Les capteurs d’image sont nécessaires dans les appareils photo, des téléphones aux télescopes, pour capturer la lumière et la transformer en images. Les capteurs CMOS (Front-Side Illuminated) et BSI (Backside-Illuminated) fonctionnent sur des principes similaires mais diffèrent par leur structure, affectant la capture de la lumière, le bruit et la qualité des couleurs. Cet article explique en détail leurs conceptions, leurs performances, leurs utilisations et leurs développements futurs.
CC7. Du BSI aux architectures CMOS empilées
Présentation des capteurs CMOS vs BSI
Chaque appareil photo, du smartphone dans votre poche aux télescopes qui explorent des galaxies lointaines, dépend de l’efficacité de son capteur d’image à capturer la lumière. Les capteurs CMOS et BSI suivent des principes de semi-conducteurs similaires, mais leurs différences structurelles entraînent des variations majeures de sensibilité à la lumière, de performances au bruit et de qualité d’image. Dans les capteurs CMOS (Front-Side Illuminated, FSI) traditionnels, le câblage métallique et les transistors se trouvent au-dessus des photodiodes, bloquant partiellement la lumière entrante et réduisant la sensibilité globale. Cette conception rend les capteurs CMOS rentables et plus faciles à fabriquer, mais limite les performances en basse lumière. En revanche, les capteurs BSI (Back-Side Illuminated) renversent la structure, positionnant la photodiode sur le dessus de sorte que la lumière l’atteigne directement sans obstruction. Cela améliore l’efficacité quantique, réduit le bruit et améliore les performances des systèmes d’imagerie compacts ou haut de gamme, des appareils photo reflex numériques aux instruments scientifiques.
Architecture du capteur CMOS
Un capteur CMOS éclairé à l’avant (FSI) représente la structure de capteur d’image plus ancienne et plus conventionnelle utilisée dans les appareils photo numériques et les smartphones. Dans cette architecture, la lumière entrante doit traverser plusieurs couches de matériaux avant d’atteindre la photodiode, la région sensible à la lumière responsable de la conversion des photons en signaux électriques.
Processus de travail
Chaque pixel de l’écran fonctionne grâce à un processus coordonné impliquant des microlentilles, des filtres de couleur, des interconnexions métalliques, des transistors et une couche de photodiodes. Les microlentilles focalisent d’abord la lumière entrante à travers les filtres de couleur rouge, vert et bleu, garantissant que seules des longueurs d’onde spécifiques atteignent chaque sous-pixel. Au-dessus de la photodiode, des interconnexions métalliques et des transistors gèrent le contrôle électrique du pixel et la lecture du signal, bien que leur position puisse bloquer partiellement une partie de la lumière entrante. Sous ces couches se trouve la photodiode, qui capture la lumière restante et la convertit en une charge électrique, formant le signal d’image de base du pixel.
Limites de la conception de l’ISF
• Sensibilité réduite à la lumière : une partie de la lumière est réfléchie ou absorbée par le câblage et les couches de transistors avant de pouvoir atteindre la photodiode.
• Facteur de remplissage plus faible : à mesure que la taille des pixels diminue, le rapport entre la zone sensible à la lumière et la surface totale des pixels diminue, ce qui entraîne une augmentation du bruit.
• Performances plus faibles en basse lumière : Les capteurs FSI ont du mal à s’adapter aux environnements sombres par rapport aux alternatives modernes telles que les capteurs BSI.
À l’intérieur du capteur CMOS BSI
Le capteur CMOS rétroéclairé (BSI) a révolutionné l’imagerie numérique en s’attaquant à l’inconvénient majeur des conceptions traditionnelles éclairées frontales (FSI), à savoir le blocage de la lumière par le câblage métallique et les transistors. En inversant la structure du capteur, le BSI permet à la lumière entrante d’atteindre directement la photodiode, ce qui améliore considérablement l’efficacité lumineuse et la qualité de l’image.
Fonction de la technologie BSI
• La plaquette de silicium est amincie à quelques micromètres seulement pour exposer la couche photosensible
• La couche de photodiode est positionnée sur la face supérieure, directement face à la lumière entrante
• Le câblage métallique et les circuits à transistors sont déplacés vers l’arrière, ce qui les empêche d’obstruer les trajets lumineux.
• Les microlentilles avancées sont alignées avec précision sur chaque pixel pour assurer une focalisation optimale de la lumière
Avantages des capteurs BSI
• Efficacité d’absorption de la lumière plus élevée : jusqu’à 30 à 50 % d’amélioration par rapport aux capteurs FSI, ce qui permet d’obtenir des images plus lumineuses et plus nettes.
• Performances supérieures en basse lumière : la perte de photons réduite améliore la sensibilité et minimise le bruit dans les environnements sombres.
• Précision des couleurs améliorée : avec des chemins lumineux dégagés, les filtres de couleur produisent des tons plus précis et plus vifs.
