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Capteur d'image

Un capteur d'image est un capteur utilisé pour la prise d'images . Il détecte et transmet les informations nécessaires à la formation d'une image. Pour ce faire, il convertit l'...

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la prise d'images . Il détecte et transmet les informations nécessaires à la formation d'une image. Pour ce faire, il convertit l'atténuation variable des ondes lumineuses ( lorsqu'elles traversent ou se réfléchissent sur les objets) en signaux , de brèves impulsions de courant qui véhiculent l'information. Ces ondes peuvent être de la lumière ou d'autres rayonnements électromagnétiques . Les capteurs d'image sont utilisés dans les dispositifs d'imagerie électroniques, analogiques et numériques , tels que les appareils photo numériques , les modules de caméra , les téléphones portables avec appareil photo , les souris optiques , les équipements d'imagerie médicale , les équipements de vision nocturne (comme les caméras thermiques) , les radars , les sonars , etc. Avec l'évolution technologique , l'imagerie électronique et numérique tend à remplacer l'imagerie chimique et analogique.

Les deux principaux types de capteurs d'images électroniques sont les capteurs à transfert de charge (CCD) et les capteurs à pixels actifs ( capteurs CMOS ). Ces deux types de capteurs reposent sur la technologie métal-oxyde-semiconducteur (MOS), les CCD utilisant des condensateurs MOS et les capteurs CMOS des amplificateurs MOSFET (transistors à effet de champ MOS) . Les capteurs analogiques pour le rayonnement invisible font généralement appel à différents types de tubes électroniques , tandis que les capteurs numériques comprennent des détecteurs à écran plat .

Micrographie d'un coin du capteur photoélectrique d'une webcam numérique
Capteur d'image (en haut à gauche) sur la carte mère d'un d'images numériques sont les dispositifs à transfert de charges (CCD) et les capteurs à pixels actifs (capteurs CMOS), fabriqués selon les technologies MOS complémentaires (CMOS) ou MOS de type N ( NMOS ou Live MOS ). Les capteurs CCD et CMOS sont tous deux basés sur la technologie MOS [ les condensateurs MOS étant les éléments constitutifs d'un CCD et les amplificateurs MOSFET ceux d'un capteur CMOS

Les caméras intégrées aux petits produits grand public utilisent généralement des capteurs CMOS, généralement moins chers et moins énergivores que les capteurs CCD dans les appareils alimentés par batterie. Les capteurs CCD sont utilisés pour les caméras vidéo professionnelles haut de gamme, tandis que les capteurs CMOS dominent la photographie et les biens de consommation où le coût global est un facteur déterminant. Ces deux types de capteurs remplissent la même fonction : capter la lumière et la convertir en signaux électriques.

Chaque cellule d'un capteur d'image CCD est un dispositif analogique, une photodiode à jonction . Lorsqu'un rayon lumineux frappe la puce, il est stocké sous forme d'une faible charge électrique dans chaque photodiode. Les charges de la ligne de pixels la plus proche du ou des amplificateurs de sortie sont amplifiées et transmises. Ensuite, chaque ligne de pixels décale ses charges d'une ligne, se rapprochant ainsi des amplificateurs et remplissant la ligne vide la plus proche de ces derniers. Ce processus est répété jusqu'à ce que toutes les lignes de pixels aient vu leur charge amplifiée et transmise.

Un capteur d'image CMOS possède un amplificateur par pixel, contrairement aux quelques amplificateurs d'un capteur CCD. Il en résulte une surface de capture des photons plus réduite qu'avec un CCD, mais ce problème est surmonté grâce à l'utilisation de microlentilles placées devant chaque photodiode. Ces microlentilles focalisent la lumière sur la photodiode, évitant ainsi qu'elle n'atteigne l'amplificateur sans être détectée. Certains capteurs d'image CMOS utilisent également un éclairage par l'arrière pour augmenter le nombre de photons atteignant la photodiode. Les capteurs CMOS peuvent potentiellement être réalisés avec moins de composants, consommer moins d'énergie et/ou offrir une lecture plus rapide que les capteurs CCD. Ils sont également moins sensibles aux décharges électrostatiques.

Une autre conception, une architecture hybride CCD/CMOS (commercialisée sous le nom de « sCMOS »), est constituée de circuits intégrés de lecture CMOS (ROIC) connectés par microbilles à un substrat d'imagerie CCD ; cette technologie, initialement développée pour les réseaux de capteurs infrarouges , a été adaptée aux détecteurs à base de silicium. Une autre approche consiste à exploiter la finesse de gravure offerte par la technologie CMOS moderne pour implémenter une structure de type CCD entièrement en CMOS : de telles structures peuvent être réalisées en séparant les grilles individuelles en polysilicium par un espace très réduit. Bien qu'encore au stade de la recherche, les capteurs hybrides pourraient potentiellement tirer parti des avantages des imageurs CCD et CMOS.

