Il s'agit d'une traduction-adaptation d'un article publié par les ingénieurs de Canon dans le Japanese Journal of Applied Physic, Japanese Journal of Applied Physics.L'utilisation de matrices photosensibles en technologie photographique nous a permis de nous éloigner de l'utilisation d'un obturateur mécanique et de ses variations. Cela a eu un effet positif: l'absence de vibrations au moment du déclenchement et la possibilité d'augmenter considérablement la vitesse de prise de vue sans compliquer la conception. Mais la transition de l'équipement photographique à un nouveau niveau a entraîné de nouveaux problèmes associés à la prise de vue à grande vitesse.
Pour comprendre l'essence des difficultés, il est nécessaire d'analyser le principe de fonctionnement des matrices photosensibles.
En parlant d'eux au pluriel, nous entendons des matrices fabriquées à l'aide de différentes technologies. Il existe des similitudes et des différences fondamentales dans leur travail. Commençons par les fonctionnalités générales. Toute matrice photosensible se compose d'un ensemble de photodiodes qui convertissent le flux lumineux incident sur elles en un signal électrique. La différence réside dans la méthode d'accumulation et de lecture des signaux: le temps d'exposition de l'image n'est pas déterminé par le temps d'ouverture de l'obturateur, mais par le temps entre la remise à zéro de la charge de la matrice et le moment de la lecture des informations.
Dans une matrice CCD, le signal est lu ligne par ligne, et un tel obturateur est appelé obturateur roulant ou roulant. Pendant la lecture ligne par ligne, un objet se déplaçant rapidement parvient à changer de position, de sorte qu'une distorsion se produit dans l'image. Et plus la vitesse de l'objet est élevée, plus la distorsion de l'image est importante.
Ce problème est partiellement résolu dans les matrices CMOS, qui sont récemment devenues une alternative aux matrices CCD. Ici, le signal peut être lu à partir de n'importe quel fragment de la matrice et dans n'importe quel ordre. Cela augmente non seulement la vitesse d'échange de données, mais vous permet également d'obtenir un accès aléatoire à des pixels individuels.
En fait, la matrice CMOS est un circuit intégré, où chaque pixel forme une cellule distincte et possède son propre cerclage qui convertit la charge de la photodiode en tension directement dans le pixel lui-même. En général, une cellule se compose de:
- photodiode;
- obturateur électronique;
- un condensateur qui collecte la charge de la photodiode;
- amplificateur de signal;
- bus de lecture de lignes;
- des bus de transmission de signaux vers le processeur;
- réinitialiser les lignes de signal.
Pendant la prise de vue, l'image se forme grâce à la synthèse de plusieurs images. D'une part, cela donne la profondeur et la saturation de l'image, mais d'autre part, lors de la gigue ou de la prise de vue d'objets en mouvement, la qualité de l'image diminue. Cela se traduit par un flou, une image «double» ou l'effet d'un obturateur en cours d'exécution. La raison en est l'alternance des processus d'exposition et de lecture. Prenons conditionnellement le temps d'exposition t. Puis à l'instant t, la première image est prise. Dans la période t + t, les données de cette trame sont lues. Ensuite, après avoir réinitialisé la matrice, la trame suivante est exécutée. Ainsi, l'écart entre les trames est t. Cette situation est similaire à l'algorithme de volet roulant.
L'une des solutions à ce problème a été proposée par nos développeurs, et elle était la suivante. Dans une cellule régulière de la matrice CMOS, un seul condensateur avec un cerclage est utilisé qui remplit la fonction d'un élément de mémoire; par conséquent, à tout moment, la cellule est soit dans l'état de charge de ce condensateur (exposition) ou de décharge (lecture). Dans la cellule de notre développement, deux éléments de mémoire sont utilisés. Pour cette raison, deux processus peuvent se produire simultanément. Après la prise de vue de la première image, lors de la lecture des données d'un élément de mémoire, l'image suivante s'affiche immédiatement avec l'enregistrement sur le deuxième élément de mémoire. Cela garantit un enregistrement continu et la stabilité de l'image.
Cependant, le sens de cette invention ne se limite pas seulement à la continuité de la prise de vue. En fait, nous avons obtenu plusieurs modes de fonctionnement différents du capteur CMOS. Tout dépend de la procédure de lecture des pixels.
- Lors de la lecture à une fréquence d'images élevée, la saturation des pixels peut se produire en raison soit d'une saturation multiple de la photodiode, soit d'une seule saturation de l'élément de mémoire. Dans le même temps, la clarté de l'image est combinée avec la saturation.
- En mode prise de vue à saturation élevée, deux éléments de stockage sont remplis et lus simultanément. Dans le même temps, la fréquence de lecture est réduite, ce qui donne en bonus une diminution de la consommation électrique totale.
La possibilité d'accumulation multiple est utilisée lors de l'exécution de séries d'expositions, par exemple, en alternant courtes et longues. Dans le même temps, les éléments de stockage alternent: d'un côté, le signal des expositions courtes s'accumule et de l'autre des signaux longs. Par rapport à une matrice CMOS avec un élément de stockage et une vitesse d'obturation totale égale à une série de 5 expositions courtes et 4 longues, l'amélioration de la plage dynamique est d'environ 42 dB.
Une augmentation du cerclage de pixels entraîne une augmentation du bruit parasite. Pour réduire son influence, les éléments de cellule sont situés en diagonale symétriquement par rapport à la photodiode. De l'influence du flux lumineux, ils sont protégés par un écran lumineux. Seulement pour la photodiode, une ouverture de 1,3 μm a été laissée. La lumière incidente sur la photodiode est focalisée à l'aide d'une double lentille et d'un guide de lumière. Dans le bloc entre les lentilles se trouve un filtre de couleur conforme au modèle Bayer. Un matériau à indice de réfraction élevé est utilisé pour la fibre. Pour cette raison, la fibre sous la forme d'un cône inversé a une petite hauteur correspondant à trois couches de câblage en cuivre. Le diamètre supérieur de la fibre est de 2,4 microns et le diamètre inférieur est de 1,1 microns.
Un pixel unique de la matrice, selon le modèle de Bayer, se compose d'une paire de pixels avec des cellules de mémoire double. Un bloc de pixels unitaires comprend:
- 2 photodiodes;
- 4 éléments de stockage (condensateur);
- 13 transistors.
La taille totale de la matrice est de 2676 N × 2200 V, ce qui représente presque 5,9 mégapixels.
Le tableau comparatif donne les caractéristiques des différents modes de lecture de la matrice CMOS développée avec une double mémoire intra-pixel et une matrice conventionnelle avec des indicateurs comparables.
En fait, le capteur d'image CMOS développé avec un pas de pixel de 3,4 microns avec une double mémoire intra-pixel a environ 5,3 mégapixels effectifs et une plage dynamique de plus de 110 dB lorsqu'il est exposé dans une seule image avec une accumulation multiple alternée. Ce mode est particulièrement adapté à la prise de vue d'objets en mouvement et peut être utilisé dans les caméras de cinéma, les appareils de vision par ordinateur, les automobiles, la photographie aérienne et les caméras de surveillance.