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Capteurs d'image CMOS vs CCD : les différences expliquées

Les deux capteurs convertissent la lumière en charge électrique dans chaque pixel ; ils diffèrent par la manière dont cette charge est lue. Un CCD déplace la charge pixel par pixel jusqu'à un amplificateur de sortie unique. Un capteur CMOS convertit la charge en tension dans chaque pixel et lit de nombreux pixels en parallèle. Les capteurs CMOS sont moins chers, plus rapides et consomment moins, et ils peuvent intégrer des ADC et le traitement d'image sur la même puce : ils ont donc remplacé les CCD dans presque tous les produits grand public.

CritèreCapteur d'image CMOSCapteur d'image CCD
LectureChaque pixel possède son propre amplificateur ; les signaux sont lus en parallèle, généralement via des ADC par colonneLa charge est transférée pixel par pixel à travers la matrice jusqu'à un ou quelques amplificateurs de sortie
FabricationProcédé de type CMOS standard, réalisé dans des usines de semi-conducteurs courantesProcédé spécial conçu pour le transfert de charge
Fonctions sur puceLes ADC, le séquencement et le traitement d'image peuvent être intégrés ; les architectures empilées ajoutent logique et mémoireEssentiellement le capteur seul ; les circuits annexes sont des puces séparées
ConsommationFaibleÉlevée, car le transfert de charge nécessite des horloges rapides et plusieurs tensions d'alimentation
Vitesse (cadence d'images)Élevée, grâce à la lecture parallèlePlus faible, limitée par le transfert série
Bruit et uniformitéAutrefois moins bons, aujourd'hui comparables ou meilleurs grâce aux photodiodes pincées et au double échantillonnage corréléTraditionnellement faible bruit et pixels uniformes
ObturateurLe rolling shutter est courant (les sujets rapides peuvent paraître déformés) ; les versions à global shutter nécessitent des circuits supplémentaires dans le pixelLe global shutter est naturel dans de nombreuses architectures
Blooming et smearMoins sensiblePlus sensible, car l'excès de charge peut déborder dans les pixels voisins
CoûtFaible, grâce à la production de massePlus élevé
Usages typiquesSmartphones, appareils photo numériques, caméras automobiles, webcamsCaméras scientifiques et astronomiques, certaines applications d'imagerie industrielle, médicale et spatiale

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

CMOS
Presque tout aujourd'hui : téléphones, appareils photo, voitures, caméras de surveillance et industrielles. Il est bon marché, rapide et souple, et les versions rétroéclairées et empilées améliorent la sensibilité et la vitesse.
CCD
Des cas particuliers qui apprécient son long historique de faible bruit et d'uniformité, comme certains instruments scientifiques, astronomiques et spatiaux.

Questions fréquentes

Pourquoi les capteurs CMOS ont-ils remplacé les CCD ?

Les capteurs CMOS sont moins chers, plus rapides et consomment moins, et ils peuvent intégrer des ADC et le traitement d'image sur la même puce. Les progrès en bruit et en sensibilité ont supprimé le principal avantage du CCD.

Qu'est-ce qu'un rolling shutter ?

Un rolling shutter lit les lignes d'un capteur CMOS les unes après les autres, si bien que les sujets en mouvement rapide paraissent déformés. Un global shutter expose tous les pixels en même temps, mais nécessite des circuits supplémentaires dans chaque pixel.

Le CCD est-il encore utilisé ?

Oui, dans certaines applications d'imagerie scientifique, astronomique, industrielle et spatiale où son long historique de faible bruit et d'uniformité compte.

Qu'est-ce que le blooming ?

Le blooming se produit lorsqu'un pixel très éclairé sature et déverse sa charge dans les pixels voisins. Les CCD y sont plus sensibles que les capteurs CMOS.

Vérifier vos connaissances

Quel est l'atout général du capteur d'image CMOS par rapport au capteur d'image CCD ?

