05/08/2025Des smartphones aux instruments scientifiques, les capteurs d'image sont au cœur des technologies visuelles actuelles. Parmi eux, les capteurs CMOS se sont imposés comme la référence, présents dans de nombreuses applications, de la photographie quotidienne à la microscopie avancée et au contrôle 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 variées. On peut même dire qu'elle constitue le fondement 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 que chaque pixel de l'appareil photo contient au moins trois transistors. Les pixels des capteurs CCD et EMCCD ne contiennent pas de transistors.
Les transistors de chaque pixel permettent de contrôler ces pixels « actifs », d'amplifier les signaux grâce à des transistors à effet de champ et d'accéder à leurs données, le tout en parallèle. Au lieu d'une seule voie de lecture pour un capteur entier ou une fraction importante de celui-ci, on utilise un système de lecture multivoies.Caméra CMOSIl comprend au moins une rangée complète de convertisseurs analogique-numérique (CAN) de lecture, soit un (ou plusieurs) CAN par colonne du capteur. Chaque CAN 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 les fonctionnalités potentielles du capteur.
Ensemble, ces qualités confèrent aux capteurs CMOS leur rapidité. De plus, grâce à ce parallélisme accru, les convertisseurs analogique-numérique (CAN) peuvent prendre plus de temps pour mesurer leurs signaux détectés, avec une précision accrue. Ces temps de conversion plus longs permettent un fonctionnement à très faible bruit, même pour des résolutions élevées. Grâce à cela, et à d'autres innovations, le bruit de lecture des capteurs CMOS est généralement 5 à 10 fois inférieur à celui des capteurs CCD.
Les caméras CMOS scientifiques modernes (sCMOS) sont un sous-type spécialisé de CMOS conçu pour l'imagerie à faible bruit et à haute vitesse dans les applications de recherche.
Comment fonctionnent les capteurs CMOS ? (Obturateur roulant vs obturateur global)
Le fonctionnement d'un capteur CMOS typique est illustré sur la figure et décrit ci-dessous. Veuillez noter qu'en raison des différences de fonctionnement décrites ci-dessous, la durée et le déroulement de l'exposition diffèrent entre les caméras CMOS à obturateur global et celles à obturateur roulant.
REMARQUE : Le processus de lecture des capteurs CMOS diffère entre les capteurs à obturateur roulant et ceux à obturateur global, comme expliqué dans le texte. Dans les deux cas, chaque pixel contient un condensateur et un amplificateur qui génèrent une tension en fonction du nombre de photoélectrons détectés. Pour chaque ligne, les tensions de chaque colonne sont mesurées simultanément par des convertisseurs analogique-numérique.
Volet roulant
1. Pour un capteur CMOS à obturateur roulant, en commençant par la rangée supérieure (ou le 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 rangée suivante et répétez à partir de l'étape 1, jusqu'à ce que tout le capteur soit exposé.
3. Pour chaque rangée, les charges s'accumulent pendant l'exposition, jusqu'à ce que cette rangée ait terminé son temps d'exposition. La première rangée à démarrer terminera en premier.
4. Une fois l'exposition terminée pour une rangée, transférez les charges au condensateur de lecture et à l'amplificateur.
5. La tension de chaque amplificateur de cette ligne est ensuite connectée au CAN de colonne, et le signal est mesuré pour chaque pixel de la ligne.
6. L'opération de lecture et de réinitialisation prendra le « temps de ligne » pour se terminer, après quoi la ligne suivante à commencer l'exposition aura atteint la fin de son temps d'exposition, et le processus se répétera à partir de l'étape 4.
7. Dès que la lecture de la rangée supérieure est terminée, et à condition que la rangée inférieure ait commencé l'exposition de l'image en cours, la rangée supérieure peut commencer l'exposition de l'image suivante (mode chevauchement). Si le temps d'exposition est inférieur à la durée d'une image, la rangée supérieure doit attendre que la rangée inférieure commence l'exposition. La durée d'exposition minimale est généralement d'une ligne.
Caméra CMOS refroidie FL 26BW de Tucsen, doté du capteur Sony IMX533, utilise cette technologie d'obturation roulante.
Obturateur global
1. Pour commencer l'acquisition, la charge est simultanément effacée de l'ensemble du capteur (réinitialisation globale du puits de pixel).
2. La charge s'accumule pendant l'exposition.
3. À la fin de l'exposition, les charges accumulées sont transférées dans un puits masqué à l'intérieur de chaque pixel, où elles peuvent attendre leur lecture sans que de nouveaux photons détectés soient comptabilisés. Certaines caméras 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 de chevauchement).
5. Le processus de lecture de la zone masquée se déroule comme pour les capteurs à obturateur roulant : une rangée à la fois, à partir du haut du capteur, les charges sont transférées du puits masqué au condensateur de lecture et à l'amplificateur.
6. La tension de chaque amplificateur de cette ligne est connectée au CAN de colonne, et le signal est mesuré pour chaque pixel de la ligne.
