monde de l'imagerie numérique, peu de facteurs techniques influencent autant la qualité de l'image que le type d'obturateur électronique de votre capteur. Que vous filmiez des processus industriels à grande vitesse, des séquences cinématographiques ou des phénomènes astronomiques de faible intensité, la technologie d'obturateur de votre appareil photo CMOS joue un rôle crucial dans le rendu final de votre image.

Les deux principaux types d'obturateurs électroniques CMOS, les obturateurs globaux et les obturateurs roulants, adoptent des approches très différentes pour exposer et lire la lumière d'un capteur. Comprendre leurs différences, leurs atouts et leurs compromis est essentiel pour adapter votre système d'imagerie à votre application.

Cet article explique ce que sont les obturateurs électroniques CMOS, comment fonctionnent les obturateurs globaux et roulants, comment ils se comportent dans des situations réelles et comment décider lequel vous convient le mieux.

Que sont les obturateurs électroniques CMOS ?

Un capteur CMOS est le cœur de la plupart des appareils photo modernes. Il convertit la lumière incidente en signaux électriques pouvant être traités pour créer une image. L'obturateur d'uncaméra CMOSIl ne s'agit pas nécessairement d'un rideau mécanique : de nombreuses conceptions modernes s'appuient sur un obturateur électronique qui contrôle comment et quand les pixels capturent la lumière.

Contrairement à un obturateur mécanique qui bloque physiquement la lumière, un obturateur électronique fonctionne en déclenchant et en interrompant le flux de charge dans chaque pixel. En imagerie CMOS, il existe deux principales architectures d'obturateur électronique : l'obturateur global et l'obturateur roulant.

Pourquoi la distinction est-elle importante ? Parce que la méthode d'exposition et de lecture affecte directement :

● Rendu de mouvement et distorsion
● Netteté de l'image
● Sensibilité à la faible luminosité
● Fréquence d'images et latence
● Aptitude générale à différents types de photographie, de vidéo et d'imagerie scientifique

Comprendre l'obturateur global

Source : Capteur d'obturation global GMAX3405

Comment fonctionne Global Shutter

Les appareils photo CMOS à obturateur global commencent et terminent leur exposition simultanément sur l'ensemble du capteur. Ce résultat est obtenu grâce à cinq transistors ou plus par pixel et à un nœud de stockage qui conserve les charges photoélectroniques acquises pendant la lecture. La séquence d'exposition est la suivante :

1. Commencez l'exposition simultanément dans chaque pixel en éliminant les charges acquises à la terre.

2. Attendez le temps d’exposition choisi.

3. À la fin de l'exposition, déplacez les charges acquises vers le nœud de stockage de chaque pixel, mettant fin à l'exposition de cette image.

4. Ligne par ligne, déplacez les électrons vers le condensateur de lecture du pixel et transmettez la tension accumulée à l'architecture de lecture, aboutissant aux convertisseurs analogique-numérique (CAN). L'exposition suivante peut généralement être réalisée simultanément à cette étape.

Avantages de Global Shutter

● Aucune distorsion de mouvement – Les sujets en mouvement conservent leur forme et leur géométrie sans l'inclinaison ou l'oscillation qui peuvent se produire avec la lecture séquentielle.
● Capture haute vitesse – Idéal pour figer le mouvement dans les scènes rapides, comme dans le sport, la robotique ou le contrôle qualité de fabrication.
● Faible latence – Toutes les données d’image sont disponibles immédiatement, permettant une synchronisation précise avec des événements externes, tels que des impulsions laser ou des lumières stroboscopiques.

Limitations de Global Shutter

● Sensibilité à la lumière plus faible – Certaines conceptions de pixels d'obturateur global sacrifient l'efficacité de collecte de lumière pour s'adapter aux circuits nécessaires à l'exposition simultanée.
● Coût et complexité plus élevés – La fabrication est plus difficile, ce qui entraîne souvent des prix plus élevés par rapport à ses homologues à volets roulants.
● Potentiel de bruit accru – Selon la conception du capteur, l'électronique supplémentaire par pixel peut entraîner un bruit de lecture légèrement plus élevé.

Comprendre le volet roulant

Comment fonctionne un volet roulant

Utilisant seulement 4 transistors et aucun nœud de stockage, cette conception simplifiée des pixels CMOS rend le fonctionnement de l'obturateur électronique plus complexe. Les pixels de l'obturateur roulant démarrent et arrêtent l'exposition du capteur une ligne à la fois, en « déroulant » le capteur. La séquence inverse (également illustrée sur la figure) est suivie pour chaque exposition :

Figure : Processus d'obturateur roulant pour un capteur d'appareil photo de 6 x 6 pixels

La première image commence l'exposition (jaune) en haut du capteur, puis descend à raison d'une ligne par ligne. Une fois l'exposition terminée pour la ligne supérieure, l'affichage (violet) suivi du début de l'exposition suivante (bleu) descend le long du capteur.

