Rien n’ar­rête la pro­gres­sion des cap­teurs d’images

As­tuces ar­chi­tec­tu­rales, em­pi­le­ment de puces, nou­veaux ma­té­riaux… Comme le dé­montrent les mo­dèles pré­sen­tés du­rant ISSCC, les fa­bri­cants d’ima­geurs ri­va­lisent d’ima­gi­na­tion pour en re­pous­ser les li­mites.

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As­tuces ar­chi­tec­tu­rales, em­pi­le­ment de puces, nou­veaux ma­té­riaux… Comme le dé­montrent les mo­dèles pré­sen­tés du­rant ISSCC, les fa­bri­cants d’ima­geurs ri­va­lisent d’ima­gi­na­tion pour en re­pous­ser les li­mites.

Les pré­sen­ta­tions d’ima­geurs ont été nom­breuses lors de la der­nière con­fé­rence ISSCC, qui s’est te­nue en fé­vrier à San Fran­cis­co. Qu’il s’agisse d’ali­men­ter l’en­vo­lée des dé­fi­ni­tions té­lé­vi­suelles ou d’of­frir da­van­tage de fonc­tion­na­li­tés et de qua­li­té d’image dans l’en­com­bre­ment ré­duit d’un smart- phone, ces cap­teurs sont en ef­fet l’ob­jet de nom­breuses at­ten­tions. So­ny a ain­si ex­po­sé l’ar­chi­tec­ture d’un cap­teur à 1,46 mil­lion de pixels à ob­tu­ra­teur glo­bal (glo­bal shut­ter), et non pas à ob­tu­ra­teur dé­rou­lant (rol­ling shut­ter) comme c’est le cas pour la plu­part des ima­geurs haute dé­fi­ni­tion grand pu­blic. Rap­pe­lons qu’un ob­tu­ra­teur dé­rou­lant est plus simple à mettre en oeuvre : les si­gnaux étant cap­tu­rés co­lonne par co­lonne, leur cir­cu­la­tion et leur trai­te­ment sont ré­par­tis du­rant la prise de vue, et donc fa­ci­li­tés dans le cas d’ima­geurs à plu­sieurs mil­lions de pho­to- sites. Cette technique en­traîne tou­te­fois des ar­te­facts au ni­veau de l’image (dis­tor­sion dues aux mou­ve­ments du su­jet pho­to­gra­phié du­rant la phase d’ob­tu­ra­tion). L’ob­tu­ra­tion glo­bale, elle, im­plique soit de sto­cker si­mul­ta­né­ment les charges de tous les pixels au sein de mé­moires in­té­grées à chaque pho­to­site, soit d’ef­fec­tuer di­rec­te­ment la conversion ana­lo­gique-nu­mé­rique de ces charges, d’un seul coup, en ré­par­tis­sant un conver­tis­seur A/N par pixel. C’est cette deuxième voie qu’a choi­sie So­ny. Pas­sé maître dans l’art de l’em­pi­lage d’un ima­geur et de cir­cuits de trai­te­ment du si­gnal, le ja­po­nais a ici su­per­po­sé un cap­teur BSI (illu­mi­na­tion par l’ar­rière) fa­bri­qué en tech­no­lo­gie 90 nm et un cir­cuit en 65 nm em­bar­quant un ré­seau de 816 x 1 792 conver­tis­seurs A/N 14 bits ain­si qu’une mé­moire Sram ser­vant au double échan­tillon­nage à cor­ré­la­tion (CDS). Les com­pa­ra­teurs uti­li­sés pour la conversion ana­lo­gi­que­nu­mé­rique fonc­tionnent sous la ten­sion de seuil usuelle (sub-thre­shold), ce qui ré­duit de ma­nière si­gni­fi­ca­tive la consom­ma­tion de cette fonc­tion : « à ce stade du dé­ve­lop­pe­ment, c’est la par­tie nu­mé­rique qui consti­tue le prin­ci­pal foyer de consom­ma­tion, ce que nous pour­rons ré­duire en im­plé­men­tant des tech­niques

de clock ga­ting » , pré­cise Ma­sa­ki Sa­ka­ki­ba­ra, res­pon­sable de ces tra­vaux chez So­ny. In fine, l’ima­geur offre une dy­na­mique al­lant de 65,7 dB (consom­ma­tion de 654 mW) à 70,2 dB (746 mW) avec une fré­quence de capture culmi­nant à 660 images par se­conde.

