Electronique - Les capteurs CCD d'images et Cmos

Les capteurs CCD d'images et Cmos
Tirés entre les applications scientifiques et industrielles et les marchés de masse, les capteurs d'images se sont largement perfectionnés et diversifiés. Confrontée à la maturité de la technologie CCD, apparue il y a plus de vingt-cinq ans, la filière Cmos peut faire valoir son caractère économique.

Jean-Pierre Landragin , Electronique Mensuel, le 01/06/2003 à 00h00

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	Sommaire du dossier
	Les capteurs CCD d'images et Cmos
	Avant tout une option technologique

Le grand public connaît les capteurs d'images ou rétines électroniques par le biais de produits multimédias, dans lesquels ils ont rapidement remplacé les tubes de prise de vue vidicon, plumbicon et autres (caméscopes, caméras vidéo légères), ou dont ils ont permis l'émergence (photo numérique, webcams...). Hormis ces applications où la prouesse se situe surtout au niveau du faible coût, on rencontre les capteurs d'images dans une multitude de domaines industriels, scientifiques et professionnels où la performance est une nécessité absolue qui donne toujours du fil à retordre aux concepteurs : astronomie, microscopie, biologie (analyses par fluorescence), radiographie, physique nucléaire, reconnaissance de formes, contrôle dimensionnel, photographie professionnelle, télévision à haute définition, télécinéma, etc.

Quand on parle de capteur d'images, on pense le plus souvent à des arrangements matriciels de cellules photosensibles. Ce serait oublier un peu vite tout ce qu'il est possible de réaliser avec des arrangements linéaires, dans le domaine de la lecture de codes barres ou du contrôle industriel, voire de l'imagerie pure (scanners). L'un des plus beaux exemples est donné par les satellites d'observation Spot, dont les images à haute résolution sont obtenues par des barrettes CCD et un balayage par miroir mécanique tournant.

Dans ce « Dossier » , nous avons considéré tous les semiconducteurs capteurs d'images. Nous avons exclu les photodiodes et thermopiles comprenant une très petite quantité d'éléments photosensibles, de même que les sous-ensembles d'imagerie comme les modules et têtes de caméras incluant plusieurs composants. En revanche, nous avons inclus les circuits intégrés monolithiques comprenant l'ensemble de l'électronique nécessaire à la réalisation d'une caméra complète. Nous avons également pris en compte les capteurs linéaires (barrettes), mais nous avons écarté les capteurs à contact (contact image sensors, CIS) utilisés dans les scanners bon marché et les télécopieurs.

Trois familles de dispositifs à transfert de charges
Les CCD (Charge coupled devices) sont avant tout des composants intégrés qui permettent le transfert individuel de paquets de charges électriques sur une certaine distance physique, tout en conservant l'intégrité de chaque paquet. Dans les capteurs d'images, ils n'interviennent pas toujours directement dans le processus de captation. Mais, dans le processus de construction du signal vidéo, ils collectent les charges photoélectriques et organisent leur succession dans un ordre simulant un balayage de la surface photosensible.

Bien entendu, ce phénomène n'est pas absolument parfait et peut se qualifier, pour chaque étage, par le rendement de transfert à chaque cycle (CTE, Charge transfer efficiency) ou l'inverse (CTI, Charge transfer inefficiency, CTI = 1CTE). Même si la valeur du CTE peut paraître proche de l'unité, c'est-à-dire de la perfection, les lignes CCD sont souvent très longues et cumulent l'ensemble des imperfections, de telle sorte que le CTE global pour une N ligne de N cellules vaut CTE . Le transfert s'effectue au rythme de plusieurs horloges qui constituent une difficulté de la mise en oeuvre des CCD. En effet, elles sont polyphasées et nécessitent un timing particulier. Il existe des CCD à quatre, trois et deux phases avec, dans ce dernier cas, une distinction entre le « vrai » et le « faux » CCD à deux phases. Plusieurs topologies sont possibles. En technologie « plein cadre » (full-frame CCD), la construction est assez simple puisque les lignes CCD « verticales » jouent à la fois le rôle de capteurs de lumière les condensateurs des cellules CCD sont photosensibles mais ont une efficacité moindre aux faibles longueurs d'onde du fait des électrodes en silicium polycristallin, qui ne sont que semi-transparentes et de moyen de transmission des charges. L'avantage est un rendement global intéressant, puisque presque toute la surface est sensible : le fill factor ou facteur de remplissage, rapport de la surface sensible à la surface totale du circuit intégré, est proche de 100 %. Mais il est nécessaire d'avoir un obturateur optique externe pour fixer précisément le temps d'intégration et éliminer toute lumière incidente pendant le transfert des charges.

