K8 La caméra CMOS scientifique

Le terme CMOS fait référence à un type de capteur d’image. Les deux principaux types de capteurs d’images couramment utilisés dans les caméras actuelles sont les CCD (dispositif à transfert de charge) et les CMOS (semi-conducteur complémentaire à l’oxyde de métal). Tous deux sont des réseaux bidimensionnels de pixels ; chaque pixel enregistre la quantité de lumière dans une zone différente de l’image. Les capteurs CCD et CMOS ont des dispositions électroniques différentes qui confèrent des propriétés à chaque type de capteur. Il y a quelques années, les capteurs CCD étaient privilégiés pour les applications d’imagerie scientifique, car ils offraient une meilleure qualité d’image. Cependant, les progrès récents dans la conception des capteurs CMOS leur permettent de capturer des images de haute qualité, comparables à celles des capteurs CCD, tout en offrant des avantages supplémentaires en termes de performances.

Les attributs les plus importants d’un capteur sont les niveaux de bruit et l’efficacité quantique (QE) qui, ensemble, déterminent la sensibilité d’une caméra, le nombre de pixels (résolution) et la fréquence de fonctionnement. Ces propriétés sont toutes interconnectées et déterminées par l’architecture du capteur d’image. Le niveau de bruit de lecture augmente à mesure que l'électronique de lecture traite plus rapidement les données de chaque pixel. L’augmentation de la résolution du capteur ou de la fréquence de fonctionnement augmente la vitesse de lecture, ce qui entraîne des niveaux de bruit plus élevés et une diminution de la sensibilité. Les capteurs CCD contiennent généralement une seule zone de lecture, alors que les capteurs CMOS en contiennent des milliers. En raison d'un goulot d’étranglement inhérent qui se développe à mesure que la fréquence d’images augmente, le bruit de lecture d’un capteur CCD augmente également. Dans l’architecture des capteurs CMOS, ce goulot d’étranglement n’existe pas, car ils sont capables de lire plus de pixels à des fréquences d’images plus élevées tout en maintenant un bruit de lecture très faible. Les progrès récents dans la conception des modèles CMOS ont permis d’augmenter l’efficacité quantique, tout en offrant un bruit plus faible, une fréquence de fonctionnement, une résolution et une gamme dynamique améliorées par rapport aux capteurs CCD.</

Les capteurs CMOS sont fabriqués à partir de wafers de silicium. Lorsque la lumière frappe le silicium, une charge s’accumule par un processus appelé effet photovoltaïque. Les photons ne pénètrent que de quelques microns dans le silicium, de sorte que la charge photovoltaïque ne s’accumule qu’en surface. Afin de déplacer cette charge vers les zones de lecture, une fine couche d’électronique est nécessaire. Pour fabriquer le capteur, il faut appliquer une couche d’électronique sur la surface photosensible, mais celle-ci empêche une partie de la lumière d’atteindre le silicium. Des micro-lentilles peuvent augmenter l’efficacité quantique d’un capteur éclairé par l’avant, permettant une valeur de QE maximale d’environ ~80 %. Dans le cas des capteurs Back Side Illuminated (BSI), rétro-amincis ou rétroéclairés, l’épaisse couche de silicium excédentaire situé au dos du capteur est polie et le capteur est retourné de manière à ce que l’arrière de celui-ci soit exposé à la lumière. Comme le silicium est très fin, l’électronique de l’autre côté est toujours capable de déplacer la charge accumulée vers la zone de lecture. Comme les capteurs Back Side Illuminated, rétro-amincis, ne possèdent plus de couche d’électronique entre le silicium photosensible et la lumière entrante, la QE peut augmenter jusqu’à 95 %, offrant ainsi une sensibilité nettement supérieure.