Comprendre les capteurs CMOS : la norme moderne pour la plupart des systèmes d’imagerie |

Des smartphones aux instruments scientifiques, les capteurs d'images sont au cœur des technologies visuelles actuelles. Parmi eux, les capteurs CMOS sont devenus incontournables, permettant de tout utiliser, de la photographie quotidienne à la microscopie avancée et à l'inspection des semi-conducteurs.

La technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) est une architecture électronique et un ensemble de procédés de fabrication dont les applications sont extrêmement vastes. On peut dire que la technologie CMOS est à la base de l'ère numérique moderne.

Qu'est-ce qu'un capteur CMOS ?

Les capteurs d'image CMOS (CIS) utilisent des pixels actifs, c'est-à-dire trois transistors ou plus par pixel de la caméra. Les pixels CCD et EMCCD ne contiennent pas de transistors.

Les transistors de chaque pixel permettent de contrôler ces pixels « actifs », d'amplifier les signaux via des transistors à effet de champ et d'accéder à leurs données, le tout en parallèle. Au lieu d'un seul chemin de lecture pour un capteur entier ou une fraction significative d'un capteur, uncaméra CMOSIl comprend au moins une rangée complète de convertisseurs analogique-numérique (CAN) de lecture, un (ou plusieurs) CAN par colonne du capteur. Chacun d'eux peut lire simultanément la valeur de sa colonne. De plus, ces capteurs à pixels actifs sont compatibles avec la logique numérique CMOS, ce qui accroît leurs fonctionnalités potentielles.

Ensemble, ces qualités confèrent aux capteurs CMOS leur rapidité. Cependant, grâce à ce parallélisme accru, les CAN individuels peuvent mesurer plus longtemps les signaux détectés avec plus de précision. Ces temps de conversion plus longs permettent un fonctionnement à très faible bruit, même avec un nombre de pixels élevé. Grâce à cela, et à d'autres innovations, le bruit de lecture des capteurs CMOS tend à être jusqu'à 5 à 10 fois inférieur à celui des CCD.

Les caméras CMOS scientifiques modernes (sCMOS) sont un sous-type spécialisé de CMOS conçu pour l'imagerie à faible bruit et à grande vitesse dans les applications de recherche.

Comment fonctionnent les capteurs CMOS ? (Obturateur roulant et global inclus)

Le fonctionnement d'un capteur CMOS typique est illustré dans la figure et décrit ci-dessous. Notez qu'en raison des différences de fonctionnement décrites ci-dessous, la synchronisation et le fonctionnement de l'exposition diffèrent selon que les caméras CMOS sont à obturateur global ou à obturateur roulant.

Figure : Processus de lecture pour le capteur CMOS

NOTE:Le processus de lecture des caméras CMOS diffère entre les caméras à obturateur roulant et les caméras à obturateur global, comme expliqué dans le texte. Dans les deux cas, chaque pixel contient un condensateur et un amplificateur qui produisent une tension basée sur le nombre de photoélectrons détectés. Pour chaque ligne, les tensions de chaque colonne sont mesurées simultanément par des convertisseurs analogique-numérique de colonne.

Volet roulant

1. Pour un capteur CMOS à obturateur roulant, en commençant par la rangée supérieure (ou au centre pour les appareils photo à capteur divisé), effacez la charge de la rangée pour commencer l'exposition de cette rangée.
2. Une fois le « temps de ligne » écoulé (généralement 5 à 20 μs), passez à la ligne suivante et répétez à partir de l'étape 1, jusqu'à ce que l'ensemble du capteur soit exposé.
3. Pour chaque rangée, les charges s'accumulent pendant l'exposition, jusqu'à la fin de son temps d'exposition. La première rangée à démarrer termine la première.
4. Une fois l'exposition terminée pour une rangée, transférez les charges vers le condensateur de lecture et l'amplificateur.
5. La tension de chaque amplificateur de cette rangée est ensuite connectée à l'ADC de colonne et le signal est mesuré pour chaque pixel de la rangée.
6. L'opération de lecture et de réinitialisation prendra le « temps de ligne » pour se terminer, après quoi la ligne suivante pour démarrer l'exposition aura atteint la fin de son temps d'exposition, et le processus sera répété à partir de l'étape 4.
7. Dès que la lecture de la ligne supérieure est terminée, et à condition que la ligne inférieure ait commencé à exposer l'image en cours, la ligne supérieure peut commencer l'exposition de l'image suivante (mode chevauchement). Si le temps d'exposition est inférieur à celui de l'image, la ligne supérieure doit attendre que la ligne inférieure commence l'exposition. L'exposition la plus courte possible est généralement d'une ligne.

