Comment fonctionne un capteur d'image CMOS : Du pixel au signal numérique
Fonctionnement capteur CMOS : Pas à pas
Un capteur d'image CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) convertit la lumière en données d'image numériques via un circuit parallèle sur puce — la technologie dominante dans appareils modernes, téléphones, capteurs.
1. Capture photons (Photodiode)
Chaque pixel contient une photodiode épinglée (PPD). Photons incidents génèrent paires électron-trous. Électrons collectés dans puits de potentiel. Capacité = capacité de puits plein (ex. 20 000–100 000 e⁻).
2. Conversion charge-tension (Amplificateur dans pixel)
Le transistor source follower (ou architecture pixel 3T/4T/5T) convertit la charge accumulée en tension au niveau de chaque pixel. C'est la différence clé avec CCD (unique amplificateur sortie).
3. Lecture parallèle par rangées
- Ligne de sélection active une rangée à la fois.
- Tensions pixels routées via bus colonnes vers ADC parallèles par colonnes (convertisseurs analogique-numérique) en bas/haut du réseau.
- Chaque colonne a son propre ADC (ou partagé entre 2 colonnes) → parallélisme massif.
4. Traitement signal sur puce
- Échantillonnage double corrélé (CDS) : Soustrait bruit de réinitialisation (bruit kTC) — crucial pour faible bruit de lecture.
- Gain numérique, correction offset, correction FPN colonnes.
- Binning, HDR (expositions multiples), extraction données AF détection phase.
5. Sortie
Flux pixels numériques (MIPI CSI-2, SLVS-EC, HiSPi, parallèle) → Processeur signal image (ISP) → traitement supplémentaire (démosaïquage, NR, tone mapping, compression) → stockage/affichage.
Récap CMOS vs CCD
| Aspect | CMOS | CCD |
|---|---|---|
| Lecture | Parallèle (ADC colonnes) | Série (sortie unique) |
| Consommation | Faible (mW) | Élevée (100s mW–W) |
| Vitesse | Élevée (100s fps) | Faible (quelques fps) |
| Intégration | Forte (ISP, AF, logique sur puce) | Faible (puces séparées) |
| Bruit | Faible (avec CDS, BSI) | Très faible (historiquement) |
| Obturateur global | Possible (pixels global shutter, empilé) | Naturel |
| Coût | Faible (fab CMOS standard) | Élevé (procédé spécialisé) |
Avancées modernes
- BSI (Back-Side Illumination) : Câblage derrière photodiode → QE plus élevée, pixels plus petits.
- CMOS empilé (Stacked) : Couche pixels + couche logique (DRAM, ISP) collées → vitesse, obturateur global, HDR multi-images.
- Quad Bayer / Tetracell : 4 pixels même couleur partagent microlentille → binning basse lumière, remosaic haute résolution.
Le CMOS a gagné en suivant la loi de Moore. Capteurs 1 pouce, APS-C, plein format, et téléphones d'aujourd'hui sont tous CMOS — et s'améliorent chaque génération.