Qu'est-ce qu'un capteur d'images CMOS ?

Un capteur d'images CMOS est un appareil semi-conducteur doté de la technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), conçu pour transformer la lumière entrante en une image numérique. Comme la plupart des caméras numériques, il détecte la lumière entrante grâce à des milliers de détecteurs de photons situés à la surface d'une puce semi-conductrice. Chaque détecteur mesure la fréquence (couleur) et le nombre (luminosité) des photons absorbés en convertissant l'énergie des photons en un courant électrique. Ce courant est ensuite amplifié par des transistors fixés à chaque détecteur. Ce type de capteur d'images est appelé capteur à pixels actifs (APS).

Les capteurs d'images CMOS étant construits à l'aide de la technologie de fabrication de semi-conducteurs standard, les puces intègrent généralement le traitement de signaux, un convertisseur analogique-numérique et une logique numérique sur puce. On obtient ainsi une caméra complète sur une puce. Cette technologie a permis de nombreuses applications d'imagerie, notamment des minuscules caméras numériques de smartphones, des caméras professionnelles haute définition à grande vitesse et des capteurs d'observation de la Terre de satellites.

Les deux technologies dominantes de capteurs d'images, ceux basés sur un appareil à transfert de charges (CCD, Charge Coupled Device) et les capteurs CMOS, ont été développées simultanément à la fin des années 1960 Les deux exploitent l'effet photoélectrique, qui se produit lorsqu'une particule de lumière,[1] un photon est absorbé dans un atome et transmet de l'énergie aux électrons dans l'atome.

Si l'énergie absorbée est suffisante, l'atome éjecte des électrons, créant ainsi une charge négative dans le matériau semi-conducteur. La zone d'absorption de la lumière et de production d'électrons d'un capteur d'images est appelée photodiode. Les photodiodes sont disposées en réseau qui peut mesurer la couleur et l'intensité de la lumière focalisée sur leur surface.

Dans les capteurs CCD, les électrons de la photodiode sont capturés dans une série de condensateurs, puis ils sont amplifiés. Dans un capteur CMOS, les électrons sont introduits directement dans les transistors et amplifiés au niveau du détecteur. Le grand avantage de l'approche CCD est que les condensateurs se trouvent derrière la photodiode, ce qui donne une plus grande surface d'absorption de la lumière pour chaque pixel. Dans un capteur CMOS, les transistors se situent à côté de la photodiode, ne laissant que 30 % de la surface, appelée facteur de remplissage, pour la détection de la lumière.

La technologie CMOS est un processus de fabrication de semi-conducteurs bien établi, de sorte que les capteurs CMOS sont beaucoup moins coûteux à fabriquer que les caméras CCD. Au départ, les capteurs CCD étaient utilisés plus souvent parce qu'ils produisaient des images de meilleure qualité avec moins de bruit, tandis que les capteurs CMOS étaient utilisés lorsqu'une solution plus économe en énergie ou moins coûteuse était nécessaire.

Au fil du temps, les améliorations apportées à la technologie de fabrication des semi-conducteurs ont permis de réduire la taille des pixels d'un capteur d'images CMOS, et le traitement du signal numérique sur puce a pu résoudre les problèmes de qualité. Ces améliorations ont permis d'obtenir une qualité d'image comparable à celle des capteurs CCD, tout en conservant les avantages d'une réduction des coûts et d'une plus grande efficacité énergétique. Ainsi, les capteurs d'images CMOS basse consommation et haute résolution sont devenus le choix préféré pour la plupart des applications à la fin des années 2010

Aujourd'hui, les appareils CCD sont principalement utilisés dans des applications haut de gamme qui nécessitent une réduction du bruit et une plus grande sensibilité, telles que l'astrophotographie, les systèmes de vision industrielle et les caméras de microscope. Cependant, les capteurs d'images CMOS font également leur apparition dans ces applications.

Comparaison des technologies CCD et CMOS

Les capteurs d'images CMOS sont constitués d'un réseau de pixels, chaque pixel étant capturé par quatre photodétecteurs, un pour le rouge, un pour le bleu et deux pour le vert. Chaque pixel étant un réseau 2x2 et qu'il n'y a que trois couleurs à filtrer, il est nécessaire de répéter une couleur. La couleur verte a été choisie comme couleur répétitive car sa fréquence est la couleur à laquelle l'œil humain est le plus sensible. Cette disposition de couleurs, appelée matrice de Bayer, est un agencement répété des couleurs bleu-vert sur les lignes impaires et des couleurs vert-rouge sur les lignes paires.

