LES CAPTEURS CCD/CMOS

Jérôme SIX Léo MEIGNAN Licence Professionnelle Gestion de la Production Industrielle, spécialité Vision Industrielle LES CAPTEURS CCD/CMOS

Introduction...3 I) CCD...4 I.1) Historique...4 I.2) Fonctionnement...4 I.3) Réponse spectrale...8 II) CMOS...9 II.1) Historique...9 II.2) Fonctionnement...9 II.3) Réponse spectrale...10 III) Qualités, défauts de chaque capteur et domaines d'utilisation...11 III.1) Capteurs CCD...11 III.2) Capteurs CMOS...11 III.3) Domaine d'utilisation...12 IV) Techniques futures...13 Conclusion...14 Sources...15 2

INTRODUCTION: Qu'ils soient de type CCD ou CMOS, ce sont tous deux des capteurs photographiques convertissant une image de départ issue d'un rayonnement électromagnétique en un signal analogique (ou numérique) à la fin. Si on voudrait faire une analogie avec les appareils photographiques argentiques, les films de ces derniers sont remplacés par les capteurs. Le principe de base d'un capteur repose sur l'effet photoélectrique, qui permet à un photon incident d'arracher des électrons à chaque élément sensible (appelé photosite) d'une matrice de petits capteurs élémentaires. Nous avons décidé d'étudier ces deux types de capteurs dans ce projet bibliographique car cela va nous permettre d'avoir une ébauche de connaissances nécessaire sur des matériels composant les deux principales familles de capteurs: les capteurs CCD et CMOS. Nos acquis dans ce domaine sont encore à leurs débuts et nous sommes déterminés à apprendre de nouvelles expériences, qui nous seront salutaires à l'avenir. Dans un premier temps nous expliquerons la manière dont fonctionne un capteur CCD. Ensuite nous passerons au capteur CMOS. Ensuite il y aura une analyse de leurs caractéristiques respectives ainsi que leurs domaines d'emploi. Il y aura également une analyse des techniques futures pour ces capteurs. Enfin nous terminerons par une conclusion qui traitera de l'avenir de ces capteurs et une ouverture sur d'autres technologies. 3

I) CCD I.1) Historique Ce sont les capteurs inventés en premier. Ils sont apparus en 1970 dans les Laboratoires Bell, implantés aux Etats-Unis, par Willard S. Boyle et George Smith (lauréats du prix Nobel de physique 2009 pour cette invention). I.2) Fonctionnement Les capteurs appelés CCD (Charged Coupled Device ou en français Dispositif de Transfert de Charges), ceux que l on trouve sur la plupart des Appareils Photo Numérique (APN) sont des systèmes à transfert de charges. Dans un premier temps nous allons expliquer comment fonctionne un photosite d'un capteur CCD. Suivant le schéma ci-après: Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit sur l'électrode semi-transparente en électron par effet photoélectrique, puis collecte les électrons dans la zone désertée. Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue. À la fin de l'exposition, les charges sont transférées de photosite en photosite par le jeu de variations de potentiel cycliques provenant d'une horloge externe. Puis elles sont envoyées dans un registre de sortie. Enfin les charges sont transformées en tension proportionnelle au nombre d'électrons. Ce signal sera, à l'extérieur du CCD, amplifié et numérisé. 4

Actuellement il existe 3 types de ces capteurs et nous allons exposer leurs fonctionnements. Le CCD "plein cadre " (full frame): l'ensemble de la surface contribue à la détection. En technologie plein cadre, la construction est assez simple puisque les lignes CCD verticales jouent à la fois le rôle de capteur de lumière et de moyen de transmission des charges. L'avantage est un rendement global intéressant, puisque presque toute la surface est sensible (facteur de remplissage proche de 1). 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. 5

Le CCD «à transfert de trame» (full-frame transfer) : il associe deux matrices CCD de même dimension, l'une exposée à la lumière, l'autre masquée. La rétine CCD à transfert de trames est similaire à la première, 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. 6

Le CCD «interligne» : plus complexe ; il associe un photosite à chaque cellule CCD. 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. Enfin, voici le fonctionnement général d'une caméra à capteur CCD (CCD de tout type): 7

