Lors de la conception dune solution utilisant un capteur dimage numérique CMOS à matrice de pixels actifs, il est essentiel de prendre en compte un grand nombre de spécifications. Par exemple, la résolution du capteur, le format optique, le type dobturateur, le taux dimages maximal, la plage dynamique, le rapport signal sur bruit (SNR) et la structure des pixels, entre autres. Pour compliquer les choses, il faut également considérer les caractéristiques/fonctions du capteur telles que la consommation électrique, linterface, le type de boîtier, le traitement HDR intégré et les zones dintérêt. Le meilleur choix nest pas toujours évident.

Pour aider à filtrer ces spécifications et fonctions, une considération importante est lapplication prévue du capteur. Certaines applications nécessitent une très haute résolution pour capturer des objets immobiles, tandis que dautres doivent détecter des objets en mouvement rapide et être capables de reproduire un effet "figé". Une autre considération applicative importante est la consommation électrique. Pour les installations fixes, la consommation du capteur peut ne pas être cruciale. Mais dans les applications portables, le capteur doit fonctionner sur batterie, donc son efficacité énergétique devient primordiale.

Lors du choix dun capteur, le point de départ le plus approprié est la vitesse de lapplication, cest-à-dire la vitesse de déplacement de lobjet. Cela déterminera le type dobturateur nécessaire. Dans le domaine des capteurs dimage numériques, il nexiste principalement que deux options : lobturateur roulant et lobturateur global.

Considérations sur les capteurs dimage

Obturateur roulant

Un capteur dimage numérique est une matrice de pixels disposés en lignes. Avec un capteur à obturateur roulant, chaque ligne de la matrice est exposée séquentiellement, du haut vers le bas. En dautres termes, les temps dexposition de lignes adjacentes diffèrent légèrement (appelé temps de ligne), avec un écart denviron 10 microsecondes entre elles.

À lopposé, lobturateur global expose simultanément chaque pixel de la matrice. Ces capteurs doivent posséder des pixels avec des "neuds de stockage" capables de conserver la charge pendant toute la lecture du capteur. Les obturateurs roulant et global ont chacun leurs avantages et inconvénients.

Comparé à lobturateur global, lobturateur roulant est plus rentable et plus facile à implémenter. Dans les capteurs à obturateur global, les nœuds de stockage sont sensibles à la lumière parasite, ce qui entraîne souvent un bruit plus élevé. De plus, le nœud de stockage se trouve à côté du pixel, ce qui impose des limitations sur la taille des pixels. En contrepartie, linconvénient de lobturateur roulant est quil est sujet aux artefacts de mouvement lors de la capture dobjets en déplacement rapide.

En raison de lexposition séquentielle des lignes, des distorsions spatiales apparaissent lors de la prise de vue dobjets en mouvement. De même, comme différentes zones de la matrice sont capturées à des moments différents (potentiellement sous des conditions déclairage différentes), elles peuvent également être affectées par un éclairage non corrélé.

Par conséquent, lobturateur roulant nest pas performant pour capturer des objets en mouvement, mais constitue un excellent choix pour les applications statiques à haute résolution.

Obturateur global

Lobturateur global est adapté aux scénarios où lobturateur roulant est insuffisant, notamment pour les objets en mouvement rapide, en particulier ceux à vitesse angulaire élevée. Les applications où lobturateur global excelle incluent la vision augmentée (AV), la réalité virtuelle (VR), la vision industrielle (MV) et tout environnement à forte vibration, comme les lecteurs de codes-barres et les applications robotiques.

Lobturateur global présente également dautres avantages : comme toute la matrice est exposée simultanément, il peut être directement synchronisé avec dautres obturateurs globaux ou sources lumineuses (comme les flashes). Étant donné quil na pas à gérer léclairage non corrélé, il est plus facile de mettre en œuvre un contrôle automatique de lexposition.

Considérations sur les performances de lobturateur global

La première étape pour évaluer les performances dun obturateur global est de se référer à ses spécifications démontrées. Lors de lévaluation dun capteur à obturateur global, il faut considérer à la fois des indicateurs orientés application et des indicateurs orientés performance. Les indicateurs orientés application vous aident à sélectionner un capteur adapté à une application spécifique au sein dune gamme de produits particulière, tandis que les indicateurs orientés performance vous permettent de comparer les produits de différents fabricants.

