Guide de sélection du capteur d'image CMOS du module de caméra

Les capteurs d'images sont des dispositifs qui convertissent les signaux lumineux en signaux électriques et sont largement utilisés sur les marchés de la télévision numérique et de la communication visuelle. Actuellement, les deux plus utilisés sont les CCD (Charge-Coupled Device) et les CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Parmi eux, le CMOS est actuellement le plus accrocheur et est considéré comme ayant le plus grand potentiel de développement.

Le capteur d'image CMOS est un capteur d'image à semi-conducteurs typique, généralement composé d'un réseau d'unités sensibles à l'image, d'un pilote de ligne, d'un pilote de colonne, d'une logique de contrôle de synchronisation, d'un convertisseur AD, d'une interface de sortie de bus de données, d'une interface de contrôle et d'autres éléments. Ces éléments sont généralement intégrés sur la même puce de silicium. Son processus de fonctionnement peut généralement être divisé en réinitialisation, conversion photoélectrique, intégration et lecture.

D'autres circuits de traitement de signal numérique peuvent également être intégrés sur la puce du capteur d'image CMOS, tels que des convertisseurs AN, un contrôle automatique de l'exposition, une compensation de non-uniformité, un traitement de la balance des blancs, un contrôle du niveau de noir, une correction gamma, etc. Afin d'effectuer des calculs rapides, même des dispositifs DSP dotés de fonctions programmables peuvent être intégrés aux dispositifs CMOS pour former un appareil photo numérique monopuce et un système de traitement d'image.

Plus précisément, un capteur d'image CMOS doit être considéré comme un système d'image. En fait, lorsqu'un concepteur achète un capteur d'image CMOS, il obtient un système complet comprenant des registres logiques de matrice d'images, une mémoire, des générateurs d'impulsions de synchronisation et des convertisseurs.

1. Structure des pixels du tube MOS

Le transistor MOS et la photodiode forment une section structurelle équivalente à un pixel. Pendant la période d'intégration de la lumière, le transistor MOS est coupé et la photodiode génère des porteurs correspondants en fonction de l'intensité de la lumière incidente et les stocke à la jonction PN de la source (position ① sur la figure ci-dessous).

Lorsque la période d'intégration se termine, une impulsion de balayage est appliquée à la grille du transistor MOS, le mettant sous tension, réinitialisant la photodiode au potentiel de référence et provoquant la circulation d'un courant vidéo à travers la charge, dont l'amplitude correspond à l'intensité lumineuse incidente.

La jonction PN de la source du transistor MOS joue le rôle de conversion photoélectrique et de stockage des porteurs. Lorsqu'un signal d'impulsion est appliqué à la grille, le signal vidéo est lu.

2. Structure du réseau de capteurs d'images CMOS

La structure de la matrice de pixels CMOS se compose d'un registre à décalage horizontal, d'un registre à décalage vertical et d'une matrice de pixels CMOS.

Structure du réseau de capteurs CMOS

(1 registre à décalage vertical ; 2 registre à décalage horizontal ; 3 commutateur de balayage horizontal ; 4 commutateur de balayage vertical ; 5 matrice de pixels ; 6 ligne de signal ; 7 pixels)

Comme mentionné ci-dessus, chaque transistor MOS agit comme un commutateur sous l'impulsion des circuits de balayage horizontal et vertical. Le registre à décalage horizontal active séquentiellement les transistors MOS qui jouent le rôle de balayage horizontal de gauche à droite, c'est-à-dire le rôle d'adressage de la colonne, et le registre à décalage vertical s'adresse séquentiellement aux lignes du réseau.

Chaque pixel est constitué d'une photodiode et d'un transistor MOS qui fait office d'interrupteur vertical. L'interrupteur horizontal est activé en séquence sous l'action de l'impulsion générée par le registre à décalage horizontal, et l'interrupteur vertical est activé sous l'action de l'impulsion générée par le registre à décalage vertical, de sorte que la tension de référence (polarisation) est appliquée à la photodiode du pixel en séquence.