L’ima­geur dé­tecte les mou­ve­ments

So­ny a éga­le­ment pré­sen­té à San Fran­cis­co un ima­geur BSI à puces em­pi­lées de 3,9 mil­lions de pixels bé­né­fi­ciant d’une fonc­tion de dé­tec­tion de mou­ve­ments et des­ti­né à des ap­pli­ca­tions à faible consom­ma­tion telles que des ca­mé­ras do­mes­tiques ou des as­sis­tants per­son­nels. Ba­sée sur les dif­fé­rences de lu­mi­no­si­té, la dé­tec­tion de mou­ve­ments s’ef­fec­tue à dé­bit ré­duit (dix images par se­conde) et en re­grou­pant les pixels par groupes de 16x5. Cha­cun de ces groupes as­so­cie des pho­to­sites à basse ca­pa­ci­té et d’autres à ca­pa­ci­té éle­vée, de ma­nière à étendre la dy­na­mique de dé­tec­tion à 96 dB pour cou­vrir la gamme al­lant de 1 à 64 000 lux. La consom­ma­tion dans ce mode dé­tec­tion est abais­sée à 1,1 mW seule­ment, alors qu’à pleine puis­sance (60 images par se­conde en 2 560 x 1 536 pixels) le cap­teur né­ces­site 95 mW. Dès lors qu’un mou­ve­ment est dé­tec­té, le cap­teur gé­nère une in­ter­rup­tion qui ré­veille le pro­ces­seur d’ap­pli­ca­tions, pro­cède à un cal­cul d’ex­po­si­tion et prend im­mé­dia­te­ment des cli­chés à pleine dé­fi­ni­tion. Le cap­teur uti­lise des pho­to­sites de 1,5 μm de cô­té et est fa­bri­qué dans une tech­no­lo­gie 90 nm 1,8 V spé­cia­li­sée pour l’illu­mi­na­tion par l’ar­rière ; la puce lo­gique qu’il sur­plombe (Sram, conver­tis­seurs ana­lo­gique-nu­mé­rique, al­go­rithmes de dé­tec­tion, in­ter­face MIPI) est, elle, pro­duite en 40 nm et ali­men­tée sous 1,8 V/1 V. De son cô­té, Pa­na­so­nic pour­suit les tra­vaux re­la­tifs à ses ima­geurs à film or­ga­nique pho­to­con­duc­teur, une tech­no­lo­gie concur­rente de celle em­ployée dans les cap­teurs Cmos si­li­cium usuels et qu’il des­tine aux ap­pli­ca­tions les plus exi­geantes comme les ca­mé­ras de té­lé­vi­sion ou de sur­veillance UHD. Le ja­po­nais pré­sen­tait à

San Fran­cis­co un mo­dèle 8K4K (8 800 x 4 548) à ob­tu­ra­teur glo­bal réus­sis­sant l’ex­ploit de com­bi­ner ra­pi­di­té (jus­qu’à soixante images par se­conde) et dy­na­mique éle­vée. Sa prin­ci­pale in­no­va­tion re­pose dans la pré­sence d’une fonc­tion d’an­nu­la­tion de bruit au sein de chaque pixel, ce qui ac­cé­lère consi­dé­ra­ble­ment la capture par rap­port aux mé­thodes tra­di­tion­nelles em­ployant un am­pli­fi­ca­teur à ré­tro­ac­tion sur chaque co­lonne pour sup­pri­mer le bruit de ré­ini­tia­li­sa­tion. Le cap­teur de Pa­na­so­nic dis­pose en outre de deux modes de fonc­tion­ne­ment. En mode haute sen­si­bi­li­té, avec an­nu­la­tion de bruit donc, la sa­tu­ra­tion (i.e. la charge maxi­male re­çue par chaque pho­to­site) est li­mi­tée à 45 ke- – ce qui s’avère dé­jà su­pé­rieur à bon nombre d’ima­geurs Cmos. En mode haute sa­tu­ra­tion, cette va­leur passe à 450 ke-, soit 10 dB de plus que l’état de l’art pour les cap­teurs si­li­cium. La fonc­tion ob­tu­ra­tion est réa­li­sée en bas­cu­lant la ten­sion ap­pli­quée à la couche ITO (in­dium tin oxide) re­liée à tous les pixels. En mo­du­lant cette ten­sion, il est par ailleurs pos­sible de faire va­rier la sen­si­bi­li­té de la couche or­ga­nique de dé­tec­tion, consti­tuant ain­si un moyen simple de mo­du­ler gra­duel­le­ment la sen­si­bi­li­té du cap­teur en fonc­tion de la lu­mi­no­si­té ex­té­rieure. Fa­bri­qué en tech­no­lo­gie 65 nm, l’ima­geur 8K4K pré­sen­té par Pa­na­so­nic af­fiche une vi­tesse d’ob­tu­ra­tion de 1/65 000 s et une ré­so­lu­tion de conversion A/N de 12 bits.