1. Commencez l'exposition à la rangée supérieure du capteur en éliminant les charges acquises vers la terre.
2. Une fois le « temps de ligne » écoulé, passez à la deuxième ligne du capteur et commencez l'exposition, en répétant vers le bas du capteur.
3. Une fois le temps d'exposition requis pour la rangée supérieure écoulé, terminez l'exposition en transmettant les charges acquises à l'architecture de lecture. Le temps nécessaire pour cela est appelé « temps de rangée ».
4. Dès que la lecture est terminée pour une ligne, elle est prête à recommencer l'exposition à partir de l'étape 1, même si cela signifie un chevauchement avec d'autres lignes effectuant l'exposition précédente.

Avantages du volet roulant

●Meilleures performances en basse lumière– Les conceptions de pixels peuvent donner la priorité à la collecte de lumière, améliorant ainsi le rapport signal/bruit dans des conditions de faible luminosité.
●Plage dynamique supérieure– Les conceptions de lecture séquentielle peuvent gérer les hautes lumières plus claires et les ombres plus sombres avec plus d'élégance.
●Plus abordable– Les capteurs CMOS à obturateur roulant sont plus courants et plus rentables à fabriquer.

Limitations du volet roulant

●Artefacts de mouvement– Les sujets en mouvement rapide peuvent apparaître de travers ou courbés, ce que l’on appelle « l’effet d’obturateur roulant ».
●Effet Jello en vidéo– Les images prises à la main avec des vibrations ou des panoramiques rapides peuvent provoquer des oscillations dans l'image.
●Défis de synchronisation– Moins idéal pour les applications nécessitant une synchronisation précise avec des événements externes.

Global vs. Rolling Shutter : comparaison côte à côte

Voici une vue d'ensemble de la comparaison entre les volets roulants et les volets globaux :

Fonctionnalité	Volet roulant	Obturateur global
Conception de pixels	4 transistors (4T), pas de nœud de stockage	5+ transistors, y compris le nœud de stockage
sensibilité à la lumière	Facteur de remplissage plus élevé, facilement adaptable au format rétroéclairé → QE plus élevé	Facteur de remplissage inférieur, BSI plus complexe
Performances en matière de bruit	Bruit de lecture généralement plus faible	Peut avoir un bruit légèrement plus élevé en raison de circuits ajoutés
Distorsion de mouvement	Possible (inclinaison, oscillation, effet de gelée)	Aucun — tous les pixels exposés simultanément
Potentiel de vitesse	Peut chevaucher les expositions et lire plusieurs lignes ; souvent plus rapide dans certaines conceptions	Limité par la lecture plein format, bien que la lecture fractionnée puisse aider
Coût	Coût de fabrication réduit	Coût de fabrication plus élevé
Meilleurs cas d'utilisation	Imagerie en basse lumière, cinématographie, photographie générale	Capture de mouvement à grande vitesse, inspection industrielle, métrologie de précision

Différences de performances de base

Les pixels à obturateur roulant utilisent généralement une conception à 4 transistors (4T) sans nœud de stockage, tandis que les obturateurs globaux nécessitent 5 transistors ou plus par pixel ainsi que des circuits supplémentaires pour stocker les photoélectrons avant la lecture.

●Facteur de remplissage et sensibilité– L'architecture 4T plus simple permet un facteur de remplissage des pixels plus élevé, ce qui signifie qu'une plus grande partie de la surface de chaque pixel est dédiée à la collecte de lumière. Cette conception, combinée à la facilité d'adaptation des capteurs à obturateur roulant à un format rétroéclairé, se traduit souvent par une meilleure efficacité quantique.
●Performances en matière de bruit– Moins de transistors et des circuits moins complexes signifient généralement que les volets roulants présentent un bruit de lecture plus faible, ce qui les rend mieux adaptés aux applications à faible luminosité.
●Potentiel de vitesse– Les obturateurs roulants peuvent être plus rapides dans certaines architectures car ils permettent un chevauchement de l'exposition et de la lecture, bien que cela dépende fortement de la conception du capteur et de l'électronique de lecture.

Coût et fabrication – La simplicité des pixels à obturateur roulant se traduit généralement par des coûts de production inférieurs à ceux des obturateurs globaux.

Considérations et techniques avancées

Obturateur pseudo-global

Dans les situations où vous pouvez contrôler précisément l'arrivée de la lumière au capteur (par exemple, avec une source lumineuse LED ou laser déclenchée par un matériel), vous pouvez obtenir des résultats « globaux » grâce à un obturateur roulant. Cette méthode d'obturateur pseudo-global synchronise l'éclairage avec la fenêtre d'exposition, minimisant ainsi les artefacts de mouvement sans nécessiter de véritable obturateur global.

Chevauchement d'images

Les capteurs à obturateur roulant peuvent commencer à exposer l'image suivante avant la fin de la lecture de l'image en cours. Ce chevauchement d'exposition améliore le cycle de service et est avantageux pour les applications à haute vitesse où la capture d'un nombre maximal d'images par seconde est essentielle, mais peut compliquer les expériences sensibles au timing.