3. Principe de fonctionnement et processus du capteur d'image CMOS

Selon le schéma fonctionnel du capteur d'image CMOS, on peut constater que le flux de travail du capteur d'image CMOS est principalement divisé en trois étapes suivantes.

Schéma fonctionnel d'un capteur d'image CMOS

Étape 1 : La lumière externe irradie la matrice de pixels, provoquant un effet photoélectrique et générant des charges correspondantes dans l'unité de pixel.

La scène est focalisée sur le réseau de capteurs d'images à travers la lentille d'imagerie. Le réseau de capteurs d'images est un réseau de pixels bidimensionnel. Chaque pixel comprend une photodiode. La photodiode de chaque pixel convertit l'intensité lumineuse sur sa surface en un signal électrique.

Étape 2 : Sélectionnez le pixel que vous souhaitez utiliser via le circuit de sélection de ligne et le circuit de sélection de colonne, et lisez le signal électrique sur le pixel.

Pendant le processus de sélection, l'unité logique de sélection de ligne peut balayer la matrice de pixels ligne par ligne ou en alternance, et il en va de même pour les colonnes. L'unité logique de sélection de ligne et l'unité logique de sélection de colonne peuvent être utilisées ensemble pour réaliser la fonction d'extraction de fenêtre de l'image.

Étape 3 : Effectuez le traitement du signal sur les unités de pixels correspondantes.

Les signaux d'image des unités de pixels de ligne sont transmis aux unités de traitement de signal analogique correspondantes et aux convertisseurs A/N via les bus de signaux de leurs colonnes respectives, puis convertis en signaux d'image numériques pour la sortie. La fonction principale des unités de traitement de signal analogique est d'amplifier les signaux et d'améliorer le rapport signal/bruit.

Une fois le signal électrique du pixel amplifié, il est envoyé au circuit d'échantillonnage double corrélé (CDS) pour traitement. L'échantillonnage double corrélé est une méthode importante utilisée par les appareils de haute qualité pour éliminer certaines interférences. Son principe de base est que le capteur d'image conduit à deux sorties, l'une pour le signal en temps réel et l'autre pour le signal de référence. Les signaux d'interférence identiques ou apparentés sont éliminés par la différence des deux signaux.

Cette méthode permet de réduire le bruit KTC, le bruit de réinitialisation et le bruit de motif fixe FPN (Fixed Pattern Noise), et peut également réduire le bruit 1/f et améliorer le rapport signal/bruit. En outre, il peut également effectuer l'intégration du signal, l'amplification, l'échantillonnage, la conservation et d'autres fonctions.

Le signal est ensuite envoyé vers un convertisseur analogique/numérique et converti en un signal de sortie numérique.

De plus, pour obtenir une caméra pratique de qualité qualifiée, la puce doit contenir divers circuits de commande, tels que le contrôle du temps d'exposition, le contrôle automatique du gain, etc. Afin de faire bouger chaque partie du circuit de la puce à un rythme spécifié, plusieurs signaux de commande de synchronisation doivent être utilisés. Afin de faciliter l'application de la caméra, la puce doit également émettre certains signaux de synchronisation, tels que des signaux de synchronisation, des signaux de démarrage de ligne, des signaux de démarrage de champ, etc.

Les capteurs d'image CMOS présentent les avantages d'une petite taille, d'une faible consommation d'énergie, d'un prix bas et d'une production de masse, et ils représentent 90% du marché des capteurs d'image. Ils sont largement utilisés dans les appareils photo numériques, les smartphones, la conduite autonome, la sécurité, l'Internet des objets et d'autres domaines, et ont un énorme potentiel de marché à l'avenir.

• numérique caméra

Au début des appareils photo numériques, la plupart d'entre eux utilisaient généralement des capteurs CCD. Cependant, plus tard, le CMOS s'est rapidement développé et est devenu un composant indispensable des appareils photo reflex domestiques.

Bien que le CMOS soit légèrement inférieur au CCD en termes de saturation des couleurs et de texture, la puce de traitement CMOS peut compenser ces défauts, il est donc toujours meilleur que le CCD dans d'autres aspects, tels que le mécanisme de réduction du bruit, la vitesse de lecture rapide, l'économie d'énergie, etc. Sur le marché, de nombreux reflex hautes performances présentent les caractéristiques ci-dessus.

