Le 06/03/2008, 11:37:20 > Rubrique Web Magazine > Actualités

Focus technique : CCD ou CMOS : faut-il choisir ?

Capter le réel avec précision ou sur le vif. Repérer des défauts dans une chaîne de production ou observer des bactéries se développer. Difficile de faire un choix entre les différentes caméras du marché. Comment choisir la plus appropriée ?

Il existe une multitude d'applications où des systèmes de vision sont nécessaires. Mais les niveaux d'exigence sont bel et bien différents. Les chercheurs en biologie exigent une résolution extrêmement fine pendant que certaines industries demandent un repérage rapide des défauts sur des chaînes à haute vitesse. Des systèmes de vision de toutes tailles, de tous prix, avec toutes résolutions se disputent le marché. Mais seulement 2 technologies de capteurs existent : le capteur à transfert de charge ou CCD (charge coupled device) ou le CMOS (complementary metal oxyde device). Le capteur est "l'oeil" de la caméra. C'est lui qui transforme la lumière en signal numérique.

Leur point commun : le principe de fonctionnement de la cellule photosensible

Le capteur transforme la lumière en signal électrique, puis numérique. Les photons incidents sont transformés en électrons dans une cellule communément appelée "pixel". Cette unité est composée de 3 éléments : une électrode métallique transparente à la lumière, une couche isolante de silice et un substrat semi-conducteur en silicium dopé positivement. La lumière incidente apporte de l'énergie aux atomes pour créer des électrons libres, phénomène rendu possible grâce aux propriétés des matériaux semi-conducteurs. L'électrode métallique permet une polarisation. Les électrons peuvent alors se séparer des éléments positifs (trous). Les électrons libres s'accumulent ensuite en bordure de l'isolant. Leur nombre constitue une charge quantitativement proportionnelle à la lumière incidente. Mais le capteur n'est pas uniquement cette cellule photoélectrique. Derrière, il y a toute une électronique. Condensateurs, amplificateurs, multiplexeurs interviennent dans la chaîne qui génère un signal exploitable.

Leur différence d'architecture : la transformation en signal vidéo

C'est au niveau de la conversion entre la charge et la tension que la différence principale apparaît. Un capteur CCD est décrypté ligne à ligne. Il existe 3 types de lecture : "pleine trame", "interligne" ou "à transfert de ligne". La charge accumulée au niveau d'un pixel est transférée au pixel suivant, et ainsi de suite jusqu'au bout d'une ligne. C'est à ce niveau seulement que le signal est créé. Dans un capteur CMOS, chaque pixel fonctionne indépendamment de son voisin. Chaque cellule intègre tous les composants nécessaires à la transformation du signal. La conversion analogique- numérique se fait au niveau de la carte elle-même. On voit apparaître des systèmes "on chip" qui intègrent dans la puce tout le traitement d'image. Pratique pour les téléphones portables et autres caméras miniatures. Pour un CCD, le traitement se fait en aval de la carte. Ce qui prend de la place et complexifie le système. Les caméras CCD sont donc généralement plus volumineuses.

Propriétés et applications

Des caractéristiques bien distinctes résultent de ces divergences. Il en découle par conséquent des applications assez différentes en fonction des besoins des utilisateurs.

Sensibilité

Grosso modo, la sensibilité reflète la capacité d'une caméra à créer une belle image. Kodak développe depuis 30 ans des capteurs photosensibles. Pour Michael De Luca, de la division capteurs d'image aux États-Unis, « à l'origine, les chercheurs ont travaillé sur le CCD dans le but de développer un capteur en silicone sensible à la lumière. Ce n'était pas l'objectif premier des CMOS. Ils utilisaient la technologie des semi-conducteurs, et ils sont ensuite devenus sensibles à la lumière, une partie du capteur étant sensible à la lumière et une autre traitant les données reçues. Il y a déjà une différence d'intention au départ. Le CMOS n'a pas été conçu pour détecter la lumière. Ce n'est que plus tard qu'il est devenu photosensible. » On comprend bien que le CCD avait déjà une longueur d'avance en termes de sensibilité. Mais 2 paramètres interviennent dans cette notion : le niveau de conversion entre photons incidents et électrons résultants (le rendement quantique), et la création d'électrons parasites (le bruit). Un CMOS standard possède un rendement quantique de 20 %, alors que son rival atteint les 60 %. En ce qui concerne le niveau de bruit, pour 500 électrons, environ 10 parasites apparaissent dans le CCD. On en compte 10 fois plus dans un CMOS. Nikon, pour ses applications en sciences des matériaux, a porté son choix plutôt vers des capteurs CCD pour leur haute sensibilité. Daniel Ciepelewski juge d'ailleurs que « le CMOS est en général réservé aux contrôles industriels ne nécessitant pas une grande qualité d'image. Pour les applications scientifiques sous un éclairage faible (biologie, matériaux...), on lui préfère le CCD. La structure du CMOS intègre toute l'électronique dans chaque pixel. La surface de la zone sensible se trouve donc réduite. La lumière peut taper à coté, sur un transistor par exemple. C'est pourquoi les CMOS génère plus de bruit ».