  1. AIl transfère successivement les charges des pixels et les lit en un seul point de sortie
  2. BLes circuits périphériques s'intègrent facilement sur la même puce et la consommation est faible
  3. CIl ne peut pas être fabriqué en procédé CMOS
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Réponse : B. Les circuits périphériques s'intègrent facilement sur la même puce et la consommation est faible

Le capteur d'image CMOS dispose d'un transistor d'amplification par pixel et se fabrique en procédé CMOS standard ; les convertisseurs analogique-numérique et circuits de traitement d'image s'intègrent donc facilement sur la même puce ou sur une puce empilée, avec une basse tension, une faible consommation et une lecture rapide. Le CCD transfère successivement les charges et les lit en un seul point de sortie ; peu bruité, il exige cependant une tension de commande élevée et un procédé dédié, et le CMOS domine aujourd'hui.

Quel est le mode de lecture du signal d'un capteur d'image CCD ?

  1. ALes charges des pixels sont transférées successivement comme une chaîne de seaux et converties en tension à l'étage de sortie
  2. BUn amplificateur par pixel convertit en tension et la lecture se fait ligne par ligne
  3. CLa lumière est convertie directement en signal numérique
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Réponse : A. Les charges des pixels sont transférées successivement comme une chaîne de seaux et converties en tension à l'étage de sortie

Le CCD transfère les charges accumulées dans les pixels comme une chaîne de seaux en commutant successivement la tension des électrodes, et les convertit en tension par un unique amplificateur à l'étage de sortie. L'efficacité de transfert est très élevée (plus de 99,999 %) et l'unique amplificateur de sortie limite les dispersions entre pixels et le bruit. Mais il exige une tension de commande de plus de 10 V et un procédé dédié, consomme beaucoup et lit lentement ; il a donc été remplacé par le CMOS, sauf dans quelques domaines comme l'observation astronomique.

Avec l'obturateur déroulant (rolling shutter) d'un capteur d'image CMOS, pourquoi un sujet rapide apparaît-il déformé ?

  1. AParce que les instants d'exposition et de lecture sont décalés d'une ligne à l'autre
  2. BParce que tous les pixels sont exposés simultanément
  3. CEn raison de la disposition du filtre coloré
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Réponse : A. Parce que les instants d'exposition et de lecture sont décalés d'une ligne à l'autre

Avec l'obturateur déroulant, les pixels sont exposés et lus ligne par ligne ; l'instant de prise de vue diffère donc de quelques ms à quelques dizaines de ms entre les lignes du haut et du bas. Un sujet rapide apparaît alors déformé en biais, et le scintillement des tubes fluorescents produit des bandes. L'obturateur global, qui expose tous les pixels simultanément, ne provoque pas de déformation et sert aux caméras d'inspection industrielle et à l'automobile, mais il nécessite dans le pixel un circuit de stockage temporaire des charges, ce qui agrandit le pixel.

  1. Quel est l'objectif du double échantillonnage corrélé (CDS) utilisé pour la lecture des capteurs d'image CMOS ?
  2. Quelle est la définition du capteur d'image CMOS empilé ?
  3. Quel est le principal avantage du capteur d'image CMOS rétroéclairé (BSI) ?

Questions d'entraînement sur Capteurs d'images et composants optiques

Termes clés expliqués

Capteur d'image CMOS
Capteur d'image fabriqué en technologie CMOS, avec un circuit d'amplification par pixel. Faible consommation et intégration possible des circuits périphériques ; standard des caméras de smartphones.
Capteur d'image CCD
Capteur d'image qui transfère les charges des pixels de proche en proche, comme une chaîne de seaux, et les convertit en tension à l'étage de sortie. Faible bruit et haute qualité d'image, mais forte consommation ; il a été remplacé par le CMOS dans la plupart des usages.
Capteur d'image CMOS empilé
Capteur d'image dont la matrice de pixels et les circuits de traitement du signal sont fabriqués sur des puces distinctes puis superposées et assemblées. Chacune utilise le procédé adapté, ce qui réduit la taille et accélère le traitement.

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