Performance

la plage dynamique , le rapport signal/bruit et la sensibilité en basse lumière. Pour des capteurs de types comparables, le rapport signal/bruit et la plage dynamique s'améliorent avec la taille du pixel . En effet, à temps d'intégration (exposition) égal, un plus grand nombre de photons atteignent le pixel de plus grande surface.

Contrôle du temps d'exposition

Le temps d'exposition des capteurs d'image est généralement contrôlé soit par un obturateur mécanique classique , comme dans les appareils photo argentiques, soit par un obturateur électronique . L'obturation électronique peut être « globale », auquel cas l'accumulation de photoélectrons sur l'ensemble du capteur commence et s'arrête simultanément, ou « progressive », auquel cas l'intervalle d'exposition de chaque ligne précède immédiatement sa lecture, selon un processus qui se déroule sur l'image (généralement de haut en bas en format paysage). L'obturation électronique globale est moins courante, car elle nécessite des circuits de « stockage » pour conserver la charge entre la fin de l'intervalle d'exposition et la lecture, généralement quelques millisecondes plus tard.

Séparation des couleurs

Motif de Bayer sur le capteur
Le système de filtrage vertical de Foveon pour la détection des couleurs

Il existe plusieurs principaux types de capteurs d'images couleur, qui diffèrent par le type de mécanisme de séparation des couleurs :

  • Les capteurs de couleur intégrés utilisent une matrice de filtres colorés fabriquée sur un capteur d'image monochrome CCD ou CMOS. La matrice de filtres la plus courante, la matrice de Bayer , utilise une disposition en damier de deux pixels verts pour chaque pixel rouge et bleu. Cependant, de nombreuses autres matrices de filtres ont été développées, notamment celles utilisant des pixels cyan, magenta, jaune et blanc. Initialement, les capteurs de couleur intégrés étaient fabriqués par transfert de colorants à travers des fenêtres de photorésine sur une couche réceptrice polymère déposée sur un capteur CCD monochrome. Chaque pixel ne fournissant qu'une seule couleur (par exemple, le vert), les valeurs de couleur « manquantes » (comme le rouge et le bleu) sont interpolées à partir des pixels voisins. Ce traitement est également appelé dématriçage ou dématriçage.
  • Le capteur Foveon X3 utilise une matrice de pixels superposés, séparant la lumière grâce à la propriété d'absorption du silicium, qui dépend de la longueur d'onde, de sorte que chaque point capte les trois canaux de couleur. Ce principe est similaire à celui de la photographie argentique couleur.
  • La technologie 3CCD utilise trois capteurs d'image distincts, la séparation des couleurs étant réalisée par un prisme dichroïque . Les éléments dichroïques offrent une séparation des couleurs plus nette, améliorant ainsi la qualité des couleurs. Chaque capteur étant également sensible dans sa bande passante et à pleine résolution, les capteurs 3CCD produisent une meilleure qualité de couleur et de meilleures performances en basse lumière. Ils génèrent un signal 4:4:4 complet , privilégié pour la diffusion télévisuelle , le montage vidéo etles effets visuels par incrustation chromatique .

Capteurs spécialisés

Vue infrarouge de la nébuleuse d'Orion prise par HAWK-I de l' ESO , un imageur cryogénique à grand champ

Des capteurs spéciaux sont utilisés dans diverses applications telles que la création d' images multispectrales , les laryngoscopes vidéo , les caméras gamma , les détecteurs à écran plat et autres réseaux de capteurs pour les rayons X , les réseaux de microbolomètres en thermographie et d'autres réseaux très sensibles pour l'astronomie .

Alors que les appareils photo numériques utilisent généralement un capteur plat, Sony a prototypé un capteur incurvé en 2014 afin de réduire, voire d'éliminer, la courbure de champ de Petzval inhérente aux capteurs plats. L'utilisation d'un capteur incurvé permet de concevoir un objectif plus court et de plus petit diamètre, avec un nombre réduit d'éléments et de composants, tout en offrant une plus grande ouverture et une diminution de la perte de luminosité en bordure de l'image.

Histoire

des tubes de caméras vidéo . Ils remontent aux années 1930 et plusieurs types ont été développés jusqu'aux années 1980. Au début des années 1990, ils ont été remplacés par les capteurs d'image CCD à semi-conducteurs modernes .

