Comparaison entre capteurs CCD et CMOS : Lequel est le meilleur pour l'imagerie ?

Devriez-vous utiliser un capteur CCD ou CMOS dans cet appareil photo ? Voici comment vous pouvez comparer ces capteurs.

Tout design pour des applications d'imagerie, de vision par ordinateur et de photonique nécessitera un type d'assemblage optique et de capteur pour fonctionner correctement. Votre prochain système optique intégrera une large gamme de composants optiques, et les capteurs d'imagerie sont le pont entre les mondes optique et électronique.

La sélection judicieuse d'un capteur nécessite de prendre en compte un certain nombre de facteurs. Certains de ces facteurs sont liés au temps de réponse, au format, à la résolution et à l'application. Le choix entre un capteur CCD et CMOS peut être difficile, mais il déterminera la rapidité avec laquelle votre système peut résoudre les images tout en évitant la saturation. Si vous avez besoin de travailler en dehors de la gamme visible, vous devrez envisager des matériaux alternatifs au Si pour une imagerie efficace. Dans certaines applications, il peut être plus judicieux de travailler avec un réseau de photodiodes. Voici ce que vous devez savoir sur ces différents types de capteurs et comment choisir le bon composant pour votre application.

Exigences des capteurs et systèmes d'imagerie

Tout système d'imagerie doit être conçu pour répondre à des exigences particulières, et beaucoup d'entre elles se concentrent autour du choix du capteur optique. Pour commencer, considérez le matériel dont vous avez besoin pour votre gamme de longueurs d'onde, puis comparez des aspects tels que la résolution, le temps de réponse et la linéarité.

Matériau actif et gamme de détection

Le matériau actif utilisé dans votre capteur déterminera la gamme de longueurs d'onde sensibles, les pertes en queue de bande et la sensibilité à la température. Vous pouvez travailler dans les gammes infrarouge, visible ou UV, selon votre application. Pour les systèmes de caméra, vous voudrez une sensibilité à travers la gamme visible, à moins que vous ne travailliez sur un système d'imagerie thermique. Pour des applications d'imagerie spécialisées, telles que l'imagerie par fluorescence, vous pouvez travailler de l'IR à la gamme UV.

Certains matériaux actifs sont encore au stade de la recherche, tandis que certains sont facilement disponibles en tant que composants commercialisés. Si vous comparez les composants de capteur CCD vs CMOS, le matériau actif est un bon point de départ lors de la sélection des capteurs candidats.

• Si : C'est le matériau le plus couramment utilisé dans les capteurs d'imagerie. Sa bande interdite indirecte de 1,1 eV (~1100 nm de bord d'absorption) le rend le mieux adapté pour les longueurs d'onde visibles et NIR.
• InGaAs : Ce matériau III-V fournit une détection IR jusqu'à ~2600 nm. Sa faible capacité de jonction de <1 nF rend les capteurs InGaAs idéaux pour les applications aux longueurs d'onde SMF (1310 et 1550 nm). L'ajustement est réalisé en modifiant la stœchiométrie de In(1-x)GaxAs. Des capteurs CCD InGaAs sont disponibles sur le marché auprès de fournisseurs de photonique, et des entreprises comme IBM ont démontré la compatibilité InGaAs avec les processus CMOS.
• Ge : Ce matériau est moins courant dans les caméras et capteurs CCD en raison de son coût plus élevé que le Si, et les capteurs CMOS tout-Ge et SiGe sont encore un sujet de recherche très suivi.

Il existe d'autres matériaux disponibles pour une utilisation comme capteurs d'image, bien qu'ils soient normalement utilisés dans les photodiodes et ne soient pas fortement commercialisés. Si vous travaillez dans le domaine visible, le Si est la voie à suivre car vous aurez une sensibilité à des longueurs d'onde de ~400 nm à ~1050 nm. Si vous travaillez profondément dans la gamme IR, vous voudrez utiliser InGaAs. Les capteurs Si CCD et CMOS peuvent être utilisés pour les longueurs d'onde UV, mais seulement lorsque le capteur a un traitement de surface spécial pour prévenir l'ablation.