Disposition d'un pixel 2x2 de photodétecteurs dans une matrice de Bayer

Construit sur un substrat de silicium, chaque photodétecteur contient une photodiode pour collecter les photons et trois transistors : un sélecteur de ligne, un amplificateur et un transistor de réinitialisation. Le photodétecteur est surmonté d'un filtre de couleur et d'une microlentille qui focalise la lumière sur la photodiode. 

Géométrie dans un seul photodétecteur

Chaque photodétecteur est constitué du substrat de silicium, d'un puits de potentiel et d'une photodiode pour mesurer les photons entrants. Le filtre de couleur et la microlentille focalisent et filtrent la lumière, tandis que les transistors et les bus amplifient et transmettent le courant produit.

Ce réseau de photodétecteurs est centré sur une puce qui constitue la surface focale d'un ensemble de lentilles. Le réseau est également entouré de circuits analogiques et numériques utilisés pour assembler et produire une image numérique.

Un capteur d'images CMOS est un système complexe qui utilise la physique au niveau atomique jusqu'aux exigences mécaniques de l'emballage dans un assemblage d'appareil. Les équipes qui conçoivent un nouveau capteur CMOS doivent tenir compte des aspects suivants :

Conception photonique

Le comportement de la photodiode est essentiel pour les performances d'un capteur CMOS. Les concepteurs doivent tenir compte des paramètres photoniques, tels que l'efficacité optique, l'efficacité quantique, le courant d'obscurité et la charge électrique générée. La conception doit également tenir compte de la longueur d'onde de la lumière détectée, de l'infrarouge au spectre visible en passant par l'ultraviolet.

Conception optique

La précision et l'efficacité d'un capteur d'images CMOS dépendent de la qualité de l'image projetée sur le réseau du capteur. Les ingénieurs optiques doivent développer un ensemble de lentilles optimisé qui offre une projection claire et planifiée sur la surface. L'effet de l'incidence non normale de la lumière de la lentille sur la surface du capteur, qui varie dans l'espace, doit également être pris en compte pour obtenir une réponse plus précise du capteur. Ils doivent également concevoir les microlentilles, des lentilles microscopiques, situées sur le dessus de chaque photocapteur pour fournir autant de lumière que possible à la photodiode et comprendre l'impact de la lumière incidente sur le capteur.

Conception de circuits analogiques et numériques

L'un des avantages des capteurs à pixels actifs réside dans le fait que tous les circuits analogiques et numériques nécessaires sont placés sous forme de circuit intégré sur la même puce que le capteur, créant ainsi une caméra sur une puce. Les concepteurs de circuits doivent prendre en compte les problèmes d'alimentation, la synchronisation, l'intégrité des signaux et d'autres considérations tout en intégrant le maximum de pixels dans le plus petit format possible. Ils ont également besoin de convertisseurs analogique-numérique (ADC) efficaces et de capacités de traitement d'image numérique sur la puce elle-même.

Emballage

Une fois conçue, la puce doit être protégée et fournir des connexions aux composants électroniques qui utiliseront l'image. L'emballage doit répondre aux problèmes thermiques, de contrainte et de vibrations tout en maintenant les coûts à un niveau bas. La puce optique est souvent conditionnée avec d'autres composants qui utilisent ou supportent le système de caméra.

Les améliorations apportées aux technologies de fabrication des semi-conducteurs ont un impact direct sur les capacités des capteurs d'images. À mesure que la taille des éléments diminue, les architectes peuvent insérer plus de pixels dans une zone plus petite. Les consommateurs le constatent le plus souvent dans le nombre de pixels de la caméra de leur téléphone portable qui augmente sans cesse, dans un volume identique, voire inférieur.

La vitesse des caméras utilisant des capteurs d'images CMOS augmente également. La prolifération des caméras vidéo mégapixels est notable également dans le domaine des applications automobiles, pour sensibiliser les conducteurs à leur environnement et informer les systèmes de conduite autonomes.

Les experts prévoient de développer encore le traitement de l'image numérique effectué sur la puce du capteur pour produire une image numérique encore meilleure. Des travaux sont également en cours pour étudier différentes géométries pour la photodiode, en passant des filtres rouge-vert-bleu (RVB) sur les photodétecteurs aux filtres cyan-jaune-magenta (CJM) pour une plus grande sensibilité et un signal électrique plus fort. Des recherches supplémentaires sont également menées pour améliorer la sensibilité et les performances en imagerie proche infrarouge (NIR) en basse lumière.

Ressources connexes