Les capteurs actuels
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Les capteurs pour l’imagerie planétaire, lunaire et solaire Frédéric Jabet – WETAL 2013 Comprendre la photodiode et les capteurs Emmanuel Beaudoin, C14, Basler 1300 - ICX445 Fonctionnement d’une photodiode Photon incident Jonction NP (charge négative/électron – positive/trou) : potentiel électrique Les photons arrachent un électron aux atomes du substrat Les électrons sont capturés par le champ de potentiel Plus la longueur d’onde est élevée et plus le photon pénètre profondément dans le capteur Charge Silicium N Electrode Silicium P Isolant Capteur CCD / CMOS Wikipedia La spécificité du capteur CCD est le transfert des charges vers les étages de lecture. Transfert des charges colonne par colonne Inconvénient : vitesse de lecture limitée Le CMOS comporte une amplification par jonction et une structure matricielle En général un ADC par colonne Toute l’électronique est sur le capteur Inconvénient : Photo Response Non Uniformity (PRNU) E2V Potentiel Capteur front illuminated classique Le potentiel décroît rapidement : la depletion zone (zone de potentiel élevé de la jonction) est étroite Un électron généré trop profondément ne sera pas capturé mais se recombine avec le substrat cas du R/IR Quantum Efficiency (QE) nb électrons capturés/nb photons incidents Les technologies qui améliorent les performances Christian Viladrich, AVT Manta G283 - ICX674 Potentiel Capteur front illuminated thinned Le capteur est aminci pour améliorer le niveau de potentiel et donc le rendement quantique La perte d’électron à l’entrée est faible : meilleure sensibilité dans le bleu Les photons R/IR traversent le substrat Capteurs deeply depleted Potentiel L’épaisseur du capteur est augmentée Un silicium dopé à haute résistance électrique permet de maintenir le potentiel élevé L’épaisseur permet d’éviter la perte de photon dans R/IR Baisse de sensibilité dans le bleu Coût de fabrication élevé Ecart de 200€ entre E2V 76C560 et 76C661 Frontside/Backside illumination Document E2V/DGA Inversion électronique/puit de potentiel – – Suppression éventuelle des µlentilles Coût de revient plus élevé Meilleur rendement Ouverture numérique supérieure Meilleure MTF Document Sony Comparaison FI/BI sur base E2V 76C560 Le rolling shutter Permet de réduire la vitesse de lecture unitaire tout en conservant le débit global – – Réduction du bruit de lecture Coût inférieur Absence de cohérence temporelle – – Les lignes ne sont pas acquises en même temps Deux images N et N+1 exposées en même temps Gênant si exposition ≈ cohérence turbulence – – T0=R0 / Vitesse vent R0 faible de jour : T0 < ms → Absence de cohérence entre les lignes d’une même image Utilisable si exposition >> cohérence turbulence Le rolling shutter Capteur rolling shutter 4ms E2V 76C560 Capteur global shutter 4ms E2V 76C560 Images traitées (stacking / ondelettes) Les caractéristiques importantes d’une caméra – – Un bon signal/bruit De la dynamique Pourquoi ? Pourquoi ? Plus d’accentuation Renforcement des contrastes – – Comment ? – – – – Acquisition des faibles contrastes Modelé (mers lunaires) Comment ? Débit (interface) Sensibilité Bruit de lecture Bonne électronique – – – De figer la turbulence Pourquoi ? – – Limiter la perte de résolution Facilité le morphing Comment ? – – – Sensibilité Mode de shutter Débit Bruit de lecture faible Capacité en eQuantification 12 bits Les capteurs actuels François Rouvière, IDS 3240 NIR – E2V 76C661 Les générations de capteurs Sony ICX HAD/super HAD « legacy » CMOS IMX Exmor - Génération DMK, Skynyx… -ICX 098, 414, 424, 204, 205, 267, 274… - Pic à 500nm à 45% environ - Introduction des microlentilles sur Super HAD - ADC par colonne - Sensibilité comparable à HAD - IMX035/036/104/178/238 - Implémentation en rolling shutter et petits pixels - Exmor R back illuminated Sony ICX Exview & Exview II E2V et CMOSIS - Génération actuelle Basler 640/1300, DMK618, PGR Flea3 : ICX618, 445, 285… - Réponse étendue R/IR : deep depletion - Exview HAD II en cours de déploiement : plus sensibles : ICX672, 674, 694, ICX687... - Techno « quad tap» dans ICX674 : 50fps (€€€) -E2V : multi AoI, 1280x1024 60fps - Global shutter, 70% QE - Bruit de lecture 13e- rolling / 25 e- global -CMOSIS : 2000x2000 180 fps - Bruit de lecture 13e- Global shutter Planétaire CCD Sony Exview ICX618 - Deep depletion - 640*480 - 5,6µm - 120 i/s - 10,6 bits CCD Sony Exview HAD2 ICX693 - Deep depletion - 800*600 - 6µm - 50 i/s CMOS E2V 76C661 NIR - Deep depletion - 1280*1024 - 5,3µm - 60 i/s / 120 i/s en VGA - 10 bits Si focale < 2500mm CCD Sony ICX Exview ICX445 CCD Sony ICX Exview HAD2 ICX692 CMOS Sony IMX035/IMX104 CMOS Aptina MT9M034 Polyvalente planétaire/lunaire/solaire CCD Sony Exview ICX445 - Deep depletion - 1280*960 – 3,75µm - 30 i/s - 9,5 bits CCD Sony Exview HAD2 ICX692 - Deep depletion - 1280*720 – 4,08µm - 30 i/s CMOS E2V 76C661 NIR - Deep depletion / Global & Rolling shutter - 1280*1024 - 5,3µm - 60 i/s - 10 bits Premier Back Illuminated ? CMOS Sony IMX178 - Exmor R - 6,3 Mpixel - 2,4µm - 30 i/s Teva Chene, Basler 1300 Alternative « low cost » rolling shutter CMOS Aptina MT9M034 CMOS Sony IMX238 ? Haute résolution/grand champ lunaire/solaire Domaine des « grands capteurs » Capteurs haute résolution CCD Sony Exview HAD2 ICX687 -1930*1450 – 3,69µm - 30 i/s - 84 Mpixels/s CCD Sony Exview HAD2 ICX674 -1930*1450 – 4,54µm - 40 i/s (quad tap) - 112 Mpixels/s CCD Sony Exview HAD2 ICX694 - 2750*2200 – 4,54µm - 20 i/s (quad tap) - 121 Mpixels/s CCD Sony Exview HAD2 ICX814 - 3380*2700 – 3,69µm - 13 i/s (quad tap) - 118 Mpixels/s CMOS CMOSIS CMV4000 - 2048*2048 - 5,5µm - 8/12 bits: 37 / 90 i/s USB3 – 180 i/s CL - 148 / 360 Mpixels/s – 720 Mpixel/s CL CMOSIS CMV4000 IDS3370 Rendements quantiques 80 70 60 50 ICX445 ICX274 40 ICX674 EV76C661 30 CMOSIS NIR 20 10 0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 000