Vitesse

L'avantage du CMOS reste sa vitesse. Il n'est nullement nécessaire d'attendre la lecture d'une ligne entière avant d'obtenir un signal. « On utilise souvent les CMOS pour des applications de caméras rapides (>100 i/sec) où il est quelquefois nécessaire de sélectionner des zones d'intérêts », témoigne en faveur de cette technologie Thierry Lemaire de la société BFI Optilas. Généralement un CCD avec sa lecture séquentielle peut lire 15 voire 20 images par secondes. Son concurrent a la capacité d'enregistrer 500 images/s en moyenne.

Coût

Tous s'entendent sur le coût de fabrication moins élevé des CMOS, puisqu'ils sont souvent conçus sur les chaînes de production des microprocesseurs. Les CMOS équipent ainsi les appareils de photographie bas de gamme comme les téléphones portables ou webcams. Ceci dit, aujourd'hui on trouve sur le marché des CCD bas de gamme comme des CMOS haut de gamme. Le prix des CCD et CMOS s'échelonnent ainsi d'une dizaine d'euros à quelques milliers pour les plus performants.

Résolution

La résolution est liée au nombre de pixels sur la surface de silicium. Aujourd'hui, les 2 types de capteurs sont capables d'intégrer plusieurs millions de pixels. Par contre, les pixels sont plus gros pour un CMOS car chaque pixel possède son propre système de traitement. La taille du capteur et, de fait, celle de la caméra sont donc impactées

Antiéblouissement et dynamique

En haute lumière, beaucoup de photons arrivent sur la surface du semi-conducteur. Beaucoup d'électrons sont donc stockés dans des puits quantiques que l'on peut comparer à des cuves. Les CMOS peuvent d'ailleurs stocker un plus grand nombre d'électrons : 150 000 contre 30 000 dans un CCD. On appelle dynamique la capacité d'un capteur à exploiter une gamme large de signal. Le CMOS pouvant stocker plus d'électrons est donc meilleur pour des expositions en haute lumière. De plus, dans un CCD, un phénomène d'éblouissement peut polluer l'image. Il est lié à des débordements d'électrons d'une cellule sur l'autre. Le CMOS est plus fiable pour les expositions intenses. Pour observer des arcs de soudage par exemple, il est préférable d'utiliser ce dernier.

Les évolutions

Certains développeurs de capteurs comme la société e2v soulignent que les différences deviennent de plus en plus subtiles. « Il est dangereux de marquer trop la différence entre ces 2 technologies. Certains CMOS deviennent de plus en plus performants et certains CCD rapides. L'intérêt majeur du CMOS est le fenêtrage, impossible à réaliser directement avec un CCD. Mais aussi l'intégration aisée et sa faible consommation d'énergie. » Les développements ont un coût très élevé (particulièrement pour le CMOS) et beaucoup de fabricants de caméras sous-traitent leurs capteurs (Sony, Kodak, Micron, Dalsa, Cypress, Hamamatsu, e2v...) pour des besoins standard. Selon Sébastien Désessard de Basler, « les développements futurs se portent surtout autour de la miniaturisation des capteurs sans négliger la qualité. La résolution et la cadence sont des paramètres sur lesquels les développeurs travaillent. Pour nos caméras nous cherchons dans ce sens. » Rappelons que Basler a développé dans sa caméra Sprint un capteur CMOS linéaire qui se rapproche du CCD en terme de sensibilité. Les CCD sont encore aujourd'hui employés pour des applications demandant des images de qualité, les CMOS plus pour des besoins industriels. Cependant les technologies progressent, l'industrie devient de plus en plus exigeante. Certaines demandent un repérage précis avec des rapidités de défilement (imprimerie, agroalimentaire...). Les utilisateurs doivent se pencher sur leur cahier des charges afin de trouver un compromis entre la résolution, la cadence et le coût.

Jessy Picard

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