Les capteurs à obturateur roulant répondent de manière économique à la tendance actuelle qui vise à obtenir toujours plus de pixels sur une surface active en constante réduction.
Un capteur d'images se définit selon de nombreuses caractéristiques. Depuis l'introduction des capteurs Cmos, le système d'obturateur est certainement l'une des plus connues. Ses avantages et inconvénients ont été rapportés dans d'innombrables articles. Alors pourquoi un nouvel article sur ce sujet?Tout simplement parce que certaines facettes de ce dispositif n'ont été que très peu mises en lumière jusqu'à ce jour, alors qu'elles n'ont jamais été aussi actuelles qu'aujourd'hui. Mais avant d'aller plus loin, il convient d'examiner la différence entre les deux modes d'exploitation principaux de la prise de vue, à savoir l'obturateur roulant (
Le trait distinctif majeur entre un obturateur global et un obturateur roulant réside dans le temps de réponse pendant la phase d'exposition. Avec un obturateur global,toutes les informations existantes sont d'abord supprimées des pixels,puis cet état est mesuré.Les pixels sont ensuite ouverts tous ensemble de manière électronique à la lumière,ce qui constitue le début de la phase d'exposition active. À la fin du temps d'exposition, les informations de chargement sont enregistrées simultanément dans une zone insensible à la lumière. Ces informations sont ensuite converties ligne par ligne en niveaux de gris par des capteurs Cmos, puis transférées.
Les capteurs Cmos actuels sont devenus si rapides que les informations des pixels sont transférées simultanément en série sur 24 câbles maximum, ce qui constitue un défi extrême pour les circuits électroniques suivants. Que ce soit pour un circuit logique programmable de type FPGA, un circuit Asic ou un jeu de puces USB ou Ethernet. Mais le gros avantage réside dans le fait que les images prises avec un pixel à obturateur global sont exemptes de tout artefact généré par le mouvement puisqu'il s'agit d'instantanés, de clichés.
Prise de vue et lecture
La tendance actuelle qui vise à obtenir toujours plus de pixels sur une surface en constante réduction aboutit à un compromis extrême, car un pixel doit abriter beaucoup de composants. Pour parvenir à des pixels encore plus petits ou pour permettre à un smartphone d'afficher une résolution en mégapixels à deux chiffres, le pixel doit tenir dans la plage du 1µm. Cela oblige à abandonner des composants, tels que la mémoire tampon dans le pixel. Une prise de vue globale à un moment précis n'est alors plus possible. Mais une solution existe: la détermination de la fin de l'exposition par la lecture directe des informations. Dans la mesure où les lignes sont transmises les unes après les autres, il s'agit d'un enregistrement dit roulant, d'où la désignation d'obturateur roulant (
Les derniers capteurs Cmos sont 5 à 10 fois plus rapides. Et 500 mégapixels par seconde ou 120 ou 240 images par seconde sont désormais la norme. Les nouvelles technologies de conversion et les interfaces électriques y ont largement contribué. Le temps d'obturation de 4ms qui en résulte, dans le cas d'une cadence de 240 images par seconde, améliore nettement la manipulation. De fait, si le sens de déplacement de l'obturateur concorde avec celui de l'objet, on n'observe quasiment pas de distorsions géométriques parasites. Et désormais, l'inspection de bande fait généralement appel à une caméra à obturateur roulant montée à la verticale. La tâche classique qui consiste à surveiller la circulation à partir d'un pont ou du poteau d'un feu tricolore aligné directement sur un objet en approche est maintenant possible pour de la ROC ou de la reconnaissance d'objets avec des capteurs plus abordables. Cela vaut également pour le cas inverse: pour les applications pour lesquelles l'objet est immobile et la caméra mobile (bus, trains ou lecteur manuel de codes-barres), nul besoin aujourd'hui de recourir à un capteur à obturateur global onéreux.
Ces images illustrent la comparaison de la vitesse d'obturation des capteurs à obturateur roulant d'ancienne génération (image de gauche [1a]) avec celle des capteurs actuels (image à droite [1b]). Le panneau latéral de la voiture de course (la vitesse mise à l'échelle d'un véhicule routier est d'environ 205 km/h) est lisible et exploitable.
La reconnaissance transversale par rapport à la caméra des codes-barres sur des objets en rotation produit des codes illisibles (illustration à gauche). Une rotation à 90° de la caméra y remédie et le code-barres devient lisible et exploitable.