à la base des capteurs d'images modernes à semi-conducteurs, trouve son origine dans l'invention du MOSFET par Mohamed M. Atalla et Dawon Kahng aux Bell Labs en 1959. Les recherches ultérieures sur la technologie MOS ont conduit au développement de capteurs d'images à semi-conducteurs , notamment le dispositif à transfert de charge (CCD) et, plus tard, le capteur à pixels actifs ( capteur CMOS ).

Le capteur à pixels passifs (PPS) a précédé le capteur à pixels actifs (APS). Un PPS est constitué de pixels passifs lus sans amplification , chaque pixel étant composé d'une photodiode et d'un transistor MOSFET . Il s'agit d'un type de réseau de photodiodes , chaque pixel contenant une jonction pn , un condensateur intégré et des MOSFET comme transistors de sélection . Un réseau de photodiodes a été proposé par G. Weckler en 1968. Ce réseau a servi de base au PPS. Ces premiers réseaux de photodiodes étaient complexes et peu pratiques, nécessitant la fabrication de transistors de sélection au sein de chaque pixel, ainsi que de circuits multiplexeurs sur puce . Le bruit des réseaux de photodiodes limitait également leurs performances, la capacité du bus de lecture des photodiodes entraînant une augmentation du niveau de bruit. L'échantillonnage double corrélé (CDS) était également impossible à utiliser avec un réseau de photodiodes sans mémoire externe .

En juin 2022, Samsung Electronics a annoncé la création d'un capteur d'image de 200 millions de pixels. Ce capteur, l'ISOCELL HP3 de 200 MP, possède des pixels de 0,56 micromètre, contre 0,64 micromètre pour les capteurs précédents, soit une diminution de 12 % depuis 2019. Le nouveau capteur intègre 200 millions de pixels dans une lentille dispositif à transfert de charges (CCD) a été inventé par Willard S. Boyle et George E. Smith aux laboratoires Bell en 1969. En travaillant sur la technologie MOS, ils ont constaté qu'une charge électrique était analogue à une bulle magnétique et qu'elle pouvait être stockée sur un minuscule condensateur MOS . La fabrication d'une série de condensateurs MOS étant relativement simple , ils leur ont appliqué une tension appropriée afin de transférer la charge d'un condensateur à l'autre. Le CCD est un circuit semi-conducteur qui a ensuite été utilisé dans les premières caméras vidéo numériques pour la diffusion télévisée .

Les premiers capteurs CCD souffraient d' un temps de latence d'obturation . Ce problème a été largement résolu grâce à l'invention de la photodiode à jonction étranglée (PPD). Inventée par Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki et Yasuo Ishihara chez NEC en 1980. Il s'agissait d'une structure de photodétecteur présentant un faible temps de latence, un faible bruit , un rendement quantique élevé et un faible courant d'obscurité . En 1987, la PPD a commencé à être intégrée à la plupart des dispositifs CCD, devenant un composant essentiel des caméras vidéo grand public , puis des appareils photo numériques . Depuis, la PPD a été utilisée dans la quasi-totalité des capteurs CCD, puis des capteurs CMOS.

Capteur à pixels actifs

capteur à pixels actifs NMOS (APS) a été inventé par Olympus au Japon au milieu des années 1980. Cette invention a été rendue possible par les progrès réalisés dans la fabrication des semi-conducteurs MOS , la miniaturisation des MOSFET atteignant des niveaux micrométriques, puis submicrométriques . Le premier capteur APS NMOS a été fabriqué par l'équipe de Tsutomu Nakamura chez Olympus en 1985. Le capteur à pixels actifs CMOS (capteur CMOS) a ensuite été amélioré par une équipe de scientifiques du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en 1993. Dès 2007, les ventes de capteurs CMOS avaient dépassé celles des capteurs CCD. Dans les années 2010, les capteurs CMOS ont largement supplanté les capteurs CCD dans toutes les nouvelles applications.

Autres capteurs d'image

Le premier appareil photo numérique commercial , le Cromemco Cyclops en 1975, utilisait un capteur d'image MOS 32×32. Il s'agissait d'une puce de mémoire RAM dynamique ( DRAM ) MOS modifiée .

Les capteurs d'image MOS sont largement utilisés dans la technologie des souris optiques . La première souris optique, inventée par Richard F. Lyon chez Xerox en 1980, utilisait une puce de capteur à circuit intégré NMOS de 5 IntelliMouse, lancée en 1999, la plupart des souris optiques utilisent des capteurs CMOS.

En février 2018, des chercheurs du Dartmouth College ont annoncé une nouvelle technologie de détection d'images qu'ils appellent QIS, pour Quanta Image Sensor. Au lieu de pixels, les puces QIS comportent ce que les chercheurs appellent des « jots ». Chaque jot peut détecter une seule particule de lumière, appelée photon .