I.3) Réponse spectrale Les capteurs CCD "interligne" ont une courbe de réponse spectrale allant de 400 à 1000 nm (environ) comme le montre le graphique ci-dessous. La sensibilité à la lumière infrarouge proche (700 à 10000 nm) peut permettre à une caméra de fonctionner de jour comme de nuit. Le passage du visible à l'infrarouge est possible grâce à un filtre passe-bas. Ce filtre est utilisé pendant la journée permettant l'imagerie couleur. Et la nuit on obtient une image monochrome: Les capteurs CCD "plein cadre" ont eux une sensibilité spectrale différente, présentée ci-dessous. Le pic est aux alentours de 600-700 nm: 8

II) CMOS II.1) Historique Ces capteurs sont apparus après les capteurs CCD, au début des années 80. II.2) Fonctionnement Les capteurs CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ou en français Semi-conducteur à Oxyde de Métal Complémentaire) fonctionnent différemment, même si le principe de base reste le même. Les photosites, comme sur un CCD sont sensibles à la lumière et acquièrent une certaine charge électrique en fonction de la quantité de lumière reçue. Jusqu ici pas de différence. Mais ensuite, à l'intérieur de chaque photosite, la charge générée est convertie directement en tension utilisable. Cela induit une architecture proche de celle d'un capteur CCD interligne. La surface d'un photosite est en partie occupée par l'électronique, pour convertir la charge en tension. Suivant le schéma ci-après: 9

II.3) Réponse spectrale Le graphique ci-après représente la réponse spectrale d'un capteur CMOS. Le pic de la réponse spectrale est proche de celui des capteurs CCD "plein cadre". Pour les CMOS il se situe cers 700 nm: Cette partie a permis de mettre en avant les principes de fonctionnement des deux types de capteurs. La principale différence est la nature du signal sortant d'un photosite. Pour le CCD il s'agit de charges et pour le CMOS c'est déjà un signal sous forme numérique (concernant le CCD, les charges seront converties en tension après le registre de sortie). Maintenant passons aux caractéristiques de ces 2 capteurs et à leurs domaines d'emploi. 10

III) QUALITES, DEFAUTS DE CHAQUE CAPTEUR ET DOMAINES D'UTILISATION Dans cette partie nous allons lister les différences qu'il existe entre ces deux capteurs. Chacun ont des points positifs et des points négatifs, cela est primordial à prendre en compte selon l'utilisation qui est faite du capteur. III.1 Capteurs CCD Points positifs: Qualité d images élevée Selon le CCD employé, le facteur de remplissage peut être proche de 1, cela permet une qualité d'image élevée, Bruit très faible Le bruit est faible avec un capteur CCD puisqu'il y a moins d'électronique composant le capteur, Haute sensibilité Cela permet l'emploi de ces capteurs où il y a peu de lumière. Points négatifs: Saturation du capteur aux fortes luminosités Cela peut créer des taches circulaires blanches, appelées blooming, qui peuvent être compensées par un logiciel de retouche d'image ou bien réduire au minimum le temps de pose. Nécessité d'horloges multiples pour piloter les transferts de charges III.2 Capteurs CMOS Points positifs: Fenêtrage C'est la possibilité d adresser individuellement les pixels et de ne lire que certaines zones de la matrice, Compacité L'électronique et le capteur sont présents sur le même composant 11

Points négatifs: Faible consommation Intéressant pour l'acquisition d'images à grandes vitesses Le bruit Facteur de remplissage modéré Cela est compensé par l'emploi de lentilles placées au dessus du photosite. Cela permet de diriger l'ensemble des photons incidents sur la partie sensible du photosite. III.3) Domaine d'utilisation Les capteurs CCD sont à l'origine employés pour toutes les applications nécessitant un haut niveau de précision, pour les systèmes de traitement d images complexes, les applications scientifiques, pour celles présentant un faible niveau d éclairage. Les capteurs CMOS eux sont utilisés pour le contrôle industriel simple, ne nécessitant pas impérativement une qualité d image très élevée. Par ailleurs, en utilisant la méthode de global shutter, les capteurs CMOS ont un intérêt pour l'acquisition d'objets en mouvement ou à grande vitesse. Le global shutter permet une exposition entière et en même temps de tous les photosites présent sur le capteur. Normalement les CMOS fonctionnent ligne de photosites par ligne de photosites (méthode de rolling shutter). A l'origine les capteurs CCD étaient plus performants. Ils sont apparus en premier. Et les capteurs CMOS étaient utilisés pour des appareils ne devant pas donner des images de très grandes qualités (les webcams, les appareils photo numériques bas de gamme ou de téléphone portable). Avec le temps, le CCD s'est amélioré mais le CMOS également. Aujourd'hui, un capteur CMOS obtient les mêmes performances qu'un capteur CCD. 12