Mul­ti­pli­ca­tion des ima­geurs 8K

Éga­le­ment des­ti­né aux ca­mé­ras 8K, l’ima­geur Cmos pré­sen­té par les la­bo­ra­toires du ré­seau TV nip­pon NHK (ados­sé pour l’oc­ca­sion à Ha­ma­mat­su, et qui vise la re­trans­mis­sion en 8K des Jeux olym­piques de To­kyo en 2020) em­barque lui aus­si 33 mil­lions de pixels (8 464 x 4 352). L’objectif prin­ci­pal était de di­mi­nuer la taille de ce genre de cap­teurs géants, pour les­quels l’état de l’art se si­tue au for­mat op­tique 1,7 pouce, afin d’en amé­lio­rer l’en­com­bre­ment et la pro­fon­deur de champ et de sim­pli­fier l’op­tique. Mis­sion ac­com­plie : le cap­teur NHK uti­lise des pixels de 2,1 μm et s’ins­crit dans un for­mat op­tique de 1,25 pouce seule­ment. Autre in­no­va­tion : il offre trois modes de prise de vue dif­fé­rents, à savoir 120 images/se­conde en 14 bits avec double échan­tillon­nage à cor­ré­la­tion (CDS), 240 images/ se­conde en 12 bits sans sup­pres­sion de bruit et 480 images/ se­conde en 10 bits. Cha­cun de ces modes ex­ploite de ma­nière dif­fé­rente le conver­tis­seur ana­lo­gique-nu­mé­rique pi­pe­line à trois étages – un pre­mier étage

se rap­pro­chant d’un mo­du­la­teur del­ta-sig­ma, un se­cond de type cy­clique et un troi­sième à ap­proxi­ma­tions suc­ces­sives. À titre d’exemple, à 240 images/ se­conde, le pre­mier étage est shun­té et la sor­tie du bloc CDS est di­rec­te­ment échan­tillon­née par les deux autres étages qui agissent alors comme un CAN 12 bits. Le ni­veau de bruit, lui, bat des re­cords pour un ima­geur 8K se­lon NHK : 3,2, 4,3 et 27 e- à res­pec­ti­ve­ment 120, 240 et 480 images/se­conde, pour une sa­tu­ra­tion de 7 600 e- et une consom­ma­tion va­riant de 9 à 12,5 W. Pour sa part, Sam­sung est re­ve­nu sur sa der­nière gé­né­ra­tion d’ima­geurs BSI pour smart­phones, des mo­dèles à 24 mil­lions de pixels (for­mat op­tique 1/2,8 pouce) qui se dis­tinguent par un pas de pixel de 0,9 μm. Cette ré­duc­tion de la taille des pho­to­sites, in­dis­pen­sable pour ac­cu­mu­ler tou­jours plus de pixels sur une même taille de puce (et donc à prix cons­tant), n’est pas sans ef­fets né­ga­tifs sur la qua­li­té d’images si l’on y prend garde. Nor­mée à 100 % pour un pixel de 1,12 μm de cô­té, la ca­pa­ci­té to­tale d’un pho­to­site (full well ca­pa­ci­ty) chute par exemple à 76 % à 1 μm et à 59 % à 0,9 μm. La sen­si­bi­li­té, elle, di­mi­nue mé­ca­ni­que­ment de 35 % entre 1,12 μm et 0,9 μm, toutes choses égales par ailleurs. Pour com­pen­ser ce­la, la ré­ponse de Sam­sung est double. Tout d’abord, le sud-co­réen a op­té pour une iso­la­tion en tran­chées pro­fondes des­cen­dant jus­qu’à la base de la par­tie pho­to­sen­sible de la puce, et non plus par­tielle comme sur ses an­ciennes gé­né­ra­tions. Les pixels sont ain­si to­ta­le­ment cloi­son­nés, ce qui an­nule les in­ter­fé­rences entre eux (cross­talk) et l es phé­no­mènes d’éblouis­se­ment (bloo­ming) lors des­quels la charge d’un pixel « plein » tend à se dé­ver­ser sur les pixels voi­sins. Cette iso­la­tion com­plète a en outre l’avan­tage d’abais­ser le potentiel élec­trique du pho­to­site, qui de­vient en consé­quence plus simple à com­man­der. Sam­sung a en outre aug­men­té l’épais­seur du si­li­cium uti­li­sé de 48 %, ce qui créé des puits de charge plus pro­fonds et, donc, une dy­na­mique su­pé­rieure (gain de 5 % en­vi­ron). La lar­geur des tran­chées d’iso­la­tion a éga­le­ment pu être af­fi­née, aug­men­tant d’au­tant le vo­lume du puit

de charge qui at­teint fi­na­le­ment 6 ke-, soit 11 % de plus qu’avec les pho­to­sites 1 μm du fa­bri­cant. Le cross­talk passe, lui, de 17,2 % à 14 %, tan­dis que la perte de sen­si­bi­li­té est li­mi­tée, pas­sant de 2 920 e-/lux.s à 2 600 e-/lux.s.

