Les capteurs CMOS ont largement remplacé leurs homologues CCD dans le traitement des images. Cette technologie plus moderne s’est développée très rapidement ces dernières années, avec Sony – un des principaux fabricants de capteurs CMOS – jouant un rôle important. Les modèles de la série IMX font partie des capteurs les plus fréquemment utilisés dans les caméras industrielles. Cet article explique les principales différences entre les différentes gammes IMX de Sony, également connues sous le nom de Pregius, STARVIS et Pregius S.
Il y a quelques années à peine, la technologie CCD constituait de loin la plus grande part des capteurs utilisés dans les caméras pour le traitement d’image industriel. À ce moment-là, les capteurs CMOS étaient considérés comme une technologie prometteuse mais pas encore mature pour laquelle même les experts ne voyaient aucune concurrence sérieuse immédiate aux capteurs CCD largement établis sur le marché.
Cela change brusquement lorsque Sony, l’un des plus importants fabricants internationaux de capteurs, annonce l’arrêt de sa production CCD début 2015, annonçant ainsi la fin de l’ère du CCD dans le traitement d’image industriel et dans bien d’autres domaines. Environ deux ans plus tôt, la société introduisait la première des quatre générations d’une nouvelle famille de capteurs CMOS appelée IMX, qui faisait sensation avec sa plage de dynamique nettement plus grande. Ces capteurs, qui sont toujours disponibles, disposent de temps d’exposition courts, offrent des options de déclenchement et de lecture requises dans le traitement d’image et permettent de capturer des images avec une qualité exceptionnelle qui dépasse celle des capteurs concurrents dans le même segment de prix.
L’une des raisons de la haute qualité d’image des capteurs IMX est la technologie spéciale développée par Sony et appelée Exmor, dans laquelle le signal analogique à bruit réduit enregistré par le capteur est converti en signal numérique directement lorsque les pixels sont lus. Cette approche distingue les capteurs IMX de ceux des autres fabricants et améliore non seulement les performances de bruit, mais permet également des fréquences d’images plus élevées.
Obturateur électronique
Une autre caractéristique particulièrement importante d’un capteur est son obturateur (shutter), qui correspond dans sa fonctionnalité à l’exposition d’un appareil photo conventionnel, et qui est implémenté dans l’électronique du capteur. Dans le traitement d’image industriel, il existe ici deux concepts différents.
Dans les capteurs avec Rolling Shutter, les lignes d’un capteur sont exposées et lues l’une après l’autre. Dans les applications avec des objets en mouvement, cette procédure entraîne une exposition temporisée des lignes du capteur et, selon la situation d’inspection, peut provoquer des distorsions indésirables dans les images capturées.
Les capteurs avec Global Shutter fonctionnent différemment : ils lisent tous les pixels exposés en même temps et garantissent ainsi que les images d’objets en mouvement ou par exemple les images de véhicules en mouvement peuvent également être capturées sans distorsion dans les applications de trafic.
R.O.I et vitesse
De plus, les développeurs de Sony ont intégré dans cette première génération d’IMX des fonctions très utiles pour le traitement d’image industriel : notamment la capacité de définir des régions d’intérêt (ROI) plus petites. Cette limitation de la zone de lecture du capteur permet d’augmenter la vitesse d’acquisition des images et de réduire la taille des données d’image pour la transmission des données. Cette fonctionnalité prend tout son sens lorsque seules certaines zones partielles doivent être visualisées pour l’inspection d’objets.
Première génération IMX
IMX174 et IMX249 sont les noms des capteurs de la première génération IMX, également connus sous le nom de Pregius. Ces capteurs de type Global Shutter fonctionnent avec des pixels carrés de 5,86 µm de côté et une résolution de 1920 x 1200 pixels, et diffèrent par leur vitesse : IMX249 permet une fréquence d’images de 41 images par seconde, tandis que la variante haute vitesse IMX174 atteint un impressionnant 166 images par seconde. Pour les applications où la résolution de 2,3 mégapixels (MP) est suffisante pour résoudre la tâche à accomplir, les caméras basées sur les capteurs IMX174 et IMX249 sont souvent encore le choix parfait aujourd’hui en raison de leur capacité de saturation élevée, de leur rapport signal/bruit élevé et d’une dynamique impressionnante.
Deuxième génération IMX avec pixels réduits
Dans la deuxième génération de capteurs IMX, Sony a réduit la taille des pixels à 3,45 µm x 3,45 µm et a introduit des modèles avec des résolutions de 3 MP (IMX252 et IMX265), 5 MP (IMX250 et IMX264), 9 MP (IMX255 et IMX267) et 12 MP (IMX253 et IMX304) fin 2016. Ces capteurs offrent également aux utilisateurs les avantages du Global Shutter et utilisent la technologie Exmor pour une qualité d’image exceptionnelle. En termes de vitesse, les modèles standard de deuxième génération (IMX265, IMX264, IMX267 et IMX304) vont de 23 à 56 images par seconde, tandis que les versions à haute vitesse permettent la capture de 68 à 216 images par seconde.
