Introduction à la technologie du capteur d'image

Le principe de base de l'imagerie électronique est que l'énergie lumineuse est convertie en électricité d'une manière qui préserve les informations visuelles, nous permettant de reconstruire les propriétés optiques d'une scène. Cette interaction prévisible entre les photons et les électrons initie le processus de capture d'images numériques. Une fois que l'énergie fournie par les photons incidents est convertie en énergie électrique, le système doit avoir un moyen de quantifier cette énergie et de la stocker sous forme de séquence (ou matrice) de valeurs.

Dans la plupart des capteurs d'image, la conversion de la lumière à l'électricité se fait par une photodiode, qui est une jonction PN dont la structure favorise la génération de paires électron-trou en réponse à la lumière incidente.

Les photodiodes sont généralement constituées de silicium, mais d'autres matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure d'indium, l'antimoniure d'indium, le tellurure de cadmium de mercure, etc. sont également utilisés à diverses fins spéciales.

Une avancée importante dans la technologie des capteurs d'image a été la création d'une photodiode de type épinglé. Dans l'image ci-dessus, une photodiode, comme une diode normale, se compose d'une région de type p et d'une région de type n.

Les photodiodes de type épinglé ont une région supplémentaire en semi-conducteur de type p (p pour court) hautement dopé; comme indiqué, il est plus fin que les deux autres régions.

Cette figure montre la structure d'une photodiode épinglée intégrée dans un capteur d'image

Introduites dans les années 1980, les photodiodes Pinned ont résolu le problème (appelé «hystérésis») associé au transfert retardé de la charge générée par la lumière. Les photodiodes de style épinglé offrent également une efficacité quantique plus élevée, des performances de bruit améliorées et un courant sombre plus faible (nous reviendrons à ces concepts plus tard dans cette série).

Aujourd'hui, l'élément photosensible de presque tous les capteurs d'image CCD et CMOS est une photodiode épinglée.

Les deux principales technologies d'imagerie sont CCD (Charge Coupled Device) et CMOS.

Il existe également d'autres types de capteurs, tels que les capteurs NMOS pour la spectroscopie, les photomètres miniatures fournissant une sensibilité d'imagerie thermique infrarouge et les applications spéciales peuvent utiliser des réseaux de photodiodes connectés à des circuits d'amplification personnalisés.

Néanmoins, nous nous concentrerons sur le CCD et le CMOS. Ces deux catégories de capteurs généraux couvrent une très large gamme d'applications et de fonctions.

Il semble que les gens soient attirés par le jugement de valeur "Quel est le meilleur?" Des questions comme le montage en surface ou le trou traversant? BJT ou FET? Canon ou Nikon? Windows ou Mac (ou Linux)? Ces questions ont rarement des réponses significatives, et même comparer des caractéristiques individuelles peut être difficile.

Alors, quel est le meilleur, CMOS ou CCD? La comparaison traditionnelle est la suivante: le CCD a un bruit plus faible, une meilleure uniformité de pixel à pixel et est réputé pour sa qualité d'image supérieure. Les capteurs CMOS offrent des niveaux d'intégration plus élevés-réduisant la complexité pour les concepteurs de circuits-et une consommation d'énergie plus faible.

Je ne dis pas que cette évaluation est inexacte, mais son utilité est limitée. Beaucoup dépend de vos besoins en capteurs et de vos exigences et priorités.

De plus, la technologie évolue rapidement et les sommes importantes investies dans la recherche et le développement en imagerie numérique peuvent changer progressivement le modèle du CCD et du CMOS.

Deuxièmement, les capteurs d'image ne produisent pas d'images. Il fait partie intégrante d'un système d'imagerie numérique (une partie très importante, bien sûr), et la qualité d'image perçue produite par le système ne dépend pas seulement du capteur, mais beaucoup plus de facteurs. Il ne fait aucun doute que les CCD surperforment les capteurs CMOS pour certaines propriétés optoélectroniques. Mais associer un CCD à un niveau global plus élevéLa qualité de l'image semble un peu déraisonnable.

Un système basé sur des capteurs CCD nécessite un investissement de conception important. Les CCD nécessitent une variété de tensions de puissance et de contrôle de niveau non logique (y compris des tensions négatives), et la synchronisation qui doit être appliquée au capteur peut être très complexe. Les "données" d'image produites par le capteur sont une forme d'onde analogique qui doit être finement amplifiée et échantillonnée, et bien sûr tout circuit de traitement de signal ou de conversion de données a le potentiel d'introduire du bruit.

Les performances à faible bruit commencent par un CCD, mais elles ne s'arrêtent pas là-nous devons nous efforcer de minimiser le bruit tout au long de la chaîne du signal.

Forme d'onde de sortie CCD

La situation est tout autre pour les capteurs d'image CMOS. Ils fonctionnent davantage comme des circuits intégrés standard, avec des sources de tension au niveau logique, un traitement d'image sur puce et des données de sortie numérique. Vous devrez peut-être également faire face à un bruit d'image supplémentaire, mais dans de nombreuses applications, c'est un petit prix à payer pour réduire considérablement la complexité de la conception, le coût de développement et le stress.

Le traitement d'image n'est pas une tâche typique de microcontrôleur, en particulier lorsque vous travaillez avec des capteurs à haute fréquence d'images ou haute résolution. La plupart des applications bénéficieront de la puissance de calcul d'un processeur de signal numérique ou d'un FPGA.

La compression doit également être prise en compte, en particulier si vous devez stocker des images en mémoire ou les transférer sans fil. Cela peut être effectué par un logiciel ou un matériel programmable.