Un capteur à obturateur roulant présente deux autres avantages par rapport à son homologue à obturateur global: Tout d'abord une meilleure qualité d'image grâce à l'abandon de la mémoire tampon: à la fin du temps d'exposition, la valeur relative à la luminosité est «sauvée par élimination» dans une cellule mémoire du pixel à obturateur global. Avec les capteurs très mo-dernes, les électrons ou la tension réelle déjà convertie peuvent ainsi être stockés. Sur la durée et avec les variations de température, ces informations peuvent être altérées, car la dernière ligne attend la durée totale d'une trame pour l'extraction finale. Selon la conception des capteurs, la formation de pixels défectueux est alors renforcée et le niveau de noir ainsi que le bruit numérique sont accrus. En revanche, le capteur à obturateur roulant convertit directement l'information relative à la luminosité, sans cette étape intermédiaire.
Ensuite, il n'existe pas d'image fantôme: un capteur à obturateur global peut produire des images fantômes gênantes lors de prises de vue à la lumière du soleil. En effet, il s'agit d'une situation extrême pour tout capteur: énormément de lumière et un temps d'exposition simultané très court dans des grandeurs comprises entre 10 et 30 µs. Les informations en mémoire tampon ne sont également pas exposées directement à la lumière après la prise de vue et avant la lecture. Les électrons traversent la photodiode et génèrent une post-exposition. Les images fantômes en sont la conséquence, cela signifie que le déplacement de l'objet peut aussi être constaté une fois le temps d'exposition terminé sous la forme d'une superposition sur l'image. Un capteur à obturateur roulant ne présente pas cette particularité.
Capteurs Starvis de Sony
L'entreprise Sony propose une nouvelle gamme de capteurs à obturateur roulant avec la série Starvis. Cette gamme est optimisée pour la qualité de l'image. Le bruit des capteurs Starvis est extrêmement faible: 2 électrons/s seulement. Étant donné que le pixel possède lui-même peu de composants, il est capable de stocker plus de charges avec la photodiode plus volumineuse. Cette grande capacité de charge, associée au faible bruit de fond du capteur, aboutit àla très haute dynamique souhaitée. Pour un grand nombre d'applications, ce point constitue l'un des paramètres les plus importants.
Un autreavantage des capteurs àobtu-rateur roulant Starvis est la possibilité d'une pose B. Dans l'implémentation IDS, les capteurs parviennent àun temps d'exposition de 120 secondes. Cela permet une mise en œuvre dans de nouveaux domaines d'application, tels que la microscopie et l'analyse,où la présence de lumière est souvent faible et nécessite par conséquent un long temps d'exposition. La vitesse du déplacement de l'objet ne joue ici en général aucun rôle,cequi rend obsolète l'utilisation d'un capteur àobtura-teur global onéreux.
Les caméras IDS avec capteurs àobtura-teur roulant sont souvent utilisées dans le vaste domaine de l'assurance qualité, par exemple. Peu importe que les échantillons soient positionnés ou que les machines soient configurées visuellement, la quantité et la qualité des denrées alimentaires sont soigneusement vérifiées.Les denrées sont ensuite triées ou leurs surfaces,analysées et contrôlées lors des processus d'impression et d'en-robage.Parmi lesautresdomaines d'application dans lesquels ces capteurs ont fait leurs preuves, citons la médecine,la biologie, la science, le trafic, les kiosques, la lectureetladétection.
La photo àgauche (2a) aété prise avec un capteur àobturateur global (global shutter)avec un temps d'exposition extrêmement court et un gain élevé. La trace de zones claires dans l'image (à côté du connecteur USB, par exemple) est nettement visible;àdroite (2b), avec un capteur àobturateur roulant (rolling shutter), l'image ne présente aucun artefact.
Les capteurs IMX178 et IMX290 Sony de la série Starvis mis en œuvrepar IDS dans diverses caméras industrielles avec interfaces USB 3.0, USB 3.1 Gen.1 et GigE permettent ainsi d'élaborer des solutions de très grande valeur,pour des projets sensibles en termes de prix, avec des volumes moyens àimportants.En particulier lorsqu'elles sont combinées aux caméras sur carte USB 3.1 Gen 1uEye LEd'IDS, elles offrent de nombreuses options de personnalisation, telles que la possibilité de choisir entre une monture M12, C/CS ou une variante sur carte pure.