La méthode la plus simple consiste à commencer par les indicateurs orientés application. Les cinq principaux indicateurs déterminés par lutilisation finale sont les suivants :

1. Résolution
2. Format optique
3. Efficacité de lobturateur global (GSE)
4. Taux dimages
5. Consommation électrique

La priorité de ces cinq indicateurs varie en fonction des exigences spécifiques de lutilisation finale. Par exemple, une application haute résolution peut nécessiter une résolution de 2 mégapixels (MP) et un format optique de 1/2,8 pouce, tandis quune application basse résolution peut seulement nécessiter une résolution VGA et un format optique de 1/8 pouce.

Taux dimages

Le taux dimages est mesuré en images par seconde (fps) et indique le nombre dimages quun capteur peut prendre en une seconde. La capture dobjets se déplaçant rapidement nécessite un taux dimages élevé pour éviter le flou.

Efficacité de lobturateur global (GSE)

Comme mentionné ci-dessus, la GSE est un ratio qui représente la capacité de lobturateur global à supprimer la lumière parasite. Elle est généralement spécifiée pour une longueur donde et une ouverture (f/stop) données. Une valeur plus élevée indique de meilleures performances.

Efficacité énergétique

Loptimisation de la faible consommation dans les applications grand public est cruciale lors du développement, en particulier pour les casques de réalité augmentée (AR), réalité virtuelle (VR) et réalité mixte (MR). De plus, les robots mobiles autonomes (AMR) et les lecteurs de codes-barres portatifs sont quelques exemples dappareils alimentés par batterie dans le domaine industriel. En améliorant lefficacité énergétique de ces appareils, on peut prolonger considérablement leur durée de fonctionnement, réduisant ainsi la fréquence de charge et améliorant lexpérience utilisateur globale. Les autres indicateurs sont orientés performance et peuvent être utilisés pour comparer les produits de différents fabricants.

Rapport signal sur bruit (SNR)

Le SNR est mesuré en décibels (dB) et spécifié comme une valeur maximale. Cest une méthode pour évaluer les performances du capteur dans des conditions de signaux faibles (cest-à-dire en basse lumière). Une valeur plus élevée indique de meilleures performances. Le SNR maximal (SNRmax) reflète fidèlement la capacité de puits linéaire (linear full well, LFW), cest-à-dire essentiellement le nombre de photons quun pixel peut capturer.

Plage dynamique

La plage dynamique, également exprimée en dB, représente le rapport entre le signal dentrée maximal mesurable et le signal dentrée minimal mesurable (cest-à-dire le niveau de bruit). Elle indique la capacité du capteur à gérer différents niveaux de signaux dentrée dans une même scène. Plus la valeur en dB est élevée, mieux cest. Un tunnel est un bon exemple de scène nécessitant une plage dynamique élevée, car lintérieur du tunnel peut être sombre tandis que la lumière extérieure est vive. Le capteur doit être capable de sadapter à ces deux conditions dans la même scène.

Outre les indicateurs de performance, certaines applications peuvent exiger que le capteur possède certaines caractéristiques pour remplir des fonctions spécifiques ou offrir des capacités uniques. Tous les capteurs à obturateur global ne disposent pas de ces fonctionnalités. Les exigences de lapplication détermineront les fonctionnalités nécessaires et les capteurs envisageables.

Capteurs synchronisés

Lun des avantages de lobturateur global qui expose toute la matrice en une seule fois est que linstant dexposition peut être précisément synchronisé avec dautres événements (comme dautres capteurs et flashes).

Grâce au mode "déclenchement" des capteurs synchronisés, il est possible de contrôler un flash pour un éclairage actif précis, ou de synchroniser plusieurs caméras pour des prises de vue stéréoscopiques ou grand écran.

Exposition automatique intégrée

La fonction dexposition automatique permet au capteur de contrôler automatiquement le gain et lexposition en fonction des conditions déclairage données. Lexposition automatique est une fonction de base pour que le capteur sadapte aux conditions déclairage dynamiques.

