De la conversion photoélectrique à la génération d'images : différences essentielles dans les principes d'imagerie

Dans de nombreux scénarios d'application de l'automatisation industrielle, de la vision artificielle et de la recherche scientifique, les caméras industrielles, en tant qu'équipement central pour l'acquisition d'informations d'image, affectent directement la précision et la fiabilité de l'ensemble du système en termes de performances. Le composant central qui détermine les performances des caméras industrielles est le capteur d'image, parmi lesquels CCD (Charge Coupled Device) et CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sont les deux principales voies technologiques. Bien que les deux soient basés sur le même principe de conversion photoélectrique, qui utilise l'effet photoélectrique des matériaux semi-conducteurs pour convertir les photons en électrons, il existe des différences fondamentales dans les méthodes de traitement et de transmission des signaux.

Le concept de conception des capteurs CCD est de traiter centralement les signaux photoélectriques : lorsque la lumière frappe la matrice de pixels, chaque pixel génère un paquet de charges proportionnel à l'intensité lumineuse. Ces paquets de charges nécessitent un processus de transfert complexe - sous le contrôle précis des impulsions d'horloge, les charges des pixels sont décalées ligne par ligne vers un seul nœud de sortie (ou un très petit nombre de nœuds de sortie) au bord de la puce, où la conversion charge-tension et l'amplification du signal sont effectuées. Cette conception garantit que tous les signaux de pixels passent par le même chemin de signal, assurant un haut degré de cohérence dans la sortie du signal.

En revanche, les capteurs CMOS adoptent une architecture innovante de traitement distribué. Sur les puces CMOS, chaque pixel contient non seulement une photodiode, mais intègre également des amplificateurs miniatures indépendants et des circuits de conversion analogique-numérique. Cette conception permet à chaque pixel de convertir les charges en signaux de tension sur place et de les lire directement via un réseau de fils de lignes et de colonnes qui se croisent. Bien que cette structure améliore considérablement la vitesse de lecture et réduise la consommation d'énergie, les différences de performance entre des millions d'amplificateurs miniatures entraînent inévitablement des problèmes de cohérence du signal.
Cette différence fondamentale dans la transmission du signal a conduit à une série de différences de performance entre les deux technologies dans les applications de caméras industrielles. Comprendre la différence entre le "décalage séquentiel et la sortie centralisée" du CCD et la "conversion parallèle et la lecture distribuée" du CMOS est le fondement pour saisir toutes les différences ultérieures entre les deux.

Comparaison de cinq facteurs de performance clés : bruit, consommation d'énergie, résolution, sensibilité et coût

2.1 Performance du bruit et qualité de l'image

Les capteurs CCD ont l'avantage du contrôle du bruit grâce au traitement centralisé du signal. Étant donné que tous les pixels partagent le même amplificateur de sortie (ou très peu), les différences d'amplification entre les pixels sont évitées. Cette conception, combinée à une technologie mature de jonction PN ou de couche d'isolation en dioxyde de silicium, réduit efficacement la génération de bruit de motif fixe, offrant ainsi une sortie plus pure et plus cohérente en termes de qualité d'image. En particulier dans des conditions de longue exposition ou de faible luminosité, les capteurs CCD peuvent toujours maintenir de faibles niveaux de bruit, ce qui les rend très appréciés dans les applications de mesure de précision et d'imagerie en faible lumière.
En revanche, chaque pixel d'un capteur CMOS est équipé d'un amplificateur de signal indépendant. Bien que cette conception améliore la vitesse de lecture, les petites différences de performance entre des millions d'amplificateurs entraînent un bruit de motif fixe. Ce bruit se manifeste par des interférences de motif fixe sur l'image, en particulier dans les scènes uniformément éclairées. Cependant, avec les progrès de la technologie CMOS, les caméras CMOS de qualité industrielle modernes ont considérablement amélioré ce problème grâce à l'échantillonnage double corrélé (CDS) et aux algorithmes de correction numérique, et certains produits haut de gamme ont approché, voire atteint, le niveau de qualité d'image du CCD.

2.2 Efficacité énergétique et différences de consommation d'énergie

En termes de consommation d'énergie, le CMOS présente des avantages significatifs. Le CMOS adopte une méthode d'acquisition d'image active, où la charge générée par la photodiode est directement amplifiée et sortie par le transistor adjacent. L'ensemble du capteur ne nécessite qu'une seule alimentation, et la consommation d'énergie typique n'est que de 1/8 à 1/10 de celle des CCD similaires. Cette caractéristique fait du CMOS le choix préféré pour les applications sensibles à l'énergie telles que les appareils portables, les systèmes embarqués et les réseaux de caméras multiples.
La consommation d'énergie élevée du CCD est due à son mécanisme de transfert de charge passif. Il nécessite trois ensembles d'alimentations avec des tensions différentes (généralement 12-18V) et un circuit de contrôle d'horloge complexe pour piloter le transfert de décalage des charges. Cela augmente non seulement la complexité de la conception de l'alimentation, mais entraîne également des problèmes de dissipation thermique - lorsque l'on travaille à haute résolution ou à fréquence d'images élevée, l'augmentation de la température du CCD augmentera encore le bruit thermique, formant un cercle vicieux. Par conséquent, les systèmes industriels utilisant des caméras CCD nécessitent souvent des dispositifs de dissipation thermique supplémentaires.