TSMC aus­si em­pile les puces dans les ima­geurs

Éga­le­ment pré­sent à ISSCC, TSMC a van­té ses ima­geurs à puces em­pi­lées, une tech­no­lo­gie qui se gé­né­ra­lise puis­qu’on la re­trouve no­tam­ment chez So­ny et Sam­sung. Le mo­dèle pré­sen­té par le fon­deur taïwanais com­prend un cap­teur de 13,5 mil­lions de pixels (pas de 1 , 1 μ m, dé­fi­ni­tion de 4 224 x 3 200) fa­bri­qué dans un pro­cess BSI 45 nm, et un cir­cuit de trai­te­ment du si­gnal en Cmos 65 nm. Cet ima­geur op­ti­mi­sé pour la vi­déo couvre les

for­mats 4K2K (3 840 x 2 160, en ne pre­nant en compte que les pixels cen­traux), Full- HD (1 920 x 1 080, en sous-échan­tillon­nant le 4K2K d’un rap­port 2) et HD (1 280 x 720, sous-échan­tillon­nage d’un rap­port 3). Pour at­teindre des dé­bits de don­nées suf­fi­sam­ment ra­pides, on uti­lise gé­né­ra­le­ment un bloc de conversion ana­lo­gique-nu­mé­rique à rampe simple pour chaque co­lonne de pixels. « Mais les CAN des co­lonnes non uti­li­sées res­tent in­ac­tifs du­rant le sous-échan­tillon­nage, ce qui est loin d’être op­ti­mal », re­marque Po-Sheng Chou, res­pon­sable de ce dé­ve­lop­pe­ment chez TSMC. La so­lu­tion adop­tée ici consiste à uti­li­ser tous les conver­tis­seurs ana­lo­gique- nu­mé­rique de ma­nière à boos­ter les per­for­mances du cap­teur, dont la fré­quence de capture de 34 images/se­conde à pleine dé­fi­ni­tion est por­tée jus­qu’à 200/230 images/se­conde en 1080p et à 450/514 images/ se­conde en 720p (res­pec­ti­ve­ment sur 12/11 bits). L’uti­li­sa­tion de tous les conver­tis­seurs A/N est ren­due pos­sible par l’ajout d’une ma­trice de com­mu­ta­tion de co­lonnes entre le ré­seau de pho­to­sites et ces CAN. En sous-échan­tillon­nage 3:1 pour la dé­fi­ni­tion 720p, la vi­tesse de capture se trouve alors mul­ti­pliée par neuf. In fine, l’ima­geur pré­sente un fac­teur de mé­rite (consom­ma­tion x bruit/dé­fi­ni­tion x fré­quence de capture) de 1,01 e-/nJ, à l’état de l’art se­lon TSMC.

FRÉ­DÉ­RIC RÉMOND

Cet ima­geur à puces em­pi­lées com­bine un cap­teur BSI 1,46 Mpixels à ob­tu­ra­teur glo­bal et un cir­cuit em­bar­quant un ré­seau de 816 x 1 792 conver­tis­seurs A/ N 14 bits ain­si qu’une mé­moire Sram ser­vant au double échan­tillon­nage à cor­ré­la­tion ( CDS).

Les ima­geurs à film or­ga­nique pro­gressent Pa­na­so­nic pour­suit les tra­vaux re­la­tifs à ses ima­geurs à film or­ga­nique pho­to­con­duc­teur avec ce mo­dèle 8K4K (8 800 x 4 548) à ob­tu­ra­teur glo­bal ra­pide (jus­qu’à 60 images par se­conde).

Pour com­pen­ser la ré­duc­tion de la taille de ses pho­to­sites de 1 μm ( à gauche) à 0,9 μm ( à droite), Sam­sung a amé­lio­ré l’iso­la­tion à tran­chées pro­fondes entre pixels et aug­men­té l’épais­seur du si­li­cium uti­li­sé.

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