• téléphone intelligent

Comme nous le savons tous, les terminaux mobiles ont toujours été un marché important pour les capteurs d'image CMOS. Les caméras doubles et les caméras 3D sont largement utilisées dans les smartphones, et l'ajout d'objectifs aide les fabricants de téléphones mobiles à élargir l'écart entre leurs stratégies de vente et les produits concurrents. Les fabricants sont plus actifs dans l'installation de modules de caméra, en particulier en utilisant des objectifs fonctionnels à faible pixel de 2 à 5 millions pour augmenter le nombre d'objectifs dans leurs produits.

D'une manière générale, les capteurs CMOS peuvent être divisés en capteurs CMOS rétroéclairés et en capteurs CMOS empilés.

Le capteur CMOS rétroéclairé commute la photodiode et la couche de câblage de sorte que la lumière pénètre en premier dans la photodiode photosensible, augmentant ainsi la sensibilité et améliorant considérablement l'effet de prise de vue dans des environnements à faible luminosité. iPhone, Xiaomi, Meizu, comme nous le savons tous, sont équipés de tels capteurs.

Le capteur CMOS empilé est un dérivé du capteur CMOS rétroéclairé. Il s'agit du capteur le plus utilisé et le plus avancé dans les appareils photo des téléphones portables et il s'agit d'une technologie exclusive de Sony.

• Pilote automatique

Aujourd’hui, le marché automobile est devenu le deuxième plus grand domaine d’application des capteurs CMOS après les téléphones mobiles.

Avec le développement de la technologie de conduite autonome, la demande de caméras embarquées a augmenté rapidement. Chaque caméra supplémentaire nécessite un capteur CMOS supplémentaire, ce qui entraîne directement la croissance de la taille du marché CMOS.

Selon les dernières prévisions du groupe Yole, la valeur marchande des capteurs d'image CMOS a augmenté de 14 à 5,5 milliards de dollars entre 2016 et 2022, devenant ainsi le segment à la croissance la plus rapide et au pourcentage le plus élevé parmi les capteurs automobiles (y compris divers radars, capteurs, etc.).

• Domaine de sécurité

Dans le domaine de la surveillance de sécurité, les informations visuelles doivent être obtenues via des caméras, ce qui nécessite des capteurs d'image CMOS. Ces dernières années, avec l'intégration profonde de l'industrie de la sécurité avec des technologies telles que l'intelligence artificielle, le big data et le cloud computing, l'échelle de l'ensemble du marché de la surveillance de sécurité n'a cessé de s'étendre. Sur les 851 milliards de yuans de valeur de production totale de l'industrie chinoise de la sécurité en 2020, les projets de sécurité ont représenté 510 milliards de yuans, les produits de sécurité ont représenté 260 milliards de yuans et le marché de l'exploitation, de la maintenance et des services a représenté 81 milliards de yuans. À l'avenir, avec la poursuite de la mise en œuvre de l'infrastructure de l'industrie de la sécurité, l'échelle du marché des CIS dans le domaine de la surveillance de la sécurité continuera de croître.

• Domaine IOT (Internet des Objets)

Dans le domaine de l'IOT, un grand nombre d'appareils électroniques doivent être équipés de modules de caméra pour réaliser des fonctions d'image, de reconnaissance faciale, d'appels vidéo et autres. Tels que la télévision, les haut-parleurs intelligents, les drones, la réalité virtuelle/réalité augmentée et d'autres produits. En outre, un grand nombre de capteurs d'image CMOS sont également nécessaires dans les systèmes médicaux et industriels. Aujourd'hui, les domaines de la recherche médicale et scientifique cherchent à utiliser des capteurs CMOS moins coûteux et plus efficaces pour remplacer la plupart des anciens produits. Avec le développement de la vision artificielle, de plus en plus de lignes de production industrielles introduiront des capteurs d'image pour améliorer l'efficacité et la qualité de la production.

Liste des produits de capteurs d'image CMOS Canon