Capteurs CMOS

Les capteurs CMOS sont apparus au début des années 1990.

Ils permettent notamment une conversion de la charge directement sur la photosite de génération par la présence d'un amplificateur sur le pixel. Cette particularité permet également de supprimer de nombreux transferts et d'accroitre la vitesse de lecture. Leur principaux avantages sont issus de leur fabrication.

Leur émergence par rapport aux capteurs CCD depuis quelques années est directement liée à leur utilisation en téléphonie mobile comme caméra ou comme appareil photo embarqué. Ceci est une conséquence directe de leur fabrication à bas coût et de leur faible consommation.

Pour les applications scientifiques, c'est leur vitesse de fonctionnement (cadence image), liée à la conversion de la charge sur le site de création, qui privilégie leur utilisation aux CCD's. Un des capteurs de dernière génération permet de numériser des images de 1024 par 1024 pixels à une cadence de 5400 images/seconde...

D'autre part, la possibilité de piloter (en manuel ou en automatique) chaque pixel indépendamment des autres, permet également leur utilisation en vision pour des scènes fortement contrastées. Le biais introduit par leur fonctionnement peut toutefois générer de fortes différences entre les images perçues par l'œil humain et l'image brute issue d'un capteur CMOS.

Figure 31 : Exemples de prise de vue, CCD (gauche) et CMOS (droite) [zoom...]Info

La taille des capteurs est voisine de celle des CCD et peut approcher le micromètre dans certains cas. Un des problèmes apportés par la technologie CMOS est une perte de résolution spatiale par la présence de l'amplificateur A sur le photosite (un peu comme le nerf optique sur la rétine pour l'œil humain...). Ceci est illustré à la figure 32 (surface sensible en gris et amplificateur en jaune). Au début, un seul transistor était utilisé pour l'amplification. A présent, ces amplificateurs peuvent comporter de 3 à 5 transistors (3T et 5T CMOS) et le facteur de remplissage peut fortement diminuer.

Figure 32 : Principe du capteur CMOS [zoom...]Info

Cette perte peut néanmoins être compensée par l'utilisation de microlentilles, tout comme pour les CCD à transfert de ligne. Toutefois, le facteur de remplissage est toujours plus élevé pour des Full Frame CCD que pour des capteurs 3T CMOS. Pour certains modèles de CMOS, on peut également noter que même si la quantité d'information transférée est élevée, les performances en terme de rapport signal à bruit peuvent être inférieures à celles des CCD.

Toutefois, leur utilisation est grandissante en photographie numérique et de nombreux fabricants les incluent à leur boitier numérique. Depuis 2007, on avoisine ET ON DEPASSE le format 24 x 36mm cher à la photographie, par des capteurs CMOS de plus de 12.4Megapixels effectifs. Plus récemment, on associe le CMOS à un convertisseur analogique/numérique par colonne, ce qui améliore la vitesse d'acquisition numérique jusqu'à près de 10 images/seconde.

Enfin, on tend vers des caméras intelligentes, où grâce à la rapidité de transfert du CMOS couplé à du traitement embarqué, une image interprétée est directement disponible en sortie. La caméra intelligente présente dès lors des de fonctions intégrées directement au chip. Ce fonctionnement permet plus d'avantages en termes de taille et de simplicité. La Figure 33 présente le schéma comparatif des différentes possibilités d'acquisition d'une image.

Figure 33 : Principe du CMOS (source DALSA) [zoom...]Info

Les capteurs CCD et CMOS ont à présent des coûts comparables à volume équivalent (les CMOS de qualité sont produits sur des lignes séparées de la DRAM ...). Pour des applications performantes, la décision finale n'est pas liée à « CCD ou CMOS » mais bien à l'adéquation du produit à la tâche finale.

On gardera en mémoire que si les CMOS permettent des hautes cadences, les CCD restent toutefois meilleurs pour leur