Couverture ElectroniqueS n°127

Fairchild Imaging lève le voile sur une technologie de capteurs optiques scientifiques conjuguant la sensibilité des CCD et la rapidité des Cmos. Les imageurs Cmos présentent de nombreux avantages qui les prédestinent à une utilisation scientifique : ils constituent ainsi la technologie privilégiée dès que la cadence de prise de vue s’accélère au-delà de ce qu’il est permis d’obtenir avec des capteurs CCD. Mais ces derniers demeurent incontournables lorsque la sensibilité et la dynamique constituent les critères décisifs… Fairchild, en collaboration avec l’irlandais Andor Technology et l’allemand PCO, entend pourtant conjuguer le meilleur des deux mondes avec la technologie sCmos (pour scientific Cmos) qu’il vient de présenter et qui, sur le papier, promet toutes les félicités aux systèmes d’imagerie scientifique, médicale ou encore industrielle : faible bruit, rapidité, dynamique, rendement quantique, résolution et angle de vue élevés, etc. Autant de critères qui restaient traditionnellement antinomiques : il est par exemple possible de concevoir des CCD dont le bruit de lecture ne dépasse pas les 3 e- RMS, mais pas à cadence de prise de vue soutenue, alors même que des applications comme l’imagerie médicale in vivo réclament des niveaux de bruit dans cet ordre de grandeur, l’illumination d’une cellule vivante à photographier ayant des limites physiologiques. Et les imageurs CCD à multiplication d’électrons ou EMCCD (1), apparus au début des années 2000, permettent certes de détecter des niveaux de luminosité extrêmement bas, mais induisent un bruit de multiplication qui augmente la variabilité de la mesure entre pixels et entre trames et donc le rapport signal sur bruit global… sans même parler de leur relative lenteur et de leur coût élevé. A titre de comparaison, le premier capteur sCmos présenté par Fairchild affiche des performances dignes à la fois d’un très bon CCD (bruit de lecture inférieur à 2 e- RMS à 30 images par seconde et 3 e- RMS à 100 images par seconde, marge dynamique de 16 000 : 1 à 30 images par seconde) et d’un très bon Cmos (jusqu’à 100 images par seconde, rendement quantique maximal de 60 %). Le tout avec une taille de photosites relativement ténue (6,5 μm de côté) et une résolution importante (5,5 millions de pixels) qui rend possible le fenêtrage sur une partie du capteur avec, si besoin est, des vitesses de capture décuplées (par exemple 1 760 images par seconde sur une portion de 128 x 128 pixels). Deux amplificateurs par photosite Comment Fairchild parvient-il à obtenir un tel niveau de performances ? L’Américain l’avoue clairement, une partie des technologies employées pour arriver à ce résultat restent propriétaires (comprendre : confidentielles). Il parle ainsi d’une « nouvelle génération de conception Cmos et de process de fabrication », sans beaucoup plus de détails. Mais il lève tout de même le voile sur quelques-uns des principaux mécanismes mis en œuvre. Par exemple, au sein d’un sCmos, les colonnes de photosites sont reliées, non pas à un, mais à deux amplificateurs faible bruit, l’un présentant un gain faible pour une lecture plus fidèle des signaux importants, l’autre présentant un gain élevé pour mieux dénicher les très faibles signaux. Autre innovation : chaque sCmos supporte indifféremment deux modes de lecture qui nécessitent habituellement deux capteurs différents : une lecture globale, durant laquelle toutes les photodiodes sont lues en même temps, et une lecture progressive, deux fois plus rapide mais générant de la distorsion spatiale, durant laquelle les colonnes de photodiodes sont lues les unes à la suite des autres. Le premier modèle d’imageur sCmos présenté par Fairchild comporte 2 560 x 2 160 pixels. Il se destine à l’imagerie médicale, à l’astronomie et à l’imagerie microscopique. (1) Ces capteurs EMCCD utilisent une méthode d’amplification interne baptisée “ impact ionization ” qui multiplie les photoélectrons générés dans le silicium. Le signal d’un seul photon peut ainsi être amplifié jusqu’à dépasser le seuil de bruit de lecture du capteur, mais les imprécisions de la phase de multiplication de photoélectrons limitent la précision de la mesure. Les sCmos visent l’imagerie microscopique, l’industrie, le médical ou encore l’astronomie.

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