Rétine CCD « full-frame »

Dans ce type de capteur, les lignes CCD verticales sont photosensibles et assurent un « fil-factor » voisin de 100% (doc. Kodak).

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La rétine CCD à transfert de trames (full-frame transfer CCD) est similaire, mais elle utilise en plus un second jeu de lignes CCD « verticales » ,masquées par une couche métallique opaque. A la fin du temps de pose, on transfère très rapidement l'image électronique acquise dans la matrice photosensible vers la matrice aveugle. Cela permet ensuite de recommencer une acquisition, pendant que la matrice aveugle transmet l'image vers la sortie au rythme « normal » .

Capteur CCD à transfert de trames

Une seconde matrice, rendue aveugle par un masque métallique, reçoit l'ensemble de l'image collectée par la première entre les intervalles d'exposition. Le facteur de remplissage est également voisin de 100%, mais dans la zone sensible uniquement (doc. Kodak).

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Dans le capteur interligne, les CCD verticaux « aveugles » ne sont pas disposés sous la forme d'une matrice compacte comme dans la technique précédente, mais sont intercalés entre les sites photosensibles disposés en rangées verticales. L'efficacité diminue puisque le facteur de remplissage baisse sensiblement dans cet arrangement. On remarquera toutefois que le capteur CCD plein cadre ne permet pas le balayage entrelacé cher à la télévision standard (ITU-R 601). Des variantes similaires s'appliquent aux capteurs linéaires.

Rétine CCD « interligne »

La fonction de transfert est assurée par les lignes CCD verticales disposées entre les rangées d'éléments photosensibles. Le facteur de remplissage est considérablement dégradé, mais on gagne beaucoup en souplesse d'utilisation avec plusieurs résolutions d'images possibles (doc. Kodak).

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De multiples sources de bruit
Un capteur d'images est avant tout un transducteur de lumière et son efficacité de conversion se chiffre en terme de rendement quantique. Il s'agit du rapport entre le nombre de photoélectrons générés par chaque cellule rapporté au nombre de photons incidents. La sensibilité du capteur est une combinaison du rendement quantique et du facteur de conversion entre la charge électrique collectée et la tension de sortie.

A l'inverse, pour les signaux d'amplitude trop élevée, on observe un phénomène d'éblouissement à la saturation. Les condensateurs emmagasinent une charge excessive qui a alors tendance à s'écouler dans les cellules voisines, créant ainsi des effets de halo (blooming) ou de traînée (smear) particulièrement gênants sur les images à fort contraste. Des structures antihalos sont créées sur les CCD pour écouler en toute sécurité les charges excessives. Des séquencements particuliers au niveau des horloges peuvent égalent avoir un effet antiéblouissement, parfois moins efficace aux fréquences images élevées.

Dans un capteur d'images, il y a une multitude de sources de bruit.

Le bruit photonique (shot noise) est dû à l'arrivée aléatoire des photons. L'intervalle entre photons successifs étant gouverné par la loi de Poisson, l'incertitude sur le nombre de photons collectés en un temps T est simplement s shot = vS où s shot est le bruit et S le signal, les deux exprimés en électrons.

Le bruit de remise à zéro est engendré par le transistor Mos qui établit la tension de référence aux bornes du condensateur de conversion des charges collectées.

Concernant l'amplificateur de sortie, il y a deux sources de bruit : le bruit blanc d'origine thermique et le bruit en 1/f. Ce dernier est généralement prépondérant dans les applications où la fréquence du point est inférieure à 1 MHz.

Le bruit d'horloge provient de la diaphonie entre les signaux et les lignes qui véhiculent les signaux de séquencement, porteurs d'une énergie importante.