• Conception compacte des pixels : BSI prend en charge des tailles de pixels plus petites tout en maintenant la qualité de l’image, ce qui est idéal pour les capteurs haute résolution.
• Plage dynamique améliorée : meilleure capture du signal dans les zones lumineuses et sombres d’une scène.
Comparaison de l’efficacité lumineuse et de la sensibilité
| Fonctionnalité | Capteur CMOS FSI | Capteur BSI |
|---|---|---|
| Chemin de la lumière | La lumière passe à travers le câblage → perte partielle | Directement sur la photodiode → perte minimale |
| Efficacité quantique (QE) | 60 à 70 % | De 90 à 100 % |
| Performances en basse lumière | Modéré | Excellente |
| Réflexion et diaphonie | Élevé | Faible |
| Clarté de l’image | Moyenne | Tranchant et lumineux dans la pénombre |
Facteur de rétrécissement et de remplissage des pixels
Dans les capteurs CMOS FSI
Lorsque la taille des pixels tombe en dessous de 1,4 μm, les interconnexions métalliques et les transistors occupent une plus grande surface. Le facteur de remplissage diminue, ce qui permet de capturer moins de lumière par pixel et d’augmenter le bruit de l’image. Il en résulte des images plus sombres, un contraste réduit et des performances plus faibles dans des conditions de faible luminosité.
Dans les capteurs CMOS BSI
La photodiode est positionnée au-dessus du câblage, ce qui permet à la lumière de la frapper directement. Cette configuration atteint un facteur de remplissage de près de 100 %, ce qui signifie que la quasi-totalité de la surface du pixel devient sensible à la lumière. Les capteurs BSI maintiennent une luminosité uniforme et un rapport signal/bruit (SNR) plus élevé sur l’ensemble du cadre de l’image. Ils offrent également des performances supérieures en basse lumière, même dans des modules compacts tels que les caméras de smartphones ou de drones.
Diaphonie, bruit et diffusion arrière
| Aspect | Problèmes potentiels dans les capteurs CMOS (FSI) | Problèmes potentiels dans les capteurs BSI | Solutions d’ingénierie | Impact sur la qualité d’image |
|---|---|---|---|---|
| Diaphonie optique | La lumière est diffusée ou bloquée par un câblage métallique avant d’atteindre la photodiode, provoquant un éclairage inégal. | La lumière s’échappe dans les pixels voisins en raison de l’exposition à l’arrière. | Isolation en tranchée profonde (DTI) : Crée des barrières physiques entre les pixels pour éviter les interférences optiques. | Des images plus nettes, une meilleure séparation des couleurs et un flou réduit. |
| Recombinaison de charge | Les porteurs de charge sont perdus dans d’épaisses couches de silicium ou de métal, ce qui réduit la sensibilité. | Recombinaison arrière : Les supports se recombinent près de la surface exposée avant la collecte. | Couches de passivation et traitement de surface : Réduire les défauts et améliorer la collecte des charges. | Sensibilité accrue et perte de signal réduite. |
| Effet de floraison | La surexposition d’un pixel entraîne la saturation des pixels adjacents en raison de la diffusion frontale. | La surexposition propage la charge sous la couche de silicium amincie. | Barrières antidopage et de charge de surface : Contenir la charge et prévenir les débordements. | Réduction des stries blanches et reflets plus lisses. |
| Bruit électrique et thermique | La chaleur des transistors sur les pixels génère du bruit dans le chemin du signal. | Bruit de tir plus élevé grâce au silicium mince et aux circuits denses. | Amplificateurs à faible bruit et algorithmes de réduction du bruit sur puce. | Des images plus nettes, des performances améliorées en basse lumière. |
| Limitation du facteur de remplissage | Les couches métalliques et les transistors couvrent une grande surface de pixels, réduisant ainsi la sensibilité à la lumière. | Presque éliminé - photodiode entièrement exposée à la lumière. | Optimisation de la structure BSI et des micro-lentilles. | Capture maximale de la lumière et luminosité uniforme. |
Du BSI aux architectures CMOS empilées
Structure d’un capteur CMOS empilé
| Calque | Fonction | Descriptif |
|---|---|---|
| Couche supérieure | Réseau de pixels (BSI Design) | Contient les photodiodes sensibles à la lumière qui capturent la lumière entrante, à l’aide d’une structure BSI pour maximiser la sensibilité. |
| Couche intermédiaire | Circuits analogiques/numériques | Gère les tâches de conversion de signal, d’amplification et de traitement d’image séparément de la matrice de pixels pour des sorties plus propres. |
| Couche inférieure | Intégration de la mémoire ou du processeur | Peut inclure des cœurs de traitement DRAM ou AI intégrés pour une mise en mémoire tampon rapide des données et une amélioration de l’image en temps réel. |
Avantages des capteurs CMOS empilés
• Lecture ultra-rapide : permet la prise de vue en continu à grande vitesse et la capture vidéo réelle jusqu’à des résolutions 4K ou 8K avec une distorsion minimale de l’obturateur roulant.
