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39 39 www.photoniques.com Photoniques 79 COMPRENDRE CAHIER TECHNIQUE Fonctionne

39 39 www.photoniques.com Photoniques 79 COMPRENDRE CAHIER TECHNIQUE Fonctionnement d’un capteur à capacité MOS La technologie de base sur laquelle re- posent les capteurs CCD et CMOS est la ca- pacité MOS. Il s’agit en fait d’un sandwich de couches minces composé de trois types de matériaux : un métal (appelé porte ou grille), un isolant (en l’occurrence un oxyde) et un semiconducteur (dopé géné- ralement P , avec deux inclusions dopées N appelées source et drain) comme visible en ﬁ gure 1. Lorsqu’un photon d’énergie supérieure au gap est absorbé dans le semiconduc- teur, une paire électron/trou est créée. Il s’agit en fait d’un atome du réseau du se- miconducteur qui va libérer un électron (promotion de la bande de valence à la bande de conduction) et laisser à sa place une charge positive appelée trou. Sous l’eﬀ et du champ appliqué au niveau de la grille (zone de déplétion), l’électron va mi- grer à l’interface entre le semiconducteur et l’oxyde et rester piégé dans un puits de potentiel tandis que le trou va migrer vers l’électrode de terre. Le nombre d’électrons qui peuvent ainsi être collectés dépend de Comment fonctionnent les capteurs CCD et CMOS ? Thomas ESTRUCH Ingénieur études et applications, Photon Lines th-estruch@photonlines.com Les capteurs numériques d’image sont omniprésents dans notre vie de tous les jours. Téléphones portables, appareils photographiques, caméras scientifi ques haute sensibilité, caméras rapides, le marché des capteurs a littéralement explosé ces dernières années. Face aux applications toujours plus poussées et à la grande diversité de produits sur le marché, il est important de revenir à l’essentiel et d’identifi er les questions à se poser pour choisir la technologie et donc le capteur adapté au besoin de chacun. Cet article a donc pour vocation de rappeler le fonctionnement et les caractéristiques propres des deux grandes familles de capteurs : CCD et CMOS. la contenance du puits qui est une fonc- tion de la surface et de la tension appli- quée à la grille ainsi que de l’épaisseur de la couche d’oxyde. Si le principe de génération et de stoc- kage d’une charge à partir de l’absorption d’un photon leur est commun, les cap- teurs CCD et CMOS présentent toutefois des diﬀ érences fortes, dont la principale tient à la manière dont vont être transfé- rées les charges piégées dans les puits de chaque pixel vers la partie électronique de façon à obtenir l’image de la scène. Figure 1. Schéma d’une capacité MOS. La grille (G) représente la zone photosensible tandis que les électrodes de source (S) et de drain (D) permettent de piéger les électrons dans le puits de potentiel situé sous chaque grille. ScienTec La SoluTion à vos mesures CA-310 CA-310 info@scientec.fr / www.scientec.fr 01.64.53.27.00 ScienTec c’est aussi... Analyseur d'écran Luminance, couleur et Température de couleur Écrans LCD, plasma, OLED, rétroprojecteurs... Panneaux d’affichage à matrice active LCD, moniteurs LCD et TV LCD... Chromaticité, balance des blancs, gamma, contraste Évaluation des faibles et fortes luminances Analyse des couleurs Respect des courbes de sensibilité CIE 1931 Précision et rapidité Spectroradiomètres Vidéo-colorimètres Photomètres Luxmètres Chromamètres Sources de référence Disponible sur le site http://www.photoniques.com ou http://dx.doi.org/10.1051/photon/20157939 40 40 www.photoniques.com Photoniques 79 COMPRENDRE CAHIER TECHNIQUE sert au stockage des électrons pour la lec- ture de l’image. Ainsi on peut faire l’acqui- sition de l’image n+1 sur la partie exposée du capteur pendant que l’image n est lue sur la partie du capteur masquée. On aug- mente donc considérablement la cadence par rapport à l’architecture full frame. Ces capteurs frame transfer ont un facteur de remplissage équivalent au full frame mais sont plus chers car la taille du capteur doit être doublée pour être équivalente à un capteur full frame. Les CCD interline transfer : l’architecture interligne incorpore, au niveau de chaque pixel, un canal de transfert de charges (re- gistre vertical recouvert d’un blindage op- tique métallique) directement adjacent à une photodiode de manière à ce que les charges accumulées puissent rapidement (de l’ordre de la microseconde) être trans- férées une fois que l’acquisition est termi- née. On peut ainsi atteindre des temps d’exposition très courts ce qui permet d’éviter de saturer les pixels et ce, sans avoir recours à une obturation mécanique du CCD. En revanche, le blindage des registres verticaux agit comme un store vénitien et réduit la zone photosensible du capteur par rapport aux architectures full frame. Pour compenser cet eﬀet indésirable et réaugmenter le facteur