Caméra CMOS refroidie FL 26BW de Tucsen, doté du capteur Sony IMX533, utilise cette technologie d'obturateur roulant.

Obturateur global

Source:Capteur d'image CMOS à obturateur global GMAX3412

1. Pour commencer l'acquisition, la charge est simultanément effacée de l'ensemble du capteur (réinitialisation globale du puits de pixels).
2. La charge s’accumule pendant l’exposition.
3. À la fin de l'exposition, les charges collectées sont transférées vers un puits masqué à l'intérieur de chaque pixel, où elles peuvent attendre la lecture sans que les nouveaux photons détectés soient comptés. Certains appareils photo transfèrent les charges dans le condensateur du pixel à ce stade.
4. Avec les charges détectées stockées dans la zone masquée de chaque pixel, la zone active du pixel peut commencer l'exposition de l'image suivante (mode chevauchement).
5. Le processus de lecture à partir de la zone masquée se déroule comme pour les capteurs à obturateur roulant : une rangée à la fois, depuis le haut du capteur, les charges sont transférées du puits masqué vers le condensateur de lecture et l'amplificateur.
6. La tension de chaque amplificateur de cette rangée est connectée à l'ADC de la colonne et le signal est mesuré pour chaque pixel de la rangée.
7. L'opération de lecture et de réinitialisation prendra le « temps de ligne » pour se terminer, après quoi le processus se répétera pour la ligne suivante à partir de l'étape 5.
8. Une fois toutes les lignes lues, la caméra est prête à lire l'image suivante et le processus peut être répété à partir de l'étape 2 ou de l'étape 3 si le temps d'exposition est déjà écoulé.

Caméra sCMOS mono Libra 3412M de Tucsenutilise la technologie d'obturateur global, permettant une capture claire et rapide des échantillons en mouvement.

Avantages et inconvénients des capteurs CMOS

Avantages

● Vitesses plus élevées:Les capteurs CMOS sont généralement 1 à 2 ordres de grandeur plus rapides en termes de débit de données que les capteurs CCD ou EMCCD.
● Capteurs plus grands:Un débit de données plus rapide permet un nombre de pixels plus élevé et des champs de vision plus larges, jusqu'à des dizaines ou des centaines de mégapixels.
● Faible bruit:Certains capteurs CMOS peuvent avoir un bruit de lecture aussi faible que 0,25e-, rivalisant avec les EMCCD sans nécessiter de multiplication de charge qui ajoute des sources de bruit supplémentaires.
● Flexibilité de la taille des pixels:Les capteurs des appareils photo grand public et des smartphones réduisent la taille des pixels à environ 1 μm, et les appareils photo scientifiques jusqu'à 11 μm de taille de pixel sont courants, et jusqu'à 16 μm sont disponibles.
● Consommation d'énergie réduite:Les faibles besoins en énergie des caméras CMOS leur permettent d'être utilisées dans une plus grande variété d'applications scientifiques et industrielles.
● Prix et durée de vieLes caméras CMOS d'entrée de gamme sont généralement similaires ou inférieures en termes de coût aux caméras CCD, tandis que les caméras CMOS haut de gamme sont bien moins chères que les caméras EMCCD. Leur durée de vie prévue devrait largement dépasser celle d'une caméra EMCCD.

