LA FABRICATION DES CAPTEURS - CONCEPTION ET METHODES

Au cours des dernières décennies, les progrès réalisés dans le domaine de la technologie de caméras des téléphones portables et des smartphones ont été à l'avant-garde des développements de la technologie des semi-conducteurs complémentaires à l'oxyde de métal (CMOS). Cela a permis d'améliorer à la fois les capteurs et les méthodes de fabrication. Au cours de cette période, les progrès généraux en matière de fabrication ont également permis de réduire le bruit des capteurs CMOS et d'accroître leur fiabilité.

Figure 1 : Configuration pour un pixel éclairé par l'arrière et un pixel éclairé par l'avant.

Une modification spécifique a consisté à changer la structure du capteur CMOS en passant d'un éclairage avant à un éclairage arrière.

Figure 2 : Les micro-lentilles sont utilisées pour capturer autant de lumière que possible sur le capteur à partir d'angles plus larges.

Une autre amélioration majeure de la conception du capteur CMOS a été l'incorporation de micro-lentilles pour maximiser la capture de la lumière afin d'améliorer l'efficacité du capteur.

L'utilisation du capteur CMOS dépasse celle du capteur CCD

Après ces années d'avancées technologiques, l'utilisation de capteurs CMOS a dépassé l'utilisation de dispositifs à couplage de charge (CCD) pour plusieurs raisons essentielles. Les dispositifs CMOS sont capables de capturer des images tout en consommant moins d'énergie que les CCD, et sont plus économiques à fabriquer, ce qui les rend moins chers à l'achat (par un facteur 10 environ). Le 25 février 2015, la technologie des capteurs CMOS était si populaire que Sony a annoncé qu'ils cesseraient de produire des capteurs CCD.

Les applications exigent une résolution plus élevée

Les applications devenant plus exigeantes, une qualité d'image et une résolution plus élevées sont nécessaires. Les fabricants de CMOS ont tenté de créer des capteurs avec des résolutions plus élevées en diminuant la taille des pixels et en augmentant leur nombre. Cette méthode a connu un succès modéré, car elle s'est heurtée à certains problèmes, notamment l'augmentation du bruit des capteurs. Pour lutter contre ce problème, les fabricants sont revenus à des tailles de pixels légèrement plus grandes, mais sur des formats de capteurs plus grands que ceux de 1,1". Cette méthode a permis d'augmenter la résolution du capteur et de maintenir un bon rapport signal/bruit (SNR).

Figure 3 : La taille des pixels sur les capteurs et la taille globale des capteurs ont changé pour s'adapter à des résolutions plus élevées.

Au fur et à mesure que les exigences en matière de résolution continuent d'augmenter, les fabricants de capteurs utilisent non seulement des formats de capteurs plus grands, mais trouvent également de nouvelles façons de réduire la taille des pixels sans sacrifier la qualité de l'image. Un nouvel exemple de capteur est le CMOS de 4ème génération Pregius S 24,5 MP IMX530 de Sony, un capteur 4/3″ (diagonale 19,3 mm) avec une taille de pixel de 2,74 µm (taille de pixel réduite de 37% par rapport à 3,45 µm).

Cependant, à mesure que la taille des pixels diminue et que la taille des capteurs augmente, des modifications importantes doivent être apportées aux conceptions optiques pour tirer pleinement parti des performances accrues. Pour ce faire, il est nécessaire d'intégrer des éléments optiques supplémentaires dans la conception des objectifs d'imagerie, ce qui les rend plus volumineuses et plus lourdes. Ces deux contraintes obligent les concepteurs d'objectifs à créer des objectifs avec des montures plus grandes que la monture C et plus robustes et fiables que la monture F grand public.

Les types de montures d'objectif tels que les montures TFL et TFL-II se caractérisent par des distances de bride compactes et des diamètres plus importants pour les formats de capteurs tels que les capteurs APS-C, APS-H et autres capteurs plein format. Ces montures sont également filetées, offrant une stabilité supérieure, un support pour les objectifs lourds et une fiabilité d'alignement supérieure à celle des montures à baïonnette comme la monture F.

Figure 4 : Les supports TFL et TFL-II permettent une plus grande diagonale maximale du capteur.

Les fabricants de capteurs lancent la prochaine génération de capteurs CMOS à très haute résolution. Le capteur CMOS Canon 120MXS a une résolution de 120 MP et des pixels de 2,2 μm et le CMOS Canon 2U250MRXS a une résolution de 250 MP et des pixels de 1,5 μm. Ces deux capteurs ont des pixels dont la taille est beaucoup plus petite que les tailles de pixels typiques de l'industrie. La nouvelle quatrième génération de capteurs Sony Pregius se caractérise par un facteur de forme plus petit et une performance d'image améliorée d'environ 1,7X. La taille des pixels de ces capteurs a également diminué, passant de 3,45 μm à 2,74 μm.

Figure 5 : Comme les applications exigent une résolution plus élevée, la taille des pixels des capteurs diminue.

Puisque les applications de vision industrielle exigent une résolution plus élevée, les fabricants de CMOS devront continuer à réduire la taille des pixels individuels et à augmenter la taille globale des capteurs pour améliorer la qualité de l'image et la résolution effective.