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 monochrome Libra 3412M de Tucsenutilise la technologie d'obturation globale, permettant une capture claire et rapide des échantillons en mouvement.
Avantages et inconvénients des capteurs CMOS
Avantages
● Vitesses plus élevéesLes capteurs CMOS ont généralement un débit de données de 1 à 2 ordres de grandeur supérieur à celui des capteurs CCD ou EMCCD.
● Capteurs plus grandsUn 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 niveau sonoreCertains capteurs CMOS peuvent avoir un bruit de lecture aussi faible que 0,25e-, rivalisant avec les EMCCD sans avoir besoin d'une multiplication de charge qui ajoute des sources de bruit supplémentaires.
● Flexibilité de la taille des pixelsLes capteurs des appareils photo grand public et des smartphones permettent de réduire la taille des pixels à environ 1 μm, tandis que les appareils photo scientifiques avec une taille de pixel allant jusqu'à 11 μm sont courants, et jusqu'à 16 μm sont disponibles.
● Consommation d'énergie réduiteLes faibles besoins en énergie des caméras CMOS permettent leur utilisation dans une plus grande variété d'applications scientifiques et industrielles.
● Prix et durée de vieLes caméras CMOS d'entrée de gamme ont généralement un coût similaire ou inférieur à celui des caméras CCD, et les caméras CMOS haut de gamme sont beaucoup moins chères que les caméras EMCCD. Leur durée de vie devrait être largement supérieure à celle d'une caméra EMCCD.
Cons
● Volet roulantLa plupart des caméras CMOS scientifiques sont équipées d'un obturateur roulant, ce qui peut complexifier les flux de travail expérimentaux ou exclure certaines applications.
● Courges noires supérieurest: 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 longues expositions (> 1 seconde).
Où les capteurs CMOS sont utilisés aujourd'hui
Grâce à leur polyvalence, les capteurs CMOS se retrouvent dans une vaste gamme d'applications :
● Électronique grand publicSmartphones, webcams, reflex numériques, caméras d'action.
● Sciences de la vie: alimentation des capteurs CMOScaméras de microscopieutilisé en imagerie par fluorescence et en diagnostic médical.
● AstronomieLes télescopes et les dispositifs d'imagerie spatiale utilisent souvent des capteurs CMOS scientifiques (sCMOS) pour leur haute résolution et leur faible bruit.
● Inspection industrielle: Inspection optique automatisée (AOI), robotique etcaméras pour l'inspection des semi-conducteursOn s'appuie sur des capteurs CMOS pour leur rapidité et leur 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 de la technologie CMOS la solution de choix pour une utilisation commerciale à grand volume comme pour des travaux scientifiques spécialisés.
Pourquoi la technologie 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 aujourd'hui la pierre angulaire de l'industrie de l'imagerie :
● Avantage de fabrication: Conçu sur des lignes de fabrication de semi-conducteurs standard, ce qui réduit les coûts et améliore l'évolutivité.
● Gains de performanceOptions d'obturation roulante et globale, sensibilité améliorée en basse lumière et fréquences d'images plus élevées.
● Intégration et intelligenceLes capteurs CMOS prennent désormais en charge le traitement de l'IA sur puce, l'informatique de périphérie et l'analyse en temps réel.
● InnovationLes nouveaux types de capteurs, tels que les CMOS empilés, les capteurs d'images quantiques et les capteurs incurvés, sont construits sur des plateformes CMOS.
Des smartphones auxcaméras scientifiquesLa technologie CMOS s'est avérée adaptable, puissante et prête pour l'avenir.
Conclusion
Grâce à leur équilibre entre performance, efficacité et coût, les capteurs CMOS sont devenus la norme moderne pour la plupart des applications d'imagerie. Qu'il s'agisse d'immortaliser des souvenirs du quotidien ou de réaliser des analyses scientifiques à haute vitesse, la technologie CMOS constitue le fondement du monde visuel d'aujourd'hui.
Grâce aux innovations telles que le CMOS à obturateur global et le sCMOS, qui continuent d'étendre les capacités de cette 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 distorsion ou un tremblement) lors de la capture de sujets se déplaçant rapidement.
L'obturateur global capture l'image entière simultanément, éliminant ainsi les distorsions dues au mouvement. Il est idéal pour les applications d'imagerie à haute vitesse telles que la vision industrielle et les expériences scientifiques.
Qu'est-ce que le mode de chevauchement CMOS à obturateur roulant ?
Pour les caméras CMOS à obturateur roulant, en mode de superposition, l'exposition de l'image suivante peut commencer avant que l'image actuelle ne soit entièrement terminée, ce qui permet des cadences d'acquisition plus élevées. Ceci est possible car l'exposition et la lecture de chaque ligne sont décalées dans le temps.
Ce mode est utile dans les applications où la fréquence d'images et le débit maximum sont essentiels, comme l'inspection à grande vitesse ou le suivi en temps réel. Cependant, il peut légèrement complexifier la gestion du temps et de la synchronisation.