Lecture de plusieurs lignes

De nombreuses caméras CMOS haute vitesse peuvent lire plusieurs lignes de pixels à la fois. Dans certains modes, les lignes sont lues par paires ; dans les conceptions avancées, jusqu'à quatre lignes peuvent être lues simultanément, ce qui réduit considérablement le temps de lecture total de l'image.

Architecture de capteur divisé

Les obturateurs roulants et globaux peuvent tous deux utiliser une disposition de capteur divisée, où le capteur d'image est divisé verticalement en deux moitiés, chacune avec sa propre rangée d'ADC.

● Dans les capteurs à obturateur roulant, la lecture commence souvent à partir du centre et se poursuit vers le haut et le bas, réduisant ainsi davantage la latence.
● Dans les conceptions d'obturateur global, la lecture fractionnée peut améliorer les fréquences d'images sans modifier la simultanéité de l'exposition.

Comment choisir pour votre application : volet roulant ou volet global ?

L'obturateur global pourrait bénéficier aux applications

● Exiger une chronologie des événements de haute précision

● Nécessitent des temps d’exposition très courts

● Nécessite un délai inférieur à la milliseconde avant le début d'une acquisition pour se synchroniser avec un événement

● Capturez des mouvements ou des dynamiques à grande échelle sur une échelle de temps similaire ou plus rapide qu'un obturateur roulant

● Nécessite une acquisition simultanée sur le capteur, mais ne peut pas contrôler les sources lumineuses pour utiliser un obturateur pseudo-global sur une grande zone

Le volet roulant peut bénéficier aux applications

● Applications difficiles en basse lumière : l'efficacité quantique supplémentaire et le bruit plus faible des caméras à obturateur roulant conduisent souvent à un rapport signal/bruit amélioré

● Applications à grande vitesse où la simultanéité exacte sur le capteur n'est pas importante ou où le délai est faible par rapport aux échelles de temps expérimentales

● Autres applications plus générales où la simplicité de fabrication et le coût réduit des caméras à obturateur roulant sont bénéfiques

Idées fausses courantes

1. « Le volet roulant est toujours mauvais. »

Ce n’est pas vrai : les volets roulants sont idéaux pour de nombreux cas d’utilisation et surpassent souvent les volets globaux en cas de faible luminosité et de plage dynamique.

2. « L'obturateur global est toujours meilleur. »

Bien que la capture sans distorsion soit un avantage, les compromis en termes de coût, de bruit et de sensibilité peuvent l’emporter sur les avantages d’une imagerie plus lente.

3. « On ne peut pas filmer avec un obturateur roulant. »

De nombreuses caméras de cinéma haut de gamme utilisent efficacement les obturateurs roulants ; des techniques de prise de vue soignées peuvent minimiser les artefacts.

4. « Les obturateurs globaux éliminent tout flou de mouvement. »

Ils empêchent la distorsion géométrique, mais un flou de mouvement dû à de longs temps d'exposition peut toujours se produire.

Conclusion

Le choix entre la technologie d'obturateur global et la technologie d'obturateur roulant dans une caméra CMOS se résume à l'équilibre entre la gestion du mouvement, la sensibilité à la lumière, le coût et les besoins spécifiques de votre application.

● Si vous avez besoin d'une capture sans distorsion pour des scènes en mouvement rapide, l'obturateur global est le choix évident.

● Si vous privilégiez les performances en basse lumière, la plage dynamique et le budget, l'obturateur roulant offre souvent les meilleurs résultats.

Comprendre ces différences vous permet de sélectionner le bon outil, qu'il s'agisse d'imagerie scientifique, de surveillance industrielle ou de production créative.

FAQ

Quel type d’obturateur est le meilleur pour la photographie aérienne ou la cartographie par drone ?

Pour la cartographie, l'arpentage et l'inspection, où la précision géométrique est cruciale, un obturateur global est préférable pour éviter la distorsion. Cependant, pour des vidéos aériennes créatives, un obturateur roulant peut toujours donner d'excellents résultats si les mouvements sont contrôlés.

Comment le choix de l’obturateur affecte-t-il l’imagerie en basse lumière ?

Les obturateurs roulants présentent généralement un avantage en termes de performances en basse lumière, car la conception de leurs pixels privilégie l'efficacité de la collecte de lumière. Les obturateurs globaux peuvent nécessiter des circuits plus complexes, susceptibles de réduire légèrement la sensibilité, bien que les conceptions modernes comblent cet écart.

Comment le type d'obturateur affecte-t-il uncaméra scientifique?

En imagerie scientifique à haute vitesse, comme le suivi de particules, la dynamique cellulaire ou la balistique, un obturateur global est souvent indispensable pour éviter la distorsion du mouvement. Mais pour la microscopie à fluorescence en basse lumière, uncaméra sCMOSavec un obturateur roulant peut être choisi pour maximiser la sensibilité et la plage dynamique.

Qu'est-ce qui est le mieux pour l'inspection industrielle ?

Dans la plupart des tâches d'inspection industrielle, en particulier celles impliquant des bandes transporteuses mobiles, la robotique ou la vision industrielle, un obturateur global est le choix le plus sûr pour garantir des mesures précises sans erreurs géométriques induites par le mouvement.