Caméras CMOS de qualité scientifique (sCMOS) : principes de base

introduire

　　Les capteurs CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sont une technologie qui existe depuis les années 1990. Les premiers appareils photo CMOS étaient en concurrence avec la technologie CCD plus mature, mais au cours des années 1990 et au début des années 2000, la technologie des capteurs CMOS s'est améliorée et la technologie CCD a été dépassée comme capteur de choix pour les appareils photo numériques grand public. La technologie a ensuite été améliorée pour répondre aux exigences plus élevées nécessaires à l'imagerie scientifique.

La technologie des capteurs CMOS diffère de celle des capteurs CCD dans le sens où, au lieu d'alimenter tous les pixels du capteur via un nœud de sortie, un amplificateur et un convertisseur analogique-numérique (CAN) comme dans les capteurs CCD, les capteurs CMOS disposent d'un condensateur et d'un amplificateur miniaturisés sur chaque pixel, et d'un CAN sur chaque colonne (comme illustré dans la Figure 1). Chaque CAN fonctionne simultanément, lisant la colonne entière, plutôt qu'un seul pixel de l'ensemble du capteur. Cela rend le processus plus rapide et nécessite 100 fois moins d'énergie que l'architecture du capteur CCD.

Figure 1 : Comparaison des architectures de lecture des capteurs CCD à transfert interligne et sCMOS. À gauche : format CCD à transfert interligne, où les électrons sont transférés du capteur vers un registre de lecture, vers un nœud de sortie, amplifiés (via un condensateur (C) et un amplificateur (A)) et convertis en niveaux de gris numériques par un ADC. Ces derniers sont ensuite envoyés à un ordinateur. À droite : format CMOS typique, où chaque pixel possède un condensateur et un amplificateur. Cela signifie que les photons qui frappent chaque pixel créent des électrons qui sont convertis en une tension lisible sur le pixel. Les tensions de la colonne entière sont envoyées à un ADC (dont il y en a un par colonne), qui est envoyé directement à un ordinateur. Cela permet aux caméras CMOS d'être beaucoup plus rapides car elles fonctionnent en parallèle.

　　Technologie sCMOS

　　En 2009, la technologie scientifique CMOS (sCMOS) a été introduite et les caméras sCMOS sont devenues disponibles en 2010-2011. Les caméras sCMOS offrent un faible bruit, une vitesse élevée et un large champ de vision, ce qui les rend idéales pour une large gamme d'applications allant de l'astronomie à la microscopie.

　　Obturateur roulant et mode global

　　Les capteurs sCMOS diffèrent des capteurs CCD dans la mesure où ils sont généralement dotés d'un obturateur roulant. L'acquisition d'images commence en haut du capteur et se poursuit ligne par ligne. Cela permet au capteur d'acquérir des images à des fréquences d'images plus élevées et avec un bruit de lecture plus faible. La vitesse d'une caméra sCMOS est directement liée au nombre de lignes et au temps de ligne, qui est le temps entre l'acquisition d'une ligne et d'une autre.

L'obturateur roulant « s'ouvre » et « se ferme » en éliminant la charge déjà présente dans une rangée et en mesurant les nouveaux photons entrants. Cela permet un chevauchement entre la rangée actuelle de pixels de l'image acquise (l'image en cours d'acquisition) et la rangée inférieure de pixels de l'image précédente (l'image en cours de lecture) (Figure 2).

Figure 2 : Schéma illustrant la manière dont l'acquisition d'une image se superpose à la lecture de l'image précédente. Cela permet au sCMOS d'avoir une acquisition et une lecture rapides.

Certains capteurs sCMOS peuvent être utilisés en mode pseudo-obturateur global pour obtenir une distorsion nulle et permettre des applications impliquant des changements de matériel entre les images, telles que l'acquisition séquentielle à deux canaux. Ce pseudo-obturateur global tire parti du contrôle du déclenchement de la source lumineuse. Pour créer cet obturateur global, la caméra doit activer l'obturateur roulant dans des conditions d'obscurité. Ensuite, en déclenchant la source lumineuse et en arrêtant la lumière en même temps que l'arrêt de la caméra, une zone du réseau peut être éclairée en même temps, tout comme un obturateur global (comme illustré dans la Figure 3).