Le courant d'obscurité résulte d'imperfections ou d'impuretés dans le substrat de silicium ou à l'interface entre le silicium et la silice. Ces sites introduisent des états électroniques dans la bande interdite, qui se comportent comme des tremplins pour accéder dans la bande de conduction à partir de la bande de valence et augmentent le signal collecté par les photosites. Cet effet étant essentiellement de nature thermique le courant d'obscurité double tous les 6 à 9°C selon la technologie, la meilleure façon de diminuer le courant d'obscurité d'un CCD est de le refroidir.

Le courant d'obscurité engendre deux types de bruits : le bruit de non-uniformité, lié au fait que le courant d'obscurité peut, dans une image, varier d'un point à un autre (on peut l'éliminer par soustraction du motif de bruit de courant d'obscurité enregistré à la même température et avec le même temps d'exposition que l'image à acquérir). Toutefois, en chaque point, le courant d'obscurité a une composante aléatoire similaire au bruit photonique. Par conséquent, la sous-traction du motif de non-uniformité augmente ce bruit d'un rapport v2.

La non-uniformité de la réponse photoélectronique (PRNU) a un effet similaire à celui de la non-uniformité du courant d'obscurité, mais il est multiplicatif au lieu d'être additif. On peut le compenser en uniformisant artificiellement le gain global, au prix d'un accroissement d'un facteur v2 du bruit photonique.

Capteurs Cmos : les avantages de l'intégration et du faible coût
Les rétines CCD nécessitent la mise en oeuvre d'un process de fabrication particulier et imposent un adressage séquentiel de l'ensemble des points de l'image. La conversion charge -> tension et l'amplification du photosignal se fait juste avant la sortie.

Au contraire, les capteurs Cmos utilisent une méthode de traitement décentralisé au niveau de chaque photosite, mettent en oeuvre un process standard et autorisent l'accès aléatoire à chaque point de l'image, ainsi que l'intégration de fonctions de haut niveau. Le concept de base est celui de « pixel actif » (ou APS pour active-pixel sensor), qui associe au sein de chaque photosite au minimum un capteur de lumière (photodiode ou condensateur Mos photosensible) et un amplificateur. Une matrice de commutation répartie sur l'ensemble de la puce permet d'accéder à chaque point. Des fonctions plus avancées peuvent aussi être intégrées soit localement (obturateur électronique constitué par un échantillonneur-bloqueur au niveau de chaque site), soit ailleurs sur la puce (convertisseur A/N, générateur de synchronisation vidéo, DSP...).

Les rétines Cmos ont des avantages déterminants : outre l'intégration possible de l'ensemble des fonctions d'une caméra dans un seul boîtier, ils ont un coût très favorable et des résolutions potentiellement très élevées. Des capteurs « intelligents » , irréalisables avec la technologie CCD, rendent des services considérables en vision artificielle. Néanmoins, leur gros inconvénient est d'avoir un facteur de remplissage d'emblée inférieur à celui des CCD. Il en résulte qu'ils sont moins adaptés pour les applications scientifiques et industrielles délicates en faible lumière. On doit cependant s'attendre à un développement massif de ce type de rétine pour tous les appareils nomades appelés à capter des images et les envoyer par courrier électronique : téléphones portables, assistants personnels...

La couleur en plus
Bien évidemment, les rétines électroniques sont intrinsèquement monochromes. Elles sont rendues aptes à la couleur au moyen de filtres déposés sur leur surface. Ces filtres sont composés d'une mosaïque disposée judicieusement au-dessus de chaque cellule photosensible, avec une organisation du système de collecte de charges (CCD) ou d'adressage (Cmos) permettant de récupérer une image complète dans chacune des couleurs primaires.

Le choix naturel des couleurs des filtres est rouge, vert, bleu. Toutefois, ces filtres sont très absorbants et il a été proposé, pour améliorer le rendement quantique des capteurs d'images en couleurs, d'utiliser les couleurs complémentaires cyan, jaune, magenta. L'opération n'a pas un effet déterminant, car le matriçage des signaux nécessaires à la transposition dans l'espace de couleurs R, V, B engendre des pertes équivalentes. On notera que les capteurs trilinéaires avec filtres R, V, B permettent de « scanner » une image en couleurs en une seule passe.