de remplissage, on peut utiliser des matrices de microlentilles pour focaliser la lumière incidente sur les photodiodes mais, dans le cas où l’objectif est très ouvert (illumination grand angle), la sensibilité reste faible. De par leur architecture, les capteurs CCD offrent l’avantage d’un facteur de remplissage proche de l’unité (> 98 %). Cela signiﬁe que la zone photosensible est quasiment égale à la dimension du capteur. La dynamique d’un capteur est liée au rapport entre la capacité quantique de chaque photosite (proportionnelle à la taille de la zone photosensible) et la somme des bruits d’obscurité (faible pour les CCD) et des bruits de lecture. Les CCD ont ainsi une grande dynamique : Dynamique = 20 log (capacité/ (obscurité + lecture)) De plus, si la sensibilité est définie comme la capacité d’un pixel à atteindre sa saturation rapidement, les capteurs CCD sont très sensibles car continuelle- ment exposés. Les principaux défauts que l’on retrouve sur des images provenant de capteurs CCD sont liés au fait que le capteur est exposé en continu et les charges accumu- lées dans les puits quantiques doivent être transférées à la ﬁn de l’acquisition. Ainsi lorsqu’un pixel reçoit une quantité trop importante de photons (qui dépasse sa ca- pacité), il sature et déborde sur ses voisins un peu à la manière d’un seau trop rempli. Ce phénomène porte le nom de blooming (cf. ﬁgure 3). De même lorsqu’un pixel est saturé, il va lors de sa lecture par le registre à décalage saturer toute la colonne qui lui est associée. On parle alors de colonnage ou smearing (cf. ﬁgure 3). Il est donc parfois nécessaire d’ajouter un système d’obtu- ration mécanique pour éviter que le cap- teur ne soit exposé pendant la lecture de l’image. Enﬁn, malgré l’évolution des archi- tectures des capteurs CCD pour augmen- ter la cadence de lecture, il est impossible d’adresser la valeur d’un pixel individuel en sélectionnant une région d’intérêt ce qui limite les cadences atteignables par cette technologie (aujourd’hui la limite su- périeure est de quelques dizaines de kHz). Figure 3. Exemple de smearing et de blooming sur une image prise par un capteur CCD. Le smearing donne lieu à une ligne verticale saturée. Le blooming donne lieu à une saturation des pixels les plus proches. Les capteurs CCD Le CCD (charge coupled device) consiste en une juxtaposition matricielle de capaci- tés MOS. Pour obtenir l’image de la scène, il faut compter le nombre d’électrons pié- gés dans chaque puits, qui est proportion- nel au nombre de photons incidents sur chaque pixel. Pour ce faire, on commande séquentiellement la tension des grilles de chaque capacité MOS au rythme d’une horloge, ce qui va permettre de transfé- rer les électrons d’une capacité vers sa voisine : on parle de registre à décalage. Après n transferts, les charges sont conver- ties en tension dans un condensateur puis ampliﬁées. Elles sont ensuite codées nu- mériquement à l’aide d’un convertisseur analogique/numérique à l’extérieur de la matrice CCD. Il existe plusieurs architectures pour les capteurs CCD qui dépendent directement du type d’applications visées. Les systèmes à transferts de bloc complet (full frame transfer visible en figure 2a) ou partiel (frame transfer en ﬁgure 2b) sont surtout utilisés dans le milieu scientifique. Les systèmes à transferts interligne (interline transfer en ﬁgure 2c) sont utilisés dans les caméras pour le grand public et les sys- tèmes de télévision professionnels. Les CCD full frame transfer : cette ar- chitecture full frame est la plus simple. Les photons sont collectés sur l’ensemble de la surface du capteur qui est photosensible. Le capteur est ensuite lu verticalement ligne par ligne à l’aide du registre à dé- calage. Chaque ligne une fois transférée au registre de lecture est lue horizonta- lement pour obtenir la valeur de chaque pixel. Cette lecture progressive est lente mais les capteurs CCD full frame sont les plus sensibles du marché et peuvent fonc- tionner dans de nombreuses conﬁgura- tions d’illumination. Les CCD frame transfer : l’architecture à transfert de bloc (frame transfer) est ba- sée sur la division de la zone photosensible du capteur en deux parties symétriques et de mêmes dimensions (cf. ﬁgure 2b). La première partie collecte les photons de manière classique. Ils sont ensuite ra- pidement transférés (en quelques millise- condes) vers la deuxième partie du capteur qui est protégée de la lumière incidente et Figure 2. Schéma des différents types d’architecture de capteurs. a b c 41 41 www.photoniques.com Photoniques 79 COMPRENDRE CAHIER TECHNIQUE Les capteurs CMOS Technologie plus récente apparue dans les années 90, les capteurs CMOS (comple- mentary metal oxyde semiconductor) sont néanmoins basés sur le même principe uploads/Litterature/ photon-201579-p-39.pdf