IV) TECHNIQUES FUTURES Les capteurs CCD dans un premier temps puis CMOS dans un deuxième temps ont rendu possible l'acquisition d'images pour les transférer sous forme de données numériques. Bien entendu depuis leurs apparitions ces deux types de capteurs ont sans cesse fait l'objet d'améliorations. Et à l'avenir il semble que l'évolution de la manière de capter les images se fera par une optimisation des techniques existantes. Par exemple le photosite en forme de d'octogone appelé super-ccd (inventé par Fuji). Suivant le schéma ci-dessous, à gauche des photosites d'un capteur CCD normal et à droite des photosites d'un super-ccd: Utiliser les super-ccd permet d'optimiser l'interpolation (constituer des pixels à l'origine inexistant, à l'aide des pixels octogonaux). Avec les premières versions des super-ccd, 2.400.000 photosites permettaient de créer des images de 4.200.000 pixels. Par ailleurs, les avancés en matières d'images couleurs sont nombreuses. Auparavant il n'existait que le filtre dit de Bayer (schéma de droite). Maintenant il est utilisé le capteur Foveon (schéma de gauche): Chaque photosite est sensible aux trois composantes du visible (le photon s'infiltrant davantage dans le silicium à mesure que sa longueur d'onde diminue). Cela réduit le besoin d'interpoler. 13

CONCLUSION Ce projet nous a permis d'assimiler de nouvelles connaissances à propos de ces deux types de capteurs. Dans un premier temps il a permit de comprendre le principe d'un capteur photosensible, ensuite d'analyser le fonctionnement des deux types de capteurs existant: les CMOS, les CCD, avec notamment les différents types de capteurs CCD. Une description des CDD et CMOS a permis de mettre en avant leurs qualités et défauts respectifs. Chacun ayant ses spécificités et donc chacun ayant un domaine d'emploi. Les CCD ont les avantages de permettre une acquisition d'images de hautes qualités avec peu de lumière. Les CMOS ont eux l'intérêt d'être moins gourmand en énergie et ont la possibilité d adresser individuellement les pixels et de ne lire que certaines zones de la matrice. Autrefois les performances des CCD et des CMOS étaient clairement distinctes. Actuellement elles sont proches et les capteurs CMOS sont en train de s'imposer vu l'intérêt porté par de grands noms de l'industrie pour ce type de capteur. L'avenir sera peut-être une combinaison des deux architectures, alliant les performances des deux types de capteurs. La course au pixel entraine une miniaturisation des photosites. La recherche portera donc sur la réduction du bruit engendré par la multiplication de l'électronique présent. Diminuer le bruit par la fabrication et non plus par des traitements mathématiques. 14

SOURCES -DALSA, concepteur et fabricant de produits d'imagerie numérique: http://www.dalsa.com/corp/markets/ccd_vs_cmos.aspx -Loop Technology, fournisseur de produits en vision et robotique industrielle, en automatisme, en logiciel: http://www.looptechnology.com/machine-vision-cameras.asp -Médiathèque du Club EEA (association de plus de 1000 spécialistes et enseignants en microélectronique, signal et image, automatique, informatique industrielle...: http://www710.univ-lyon1.fr/~fdenis/club_eea/cours/acq_capteurs.html -Article du magazine Mesures: http://www.mesures.com/archives/745tendcapteurscmos.pdf -Article du magazine Jautomatise: http://www.jautomatise.com/article-pdf?fichier=j27p6675 -Exposé de M Jean-Pierre LOUVET (enseignant en IUT): http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/technologie/d/la-photo-numerique-du-capteur-alimage_773/c3/221/p1/ -CNET France, site d'information et d'expertise de produits high-tech: http://www.cnetfrance.fr/news/la-technologie-cmos-en-passe-de-succeder-aux-capteurs-ccd- 39371430.htm 15