Inconvénients

● Volet roulant:La majorité des caméras CMOS scientifiques sont équipées d'un obturateur roulant, ce qui peut ajouter de la complexité aux flux de travail expérimentaux ou exclure certaines applications.
● Courant d'obscurité plus élevét : La plupart des caméras CMOS ont un courant d'obscurité beaucoup plus élevé que les capteurs CCD et EMCCD, introduisant parfois un bruit important sur les expositions longues (> 1 seconde).

Où les capteurs CMOS sont-ils utilisés aujourd'hui ?

Grâce à leur polyvalence, les capteurs CMOS se retrouvent dans une vaste gamme d'applications :

● Électronique grand public: Smartphones, webcams, reflex numériques, caméras d'action.
● Sciences de la vie: Puissance des capteurs CMOScaméras de microscopieutilisé dans l'imagerie par fluorescence et le diagnostic médical.

● Astronomie:Les télescopes et les dispositifs d'imagerie spatiale utilisent souvent le CMOS scientifique (sCMOS) pour une haute résolution et un faible bruit.
● Inspection industrielle:Inspection optique automatisée (AOI), robotique etcaméras pour l'inspection des semi-conducteurss'appuyer sur des capteurs CMOS pour la vitesse et la précision.

● Automobile:Systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), caméras de recul et de stationnement.
● Surveillance et sécurité:Systèmes de détection de faible luminosité et de mouvement.

Leur rapidité et leur rentabilité font du CMOS la solution idéale pour une utilisation commerciale à haut volume et pour les travaux scientifiques spécialisés.

Pourquoi le CMOS est désormais la norme moderne

Le passage du CCD au CMOS ne s'est pas fait du jour au lendemain, mais il était inévitable. Voici pourquoi le CMOS est désormais la pierre angulaire de l'industrie de l'imagerie :

● Avantage de fabrication:Construit sur des lignes de fabrication de semi-conducteurs standard, réduisant les coûts et améliorant l'évolutivité.
● Gains de performance:Options d'obturateur roulant et global, sensibilité améliorée en basse lumière et fréquences d'images plus élevées.
● Intégration et intelligence:Les capteurs CMOS prennent désormais en charge le traitement de l'IA sur puce, l'informatique de pointe et l'analyse en temps réel.
● Innovation:Les nouveaux types de capteurs tels que les capteurs CMOS empilés, les capteurs d'images quantiques et les capteurs incurvés sont construits sur des plates-formes CMOS.

Des smartphones auxcaméras scientifiquesLe CMOS s’est avéré adaptable, puissant et prêt pour l’avenir.

Conclusion

Les capteurs CMOS sont devenus la norme moderne pour la plupart des applications d'imagerie, grâce à leur équilibre entre performances, efficacité et coût. Qu'il s'agisse de capturer des souvenirs du quotidien ou de réaliser des analyses scientifiques à grande vitesse, la technologie CMOS constitue la base du monde visuel d'aujourd'hui.

Alors que des innovations telles que le CMOS à obturateur global et le sCMOS continuent d'étendre les capacités de la technologie, sa domination devrait se poursuivre pendant des années.

FAQ

Quelle est la différence entre un obturateur roulant et un obturateur global ?

Un obturateur roulant lit les données d'image ligne par ligne, ce qui peut provoquer des artefacts de mouvement (par exemple, une inclinaison ou une oscillation) lors de la capture de sujets en mouvement rapide.

Un obturateur global capture l'intégralité de l'image simultanément, éliminant ainsi la distorsion due au mouvement. Il est idéal pour les applications d'imagerie à grande vitesse comme la vision artificielle et les expériences scientifiques.

Qu'est-ce que le mode de chevauchement CMOS Rolling Shutter ?

Pour les caméras CMOS à obturateur roulant, en mode chevauchement, l'exposition de l'image suivante peut commencer avant la fin de l'image en cours, ce qui permet des cadences plus élevées. Ceci est rendu possible par le décalage temporel de l'exposition et de la lecture de chaque ligne.

Ce mode est utile dans les applications où la fréquence d'images et le débit maximaux sont essentiels, comme l'inspection à grande vitesse ou le suivi en temps réel. Cependant, il peut légèrement accroître la complexité du timing et de la synchronisation.