2.3 Résolution et conception des pixels

Lors de la comparaison de capteurs de même taille, le CCD offre généralement une résolution plus élevée. En effet, la structure des pixels du CCD est relativement simple, presque toute la zone des pixels peut être utilisée pour la photosensibilité, et la proportion de la zone photosensible (facteur de remplissage) peut atteindre plus de 95 %. Et chaque pixel en CMOS nécessite l'intégration de transistors et de composants de circuit supplémentaires, ce qui réduit la zone photosensible effective dans ces 'régions non photosensibles'. Par exemple, pour les capteurs avec une spécification de 1/1,8 pouce, le CCD peut atteindre une résolution de 1628 × 1236 (pixels de 4,40 μm), tandis que le CMOS a généralement une résolution de 1280 × 1024 (pixels de 5,2 μm).
Cependant, la technologie CMOS réduit progressivement cet écart grâce aux conceptions rétro-éclairées (BSI) et empilées. Le CMOS rétro-éclairé utilise une puce retournée pour diriger la lumière vers la zone photosensible par l'arrière, contournant la couche de circuit à l'avant et améliorant considérablement le facteur de remplissage. Le CMOS empilé sépare et fabrique la couche photosensible de la couche de circuit de traitement avant le collage, optimisant davantage l'utilisation de l'espace. Ces innovations permettent aux caméras industrielles CMOS haut de gamme modernes d'offrir des résolutions de plus de 20 millions de pixels, répondant à la grande majorité des besoins d'inspection industrielle.

2.4 Sensibilité à la lumière et performances en faible lumière

En termes de sensibilité, les capteurs CCD conservent leurs avantages traditionnels. En raison de la plus grande zone photosensible effective à l'intérieur du pixel, le CCD peut capturer plus de photons dans les environnements de faible luminosité, offrant de meilleures performances de rapport signal sur bruit. Les données de test montrent que l'œil humain peut reconnaître des objets sous un éclairage de 1 Lux (équivalent à une nuit de pleine lune), et la plage de sensibilité du CCD est de 0,1 à 3 Lux, tandis que le CMOS traditionnel nécessite un éclairage de 6 à 15 Lux pour fonctionner efficacement - cela signifie que dans les environnements de faible luminosité inférieurs à 10 Lux, le CMOS traditionnel peut difficilement capturer des images utilisables.
Cette différence est particulièrement critique dans les applications spéciales telles que les endoscopes industriels, la surveillance de la vision nocturne et les observations astronomiques. Cependant, le CMOS moderne a considérablement amélioré les performances en faible lumière grâce à des conceptions de grands pixels (telles que des tailles de pixels supérieures à 3 μm) et à une technologie de réseau de microlentilles avancée. Certains capteurs CMOS haut de gamme ont même atteint un rendement quantique (QE) supérieur au CCD grâce à la technologie rétro-éclairée, atteignant une efficacité de conversion de photons de plus de 95 % à des longueurs d'onde spécifiques.

2.5 Coût de fabrication et considérations économiques

En termes de structure de coûts, le CMOS présente un avantage écrasant. Les capteurs CMOS utilisent le même processus de fabrication que les circuits intégrés semi-conducteurs standard et peuvent être produits en masse dans les usines de plaquettes qui produisent des puces informatiques et des dispositifs de stockage. Cette compatibilité de processus réduit considérablement les coûts unitaires. En même temps, la haute intégration du CMOS permet aux fabricants de caméras de développer des "caméras au niveau de la puce" - intégrant des capteurs, des processeurs et des circuits d'interface sur une seule puce, simplifiant davantage le processus d'assemblage et les exigences de circuit périphérique.
En revanche, le processus de fabrication du CCD est unique et complexe, seuls Sony et DALSA, Panasonic et quelques autres fabricants ayant une capacité de production. Son mécanisme de transfert de charge est extrêmement sensible aux défauts de fabrication : une seule défaillance de pixel peut entraîner l'incapacité de transmettre l'ensemble de la ligne de données, réduisant considérablement le taux de rendement. De plus, les caméras CCD nécessitent des circuits de support supplémentaires (y compris des contrôleurs de synchronisation, des convertisseurs analogique-numérique et des processeurs de signaux), ce qui fait collectivement grimper le prix du produit final, ce qui rend le coût des caméras industrielles CCD généralement 1,5 à 3 fois supérieur à celui des caméras CMOS de mêmes spécifications.