Qu’est-ce qu’un capteur CMOS ?
Les capteurs CMOS sont des capteurs d’images utilisés dans les appareils photo numériques et autres équipements photographiques. La lumière reçue par les différents photodétecteurs est convertie en une charge électrique. Celle-ci est ensuite extraite sous forme de tension ou de courant en fonction de l’intensité de la lumière via un circuit d’amplification composé de capteurs CMOS.
Dans le passé, les capteurs CCD constituaient le pilier des capteurs d’images, caractérisés par une structure dans laquelle la charge est transférée par le CCD et convertie en tension via un amplificateur à diffusion flottante (FDA).
Les capteurs CCD présentent des avantages par rapport aux capteurs CMOS en termes de sensibilité, de rapport signal/bruit et de faible courant d’obscurité. Toutefois, ils présentent des inconvénients en termes de configurations complexes de l’alimentation électrique, de maculage inévitable, de processus de fabrication spécialisés et d’impossibilité d’utiliser l’équipement de production LSI CMOS général. Récemment, les capteurs CMOS sont devenus le pilier des capteurs d’images grâce aux progrès réalisés dans les méthodes de réduction des effets du courant d’obscurité et d’amélioration du rapport signal/bruit dans les capteurs CMOS.
Utilisations des capteurs CMOS
Les capteurs CMOS étaient jusqu’à présent utilisés dans les caméras montées sur les smartphones et les tablettes car ils sont peu coûteux à fabriquer. En revanche, les capteurs CCD à faible bruit étaient principalement utilisés dans les appareils photo reflex à objectif unique et les caméras vidéo, qui exigent une qualité d’image élevée.
Toutefois, avec l’évolution des méthodes de réduction du bruit pour les capteurs CCD, le smear et le blooming qui posaient problème avec les capteurs CCD ne se sont pas produits. Le capteur CCD a été progressivement remplacé par le capteur CMOS, désormais utilisé comme capteur d’image dans tous les types d’équipements photographiques.
Principe des capteurs CMOS
La fonction de base d’un capteur d’image est de stocker et de transférer la charge électrique générée par les éléments récepteurs de lumière disposés en grand nombre sur sa surface, de la convertir en tension ou en courant électrique et de la restituer. À cet égard, les capteurs CCD et CMOS ont la même fonction.
La principale différence entre les deux réside dans le mécanisme de transfert de charge : un capteur CCD possède une grille de photodiodes comme éléments récepteurs de lumière et la charge peut être temporairement stockée dans la région de type N de ces photodiodes.
Un CCD vertical est installé à côté de ces photodiodes. Toutes les charges accumulées par chaque photodiode à un moment donné sont simultanément transférées au CCD vertical. Les charges sont transférées séquentiellement et transmises au CCD horizontal.
Le CCD horizontal transfère séquentiellement la charge transférée du CCD vertical au FDA, qui délivre une tension correspondant à la quantité de charge, fournissant ainsi une tension de sortie correspondant à l’intensité de la lumière irradiant les photodiodes. Comme décrit ci-dessus, dans un capteur CCD, la quantité de charge de toutes les photodiodes est émise de manière séquentielle.
En revanche, les capteurs CMOS sont équipés d’une photodiode pour chaque élément récepteur de lumière, d’un amplificateur pour amplifier la sortie et d’un commutateur pour connecter la sortie de l’amplificateur à la ligne de signal. De cette manière, la réception, la conversion, l’amplification et la sortie de la lumière sont effectuées pour chaque photodiode.
À partir de cette configuration, les capteurs CMOS peuvent spécifier des photodiodes individuelles en combinant les signaux de balayage horizontal et vertical, et extraire la tension ou le courant correspondant à la quantité de charge. Ainsi, n’importe quelle photodiode peut être sélectionnée et son signal lu.
En raison de ces différences structurelles, les capteurs CMOS présentent l’avantage de permettre une lecture à grande vitesse en limitant le signal à la zone requise, etc. et de ne pas générer de bruit de transfert CCD. De plus, avec les capteurs CCD, le smear causé par les composants de bruit qui circulent dans le CCD est inévitable, ce qui n’est pas le cas avec les capteurs CMOS.
Structure des capteurs CMOS
Les capteurs CMOS combinent des photodiodes, qui sont des éléments récepteurs de lumière, avec des amplificateurs et des éléments de commutation, et en intègrent beaucoup d’autres. Le processus de fabrication des photodiodes est particulier et différent de celui des transistors. Les autres composants sont identiques à ceux des LSI CMOS, de sorte que l’équipement de fabrication CMOS peut être utilisé, ce qui constitue un avantage par rapport aux CCD.
De nouveaux développements apparaissent également en ce qui concerne l’agencement des photodiodes. Il s’agit d’une structure connue sous le nom de type rétro-éclairé, dans laquelle la photodiode est placée à l’arrière de l’appareil, tandis que les circuits tels que les amplificateurs et les éléments de commutation sont placés à l’avant. La photodiode et les circuits sont reliés par un câblage interne. Bien que le processus de fabrication soit plus complexe, les photodiodes peuvent être placées sans espace, ce qui améliore notamment l’efficacité de la collecte de la lumière.
Les circuits des capteurs CMOS fonctionnent avec une seule alimentation. Aussi, en principe, une seule alimentation d’environ 3,3 V est nécessaire, alors que les capteurs CCD nécessitent plusieurs tensions pour alimenter le CCD, qui est la voie de transfert, ce qui rend la configuration de l’alimentation plus complexe. Les capteurs CMOS ont un avantage en termes de consommation d’énergie.
Autres informations sur les capteurs CMOS
1. Part de marché des capteurs CMOS
Sony détenait une part de marché dominante lorsque les capteurs CCD étaient à leur apogée. Cependant, maintenant que les capteurs CMOS sont devenus le pilier et que leur plus grande application s’est déplacée vers les smartphones, la part de marché de Sony diminue progressivement. En 2021, la part de marché de Sony en termes de valeur était d’environ 45 %, celle de Samsung de 26 % et celle d’OmniVision de 11 %.
2. Taille des capteurs CMOS
Les capteurs CMOS sont disponibles en différentes tailles, de la plus grande à la plus petite.
Si l’on prend l’exemple des capteurs CMOS de Canon, il existe six tailles différentes de capteurs d’image, comme suit :
- 35 mm plein format (environ 36 mm x 24 mm).
- Format APS-H (environ 29 mm x 19 mm).
- Taille APS-C (environ 22 mm x 15 mm).
Toutefois, ils ne sont pas vendus au grand public et leur utilisation est limitée à leurs propres appareils photo. - 1 pouce (2,54 cm).
- 2/3 pouce (5,08/7,62cm).
- 1/1,8 pouce (2,54/4,572cm).
En règle générale, pour un même nombre de pixels, plus la taille du capteur est grande, meilleure est la qualité de l’image. De même, plus l’ouverture est grande, meilleure est la sensibilité.