Figure 3 : Les trois principaux formats d'obturateur. La plupart des capteurs CCD/EMCC sont dotés d'un véritable obturateur global, qui permet de lire simultanément tous les pixels lorsqu'ils sont exposés à la lumière. La plupart des capteurs sCMOS sont dotés d'un obturateur roulant, qui, bien que rapide et sensible (à partir d'un capteur rétroéclairé), peut produire des artefacts. Un obturateur pseudo-global utilise un déclencheur pour contrôler la source lumineuse, ce qui permet d'utiliser un obturateur global dans un obturateur roulant (si le timing est précis).

　　Comparaison entre CCD et sCMOS

Les différences entre les architectures de capteurs CCD et sCMOS présentent à la fois des avantages et des inconvénients. Certains des avantages de la technologie sCMOS par rapport à la technologie CCD sont les suivants :

1. Faible bruit de lecture : le sCMOS a un bruit de lecture d'environ 1 e-, tandis que le CCD a un bruit de lecture de 5 à 6 e-. Pour en savoir plus sur le rôle de la réduction du bruit de lecture et de l'augmentation de la sensibilité, cliquez ici.

2. Haute vitesse : le sCMOS peut atteindre jusqu'à 100 ips, tandis que le CCD atteint environ 20 ips. En effet, chaque colonne est associée à un ADC, ce qui fait qu'une petite partie des données doit être traitée.

3. Grand champ de vision : les capteurs sCMOS ont une plage diagonale de 19 à 29 mm, tandis que les CCD ont une plage diagonale de 11 à 16 mm

4. Efficacité énergétique : grâce à la parallélisation, le sCMOS consomme 100 fois moins d'énergie que le CCD

Bien que la technologie sCMOS soit supérieure à la technologie CCD à bien des égards, elle présente certains inconvénients :

Augmentation du bruit temporel et du bruit de motif fixe : lorsque chaque pixel est lu individuellement, davantage de bruit temporel et de bruit de motif fixe est introduit. Les capteurs sCMOS ont une zone de lecture active plus importante que les capteurs CCD, ce qui entraîne une augmentation de ces sources de bruit. Cela peut être réduit par une conception électronique et un calibrage minutieux par le fabricant de l'appareil photo.

Artefacts d'obturateur roulant : les capteurs sCMOS peuvent utiliser un obturateur roulant pour acquérir des images, mais si les objets dynamiques de l'image sont suffisamment rapides pour se déplacer sur une échelle de temps similaire à celle de l'obturateur roulant, des effets de distorsion peuvent être introduits. Des lectures décalées entre les rangées supérieure et inférieure du capteur peuvent également provoquer des artefacts d'image et une perte d'informations, et augmenter considérablement le temps d'exposition minimum effectif pour certaines applications.

　　sCMOS rétroéclairé

　　Certains des premiers capteurs sCMOS présentaient des problèmes de qualité de fond et de bruit, limitant l'utilisation du CMOS dans les applications plus exigeantes. Pour surmonter ce problème, la technologie devait être améliorée avec une sensibilité plus élevée. En 2016, le sCMOS rétroéclairé a été introduit, offrant une efficacité quantique de pointe (QE) de 95% sans compromettre la taille des pixels, tout en améliorant la qualité de fond. La figure 4 montre un schéma de la technologie sCMOS rétroéclairée, ainsi qu'une courbe QE montrant la différence entre le sCMOS précoce et le sCMOS rétroéclairé.

Figure 4 : Technologies sCMOS à éclairage frontal et rétroéclairé. En haut : les capteurs à éclairage frontal (à gauche) ont un QE plus faible car la lumière est diffusée dans les pixels et le câblage du capteur avant de frapper le substrat en silicium. Dans les capteurs à éclairage rétroéclairé (à droite), la lumière frappe directement le capteur, ce qui entraîne un QE plus élevé. En bas : comparaison des courbes QE pour différentes technologies sCMOS à éclairage frontal (anciennes technologies sCMOS 72% et 82%) par rapport à la technologie sCMOS à éclairage rétroéclairé (le QE de KURO culmine à 95%).

　　Résumer

　　Les capteurs sCMOS tirent parti de l'intégration de circuits actifs dans des pixels individuels. Cela permet de lire chaque pixel individuellement. Un convertisseur analogique-numérique est également fixé à chaque colonne, ce qui permet d'obtenir des fréquences d'images plus élevées tout en conservant un faible bruit de lecture, un large champ de vision et une efficacité énergétique élevée.

Bien que le bruit temporel et le bruit à motif fixe augmentent en raison de l'augmentation des circuits actifs sur le capteur, la technologie sCMOS présente toujours des avantages dans une large gamme d'applications.