Capteur cmos pour le photonumérique

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  • Publié le : 22 mars 2011
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Le capteur est arrivé sur le marché de la photographie avec l’apparition des appareils photo numériques, remplacent ainsi le film argentique. Le capteur photographique est un composant électronique situé dans le plan image du boîtier de prise de vue et reçoit l’image du bloc optique. Il sert à convertir des niveaux de luminosité d’une image en grandeur électronique proportionnelle.

L’imagereçue sur le capteur est décomposé en points élémentaires, les pixels (PIcture ELement).Ces pixels formeront une matrice à deux dimensions qui sera analysé et nous permettra de restituer l’image. Chaque élément de la matrice fournie une tension continue directement proportionnelle à l’éclairement reçu.

Aujourd’hui, il existe deux grandes familles de capteurs : les CCD (Charge-Couple Device) etles CMOS (Complementary metal oxide semi-conductor). Ces deux types intègrent une couche de silicium (composant semi-conducteur) qui véhicule l’électricité. Le silicium est capable d’absorber les longueurs d’onde de l’infrarouge jusqu’à la limite du visible. La base du fonctionnement de ces capteurs est l’effet photo-électrique qui s’agit de l’émission d’électrons par le silicium soumis à un flux dephotons de fréquence suffisamment élevée.

Dans ce rapport on présentera le fonctionnement et caractéristiques des différents capteurs utilisés dans le domaine de la photographie numérique.

Capteur CMOS

Les capteurs CMOS et CCD fonctionnent sur le même principe, l’effet photo-électrique, par contre ils sont très différents dans leur mode de fonctionnement. On rencontre beaucoup lescapteurs CMOS sur les webcams, ils étaient réputés d’être moins performants. Actuellement, on voit une importance de plus en plus grande de la technologie CMOS dans les appareils photo numériques, surtout pour les appareils reflex, et on peut même se demander si cette technologie succédera aux capteurs CCD.

Principe du CMOS

La technologie CMOS est utilisée dans une grande variété de domaines(microprocesseurs, circuits logiques…). En soi, le terme CMOS désigne une technologie de fabrication de composants électroniques.

Les circuits CMOS utilise un assemblage de PMOS et NMOS placés symétriquement.

Transistor NMOS Transistor PMOS

Pour expliquer le fonctionnement de ces transistors on prend l’exemple du montage NMOS. Lorsque le transistor est soumis à un flux lumineux, lesphotons reçus par la grille, s’ils sont suffisamment énergétiques, provoquent une excitation parmi les électrons du silicium. C’est-à- dire qu’il a création de porteurs libres dans un puits de potentiel, ces porteurs libres vont être accélérés vers le drain grâce à la différence de potentiel entre la source et celui-ci.

La composition des transistors PMOS crée une faible résistance entre lasource et le drain quand une faible tension est appliqué et une résistance plus importante quand il s’agit une haute tension. Pour les transistors NMOS, le fonctionnement est inverse. On dit alors que le transistor N est passant et le transistor P est bloqué si on applique une haute tension et inversement quand on applique une faible tension. Du fait de leur caractéristique de fonctionnementinversée, un transistor est passant alors que l’autre est bloquant. Ce montage à comme avantage, une basse consommation d’énergie, le seul moment où on a une consommation importante c’est lorsque le transistor passent de passant à bloquant, ou inversement. Ce changement se fait en environ 120 picosecondes, et il se produit une fois chaque 10 nanosecondes.

La base du capteur CMOS est l’APS (ActivePixel Sensor). En effet, sur un CMOS, la conversion en voltage des électrons stockés dans les puits de potentiel est faite directement au niveau de chaque pixel. On verra dans la suite de ce rapport qu’au niveau de chaque pixel, on trouve déjà un nombre important de composants électroniques. Chaque cellule du capteur est capable de convertir directement la charge électronique générée par la...