Les avantages de la technologie CMOS Sony Pregius
Les capteurs STARVIS avec technologie rétro-éclairée
Avec la famille STARVIS, Sony propose depuis un certain temps une technologie de capteur puissante, qui n’existait initialement que dans différentes variantes de couleurs et était principalement utilisée dans les applications de surveillance. Après l’introduction des modèles STARVIS monochromes, ces capteurs sont devenus de plus en plus intéressants pour les applications d’automatisation industrielle. Cette famille de capteurs de Sony a été développée en parallèle avec la ligne Pregius et n’était initialement disponible qu’en Rolling Shutter, mais plus tard également en Global Shutter. Les capteurs STARVIS sont également marqués de l’abréviation IMX et fonctionnent avec des pixels carrés entre 1,85 µm et 3,76 µm de côté.
Les caractéristiques distinctives les plus importantes entre STARVIS et les générations Pregius 1 et 2 sont le Rolling Shutter et la technologie rétro-éclairée des capteurs STARVIS. Cette conception de capteur, également connue sous le nom de BSI (Back Side Illumination), est un développement sophistiqué de Sony qui résout élégamment un problème : les capteurs STARVIS fonctionnent avec de très petits pixels de seulement 1,85 µm de coté. Avec des tailles de pixel aussi petites, il existe un rapport défavorable entre les surfaces disponibles sur le capteur pour les pixels récepteurs de lumière et les composants électroniques requis tels que les amplificateurs ou les convertisseurs analogique/numérique. Si les parties non photosensibles augmentent, l’efficacité quantique d’un capteur diminue.
Sony évite cette situation en plaçant l’amplificateur pur et l’électronique d’évaluation à l’arrière du capteur et non à l’avant, comme c’est le cas avec les capteurs conventionnels dits à éclairage frontal FSI (Front Side Illumination). Seules les parties photosensibles du capteur sont placées en façade. Cette astuce permet d’utiliser la quasi-totalité de la zone de pixels pour la réponse photoélectrique et réduit la réflexion de la lumière par les composants électroniques. De plus, le plan sensible à la lumière d’un capteur BSI est plus élevé que dans la conception FSI conventionnelle, ce qui contribue également à l’amélioration des performances d’imagerie.
Schémas comparés d’un capteur FSI par rapport au capteur BSI
Dans les capteurs FSI (à gauche), le câblage est situé au-dessus de la zone des pixels sensibles à la lumière. La lumière doit traverser une sorte de “tunnel” avant d’atteindre la photodiode et d’être partiellement réfléchie par les composants électroniques. En technologie BSI (à droite), le câblage est réalisé sous les photodiodes.
Les effets de ceci peuvent être vus en comparant le seuil de sensibilité absolu, qui est défini dans la norme EMVA1288 et indique la quantité de lumière, c’est-à-dire de photons, dont les capteurs ont besoin en moyenne pour générer un signal qui se démarque suffisamment du bruit. Cette valeur est de 10 pour les capteurs Pregius de première génération, tandis que les modèles Pregius de deuxième génération atteignent une valeur de 3 et les capteurs STARVIS atteignent une valeur de 4.
Pregius S, l’actuelle 4ème génération
En 2020, Sony a présenté la génération de capteurs la plus avancée actuellement disponible, appelée Pregius S, avec une taille de pixel de 2,74 µm x 2,74 µm et des résolutions de 5,1 à 24,5 mégapixels. Les modèles standard IMX540, IMX541, IMX542, IMX545, IMX546 et IMX547 couvrent des fréquences d’images de 35 à 122 images par seconde ou jusqu’à 870 mégapixels par seconde, tandis que les variantes à grande vitesse IMX530, IMX531, IMX532, IMX535, IMX536 et IMX537 atteignent de 106 à 259 images par seconde ou jusqu’à 2600 mégapixels par seconde, permettant ainsi l’inspection d’objets se déplaçant très rapidement.
Les capteurs Pregius S combinent les avantages de la technologie BSI développée pour la famille STARVIS avec l’approche Global Shutter des deux premières séries Pregius et continuent de tirer parti des avantages de la réduction du bruit Exmor.
Les avantages de la technologie CMOS Sony Pregius S
C’est l’application qui décide
A la question de savoir quel capteur CMOS est le mieux adapté à mon application, la réponse est : cela dépend de la tâche à accomplir !