En intégrant cette fonction directement dans le capteur, le contrôle de lexposition est accéléré, permettant une réponse en temps réel, alors quune dépendance vis-à-vis du contrôle hôte entraîne une réponse plus lente. Pour la plupart des applications à grande vitesse, lexposition automatique intégrée est indispensable.

Changement de scène

La fonction de changement de scène permet au capteur de basculer rapidement entre différents réglages (résolution, gain, exposition, taux dimages) pour sadapter à différentes scènes dimagerie. Dans de nombreux capteurs, ces "scènes" sont stockées et peuvent être modifiées dynamiquement via un seul registre.

Zones dintérêt (ROI) programmables et commutables

Les zones dintérêt dans une image sont des ensembles de pixels pertinents, principalement utilisés pour lanalyse dobjets. Les ROI permettent au capteur de se concentrer sur une zone spécifique en filtrant le reste. Cest une méthode pour optimiser le transfert et le traitement des données. Les ROI programmables rendent possibles les applications de vision par ordinateur en temps réel.

En résumé, les indicateurs orientés application, les indicateurs orientés performance et les fonctions spécifiques peuvent être combinés pour aider à sélectionner un capteur à obturateur global particulier parmi une gamme de capteurs, et à identifier le fabricant dont le capteur répond aux exigences de lutilisation finale.

Capteurs à obturateur global de la série Hyperlux SG

onsemi a développé une série de capteurs à obturateur global haute performance et de petite taille appelée Hyperlux SG, comprenant les produits ARX383, AR0145 et AR0235. Les capteurs de la série Hyperlux SG combinent une efficacité dobturateur global (GSE) leader de lindustrie avec une faible consommation électrique, ce qui les rend idéaux pour les applications portables et à fortes vibrations.

Figure 1 Série de capteurs dimage Hyperlux SG

La série Hyperlux SG utilise une conception de pixel à obturateur global nouvelle et innovante, optimisée pour capturer avec précision et rapidité les scènes en mouvement. Que ce soit dans des conditions de faible luminosité ou de forte lumière, elle produit des images nettes et à faible bruit.

Les capteurs de la série Hyperlux SG présentent les caractéristiques suivantes :

• Miroir horizontal/vertical, fenêtrage et binning de pixels
• Zones dintérêt (ROI) programmables
• Mode de déclenchement intégré pour la synchronisation
• Exposition automatique intégrée
• Contrôle de flash intégré
• Changement de scène
• Contrôle flexible des modes skip et binning (lignes et colonnes)

La gamme de capteurs offre des résolutions allant de VGA (640 x 480) à 2,3 mégapixels (1920 x 1200), des formats optiques allant de 1/8 pouce à 1/2,8 pouce, et des taux dimages allant jusquà 120 images par seconde, adaptés à diverses applications dimagerie à grande vitesse. Chaque spécification présente des avantages par rapport à dautres produits similaires, et cest la combinaison de performances et de fonctionnalités exceptionnelles qui rend la série Hyperlux unique sur le marché. Ces capteurs sont parfaitement adaptés aux applications à grande vitesse, notamment la lecture de codes-barres, la vision industrielle, les AMR, les AGV, lAV/VR/MR, les drones et la numérisation 3D.

Figure 2. Domaines dapplication de lHyperlux SG

Pour faciliter léducation sur les produits et la conception de systèmes, une plateforme de développement complète est également fournie, permettant un développement rapide du système. Elle comprend des fonctionnalités de test complètes pour évaluer le produit avant la conception, ainsi que des conceptions de référence à utiliser pendant la phase de conception.

Les capteurs à obturateur global sont le meilleur choix pour les applications dimage à grande vitesse. Une fois le type dobturateur choisi, il reste encore de nombreuses spécifications et fonctions à sélectionner pour garantir que le capteur est adapté à lapplication prévue.

Lors de lévaluation dun capteur à obturateur global, une considération importante à toujours garder à lesprit est lefficacité de lobturateur global (GSE). Sans une GSE suffisamment élevée, toutes les autres spécifications combinées peuvent encore produire des artefacts de mouvement inacceptables dans limage. Pour les applications exigeant une faible consommation, des performances élevées et une GSE élevée, onsemi a développé la série de capteurs à obturateur global Hyperlux SG.