Les filtres de couleur sont souvent utilisés sur les capteurs CCD et CMOS pour former des images monochromes ou filtrer des longueurs d'onde spécifiques. Il est courant de voir des CCDs et des capteurs CMOS avec un filtre en verre à coupure nette ou un film mince pour éliminer les longueurs d'onde IR.

Taux de trame, résolution et bruit

Le taux de trame est déterminé par la manière dont les données sont lues à partir du détecteur. Le détecteur est composé de pixels discrets, et les données doivent être lues séquentiellement à partir des pixels. La méthode de lecture des pixels détermine la vitesse à laquelle les images ou les mesures peuvent être acquises. Les capteurs CMOS utilisent un schéma d'adressage, où le capteur et chaque pixel sont lus individuellement. En contraste, les CCDs utilisent une exposition globale et lisent chaque colonne de pixels avec une paire de registres de décalage et un ADC.

Parce que ces capteurs utilisent différentes méthodes de lecture, divers modules de capteurs nécessitent des composants intégrés différents. C'est là que la véritable comparaison commence car l'électronique intégrée déterminera les chiffres de bruit, la linéarité, la responsivité, la profondeur de couleur (nombre de couleurs qui peuvent être reproduites) et la limite de détection. Le tableau ci-dessous montre une brève comparaison des métriques d'imagerie importantes pour les capteurs CCD et CMOS.

| | CCD | CMOS | | ---------- | ---------- | ---------- | | Résolution | Jusqu'à 100+ mégapixels | Jusqu'à 100+ mégapixels | | Taux de trame | Meilleur pour des taux de trame plus bas | Meilleur pour des taux de trame plus élevés | | Figure de bruit | Plancher de bruit plus bas → Qualité d'image supérieure | Plancher de bruit plus élevé → Qualité d'image inférieure | | Responsivité et linéarité | Responsivité plus faible, gamme linéaire plus large | Responsivité plus élevée, gamme linéaire plus étroite (sature rapidement) | | Limite de détection | Faible (plus sensible à faible intensité) | Élevée (moins sensible à faible intensité) | | Profondeur de couleur | Plus élevée (16+ bits est typique pour les CCDs coûteux) | Plus basse, bien que devenant comparable aux CCDs (12-16 bits est typique) |

Et les photodiodes ?

C'est une question pertinente car les réseaux de photodiodes peuvent également être utilisés pour recueillir des mesures d'intensité en 1D ou 2D. Il est important de noter qu'une photodiode est l'élément actif dans un capteur CCD ou CMOS ; les trois types de capteurs diffèrent par la manière dont les données sont lues à partir du dispositif. Un réseau de photodiodes est construit avec une configuration de cathode commune, donc les données sont lues à partir du dispositif en parallèle. Cela rend les photodiodes plus rapides que les capteurs CCD et CMOS. Cependant, l'utilisation de deux fils par photodiode signifie que vous aurez un petit nombre de photodiodes dans un réseau ; une photodiode de 100x100 pixels aurait 20 000 fils électriques. On peut voir comment cela devient rapidement peu pratique.

L'autre option pour utiliser des photodiodes consiste à balayer mécaniquement le champ de vision avec une diode laser et à collecter la lumière réfléchie/dispersée. Cette approche de mesure ponctuelle est utilisée dans les UAV et les systèmes lidar automobiles. Vous pouvez former une image de faible résolution de cette manière, où le taux de trame est limité par le taux de balayage et le temps de moyennisation. Dans cette application, les capteurs CCD et CMOS gagnent toujours grâce à leur résolution plus élevée et à des taux de trame similaires.

Exemple d'une image lidar balayée en raster pour un véhicule autonome. Notez le bus sur le côté droit de l'image. Crédit image : Baraja.

Trouver et évaluer les réseaux de capteurs CCD vs. CMOS sont des étapes cruciales dans la conception de systèmes d'imagerie. Vous pouvez trouver ces composants et bien d'autres sur Octopart.

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