L’un des critères décisifs ici est la vitesse de déclenchement des caméras utilisées et leurs capteurs : si l’on veut prendre des images d’objets se déplaçant rapidement, le déclenchement doit être le plus rapide et le plus précis possible. Ici, les capteurs Pregius ont de meilleures valeurs que les capteurs de la série STARVIS : le temps entre le déclenchement et la lecture d’une image n’est que d’environ 20 µs pour les capteurs Pregius, alors que ce temps peut être de 450 µs et plus pour les capteurs STARVIS. Les caméras équipées de capteurs Pregius sont donc le meilleur choix dans les applications où l’exécution précise du déclencheur est cruciale pour la qualité de l’image. Les exemples dans l’industrie sont nombreux comme l’inspection d’objets se déplaçant très rapidement tels que des bouteilles ou des cartes de circuits imprimés en fabrication ainsi que l’analyse de mouvement dans le sport.
Remplacement des anciennes caméras CCD
Les utilisateurs recherchent souvent une solution adéquate de remplacement CMOS pour les caméras qui ont des caractéristiques comparables à la technologie CCD. Pour des raisons d’économie, il est judicieux de sélectionner des caméras avec un capteur CMOS qui nécessite le moins d’adaptation possible de l’éclairage et de l’optique existants. Les formats des capteurs Pregius ressemblent à ceux des anciennes caméras CCD dans une plus large mesure que la série STARVIS et sont donc plus adaptés aux applications dans lesquelles ce critère est particulièrement important. Par exemple, les variantes 5 MP IMX264 et IMX250 de la série Pregius peuvent fonctionner parfaitement en remplacement du capteur CCD ICX625 largement utilisé. Les caméras équipées du capteur CCD ICX824 peuvent être remplacées avec peu d’effort par les modèles 8,9 MP Pregius IMX267 et IMX255 , sans avoir à faire des ajustements majeurs à la configuration optique du système.
Les capteurs STARVIS, en revanche, offrent un net avantage en termes de coûts par rapport à la série Pregius. Si les objets à inspecter ne doivent pas être enregistrés en mouvement, le Rolling Shutter des caméras basées sur STARVIS n’a que peu d’importance. En raison de leur très petite taille de pixel, ces capteurs permettent également des résolutions plus élevées avec un capteur plus petit, mais cela doit être pris en compte lors du choix de l’optique.
Les tendances
Les développements de capteurs ces dernières années montrent une tendance vers des fonctions de plus en plus diversifiées dans les nouveaux modèles. Avec la deuxième génération Pregius, par exemple, Sony a introduit un déclencheur multi-exposition dans lequel une seule impulsion de déclenchement déclenche la capture rapide de plusieurs images, et un objet peut ainsi être capturé avec différentes luminosités d’image. De cette manière, l’image optimale peut être sélectionnée pour une évaluation d’image ultérieure. Cette fonction est également disponible pour les utilisateurs de troisième et quatrième génération.
Cela s’applique également à deux innovations de la troisième génération, qui ont introduit des auto-déclencheurs et des doubles déclencheurs dans les capteurs à grande vitesse. Avec un auto-déclenchement, deux zones d’image différentes (régions d’intérêt, ROI) sont définies et une image est prise de l’une des deux zones dès qu’un changement est détecté dans l’autre zone d’image. La fonction à double déclenchement, quant à elle, permet de définir deux valeurs différentes pour le temps d’exposition et le gain, qui peuvent être contrôlées indépendamment l’une de l’autre. Le déclenchement automatique et le déclenchement double sont inclus dans tous les capteurs de quatrième génération. Ces exemples montrent que les fonctions des générations de capteurs précédentes sont généralement transférées à l’étape de développement suivante, offrant aux utilisateurs encore plus d’options.
Une autre tendance importante dans le développement des capteurs est la taille des capteurs toujours plus petite combinée à une haute résolution. Ceci est rendu possible par des tailles de pixels de plus en plus petites, qui deviennent possibles grâce aux progrès des processus de production. Cette miniaturisation des capteurs se traduit également par la possibilité de réduire encore la taille des caméras. De plus, dans certains cas, le nombre de caméras utilisées peut être réduit en raison des résolutions plus élevées. L’utilisation de systèmes de caméras optimisés en termes de coûts devient également possible. Avec les capteurs Pregius, des objectifs 1″ coûteux sont souvent nécessaires, qui peuvent être remplacés par des objectifs moins chers mais tout aussi puissants avec les tailles de capteur plus petites de la série Pregius S. Cela favorise l’utilisation de caméras capteurs Pregius S.
Conclusion
En tant que premier fabricant de capteurs au monde, Sony s’est engagé dans la techno CMOS, annonçant ainsi la fin de l’ère des capteurs et caméras CCD. Les caractéristiques techniques des quatre premières générations d’IMX – Pregius, STARVIS et Pregius S – offrent aux développeurs et aux utilisateurs dans de nombreux domaines d’application, comme le traitement industriel de l’image, des options étendues en termes de résolutions disponibles, de vitesses et de fonctions. En raison des développements continus, on peut supposer que la prochaine génération de capteurs offrira des capacités techniques encore plus étendues.
[sources Basler et Sony]
