Capteur d'image cmos

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Physique

Amélioration et modélisation des performances des capteurs d’images CMOS
par Pierre Magnan(1), Magali Estribeau(2), Cécile. Marques(3), Stéphan Maëstre(2), Jean-Michel Baqué(2)

Les capteurs d’images CMOS bénéficient d’une architecture qui, associée à une technologie très évolutive, facilite le développement d’applications dans des conditions nouvelles de miniaturisation et deconsommation. Après une revue de leurs principales caractéristiques et modes de fonctionnement, les travaux de recherche que mène le Laboratoire CIMI de SUPAERO pour modéliser et améliorer les performances électro-optiques (sensibilité, bruit, qualité d’image) de ces capteurs sont présentés.

n capteur d’image est « l’œil » d’une caméra ou d’un instrument d’observation; il est destiné à produire unsignal électronique (le signal « vidéo ») correspondant point par point à une scène observée à travers une optique de focalisation, par un mécanisme de balayage bidimensionnel. Les dispositifs capteurs d’images sont de plus en plus présents dans les multiples facettes de nos activités : on les trouve en effet dans les photocopieurs, les FAX, les scanners, les lecteurs de codes à barres, lessystèmes de surveillance et portiers vidéo, les appareils photo numériques et les caméscopes mais aussi dans les instruments d’observation satellitaire, les équipements d’imagerie médicale ainsi que dans l’industrie où les systèmes de vision sont massivement utilisés pour le tri et le contrôle de la production.

U

La technologie des capteurs d’images CCD dispose aujourd’hui d’une maturité sans égalequi lui permet d’accéder à des niveaux de performances extraordinaires, mais au prix d’une spécialisation du procédé qui contraint fortement les conditions de mise en œuvre des produits et limite l’ouverture vers des applications nouvelles, malgré les réels progrès accomplis par ces procédés. Elle se caractérise par le transport des charges acquises dans chaque pixel, sous l’effet del’éclairement pendant le temps d’intégration, en un point unique où s’effectue la lecture par conversion charge-tension. Ce transport, qui nécessite une énergie importante, est réalisé séquentiellement grâce à des horloges par transferts successifs dans des registres à décalage CCD (l’accès à l’image est donc de type série). Pour s’affranchir des inconvénients de cette architecture et du

(1) Professeur, Chefdu Laboratoire CIMI (Conception d’Imageur Matriciel Intégré) de SUPAERO (2) Doctorants de SUPAERO (3) Ingénieur de Recherche, Laboratoire CIMI de SUPAERO

RSTD 63 - Mars 2004

CMOS Image Sensor benefit from both architectural advantages and a fast-moving technology that stimulate the development of applications in a new context of tight miniaturization and power consumption constraint. Afterreviewing their main features and operating modes, the research work developed at the CIMI Laboratory of SUPAERO in order to improve their electro-optic performances (sensitivity, noise, image quality) will be described.

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Physique
L’architecture des capteurs d’images à Pixels Actifs CMOS
Les capteurs d’images CMOS sont organisés comme des mémoires ainsi que le montre la figure 1,c’est-à-dire des matrices dont les pixels sont directement adressables en ligne et colonne grâce à des décodeurs d’accès et à des interrupteurs, et pour lesquelles le signal est véhiculé sur des bus verticaux . Les capteurs CMOS actuels sont dits à « Pixels actifs » (APS- Active Pixel Sensor) [2] car ils sont caractérisés par la présence, au sein du pixel, d’un amplificateur suiveur qui fournit le signal dudétecteur sous une impédance réduite au bus vertical. La conversion charge-tension est effectuée au sein même du pixel et l’acheminement du signal des pixels s’effectue dans le domaine des tensions. La plupart des APS opèrent en mode dit d’intégration où le photocourant est intégré pendant l’exposition (plutôt que d’être lu en valeur instantanée). La lecture de l’image consiste en un...
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