• Traitement sur puce amélioré : intègre des circuits logiques qui effectuent la fusion HDR, la correction de mouvement et la réduction du bruit directement sur le capteur.
• Efficacité énergétique : des chemins de données plus courts et des domaines d’alimentation indépendants améliorent le débit tout en réduisant la consommation d’énergie.
• Facteur de forme plus petit : L’empilage vertical permet une conception de module compacte idéale pour les smartphones, les caméras automobiles et les drones.
• Prise en charge de l’IA et de l’imagerie computationnelle : certains capteurs empilés incluent des processeurs neuronaux dédiés pour l’autofocus intelligent, la reconnaissance de scène et l’amélioration en temps réel.
Plage dynamique et performances des couleurs dans les capteurs CMOS vs BSI
Capteurs BSI (rétroéclairés)
En éliminant le câblage métallique au-dessus de la photodiode, les capteurs BSI permettent aux photons d’atteindre directement la zone sensible à la lumière. Cette structure augmente la capacité du puits complet, améliorant l’absorption de la lumière et minimisant l’écrêtage des hautes lumières. Par conséquent, les capteurs BSI offrent des performances HDR supérieures, une meilleure profondeur de couleur et une gradation des ombres plus fine, ce qui les rend idéaux pour la photographie HDR, l’imagerie médicale et la surveillance en basse lumière.
Capteurs FSI (Front-Side Illuminated)
En revanche, les capteurs FSI nécessitent que la lumière traverse plusieurs couches de circuits avant d’atteindre la photodiode. Cela provoque une réflexion et une diffusion partielles, ce qui limite la plage dynamique et la capacité de mappage des tons. Ils sont plus sujets à la surexposition dans des conditions lumineuses et produisent souvent des couleurs moins précises dans les ombres profondes.
Applications des capteurs CMOS vs BSI
Capteurs CMOS (FSI)
• Vision industrielle
• Inspection industrielle
• Endoscopie médicale
• Caméras de surveillance
Capteurs BSI
• Téléphones intelligents
• Appareils photo numériques
• ADAS automobile
•Astronomie et imagerie scientifique
• Enregistrement vidéo 8K
Développements futurs des capteurs CMOS vs BSI
• Les conceptions empilées en 3D combinent des couches de pixels, de logique et de mémoire pour une lecture ultra-rapide et une imagerie pilotée par l’IA.
• Les capteurs BSI à obturateur global éliminent la distorsion de mouvement pour la robotique, les drones et les systèmes automobiles.
• Les capteurs CMOS organiques et à points quantiques offrent une sensibilité plus élevée, une réponse spectrale plus large et des couleurs plus riches.
• Le traitement de l’IA sur le capteur permet la réduction du bruit en temps réel, la détection d’objets et le contrôle adaptatif de l’exposition.
• Les plates-formes d’imagerie hybrides fusionnent les avantages du CMOS et du BSI, améliorant la plage dynamique et réduisant la consommation d’énergie.
En conclusion
Les capteurs CMOS et BSI ont remodelé l’imagerie moderne, le BSI offrant une sensibilité à la lumière plus élevée, moins de bruit et une meilleure précision des couleurs. L’essor du CMOS empilé et des capteurs intégrés à l’IA améliore encore la vitesse, la clarté de l’image et la plage dynamique. Ensemble, ces technologies continuent de faire progresser la photographie, la surveillance et l’imagerie scientifique avec une précision et une efficacité accrues.
Foire aux questions
Quels sont les matériaux utilisés dans les capteurs CMOS et BSI ?
Les deux utilisent des plaquettes de silicium. Les capteurs BSI comprennent également des couches de silicium minces, des microlentilles et des interconnexions métalliques pour une meilleure absorption de la lumière.
Quel type de capteur consomme le plus d’énergie ?
Les capteurs BSI consomment plus d’énergie en raison de leur conception complexe et de leur traitement plus rapide des données, bien que les conceptions modernes améliorent l’efficacité.
Pourquoi les capteurs BSI sont-ils plus chers que les CMOS ?
Les capteurs BSI nécessitent des étapes de fabrication supplémentaires, telles que l’amincissement des plaquettes et l’alignement précis des couches, ce qui les rend plus coûteux à produire.
Comment ces capteurs gèrent-ils la chaleur ?
Les températures élevées augmentent le bruit dans les deux capteurs. Les conceptions BSI incluent souvent un meilleur contrôle thermique pour maintenir la qualité de l’image stable.
Les capteurs CMOS et BSI peuvent-ils détecter la lumière infrarouge ?
Oui. Lorsqu’ils sont équipés de revêtements sensibles aux IR ou de filtres retirés, les deux peuvent détecter l’infrarouge, le BSI montrant une meilleure sensibilité IR.
À quoi servent les microlentilles sur les capteurs d’image ?
Les microlentilles guident la lumière directement dans la photodiode de chaque pixel, améliorant ainsi la luminosité et l’efficacité des capteurs BSI plus petits.