La mécanique interne des capteurs CMOS mobiles : filtres Bayer et puits de photodiodes
Chaque photographie numérique capturée par un smartphone provient d'uneCapteur à pixels actifs CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). La surface du capteur au silicium est constituée de millions de puits de lumière microscopiques à photodiodes. Étant donné que les photodiodes au silicium sont intrinsèquement daltoniennes (mesurant uniquement l'intensité lumineuse totale), un réseau de filtres colorés en mosaïque microscopique appeléFiltre Bayerest collé à la surface du capteur selon un motif alterné de50 % de vert, 25 % de rouge et 25 % de bleumicro-lentilles.
Les photons lumineux frappent bien chaque photodiode, délogeant les électrons via l'effet photoélectrique pour accumuler une charge électrique. Les convertisseurs analogique-numérique (CAN) intégrés transforment cette charge en nombres numériques de 10 ou 14 bits. Un processeur de signal d'image (ISP) démosaique ces valeurs RVB brutes, effectue une réduction du bruit multi-images, un mappage de tons et produit des images vidéo impeccables à 30 à 60 FPS.
Diagnostic des défauts des capteurs : pixels morts, pixels chauds et rayonnement cosmique
Au cours du processus de fabrication des semi-conducteurs, ou en raison du rayonnement de fond naturel et des cycles thermiques, les puits de photodiodes individuels peuvent développer des micro-défauts :
- Pixels morts (noirs) :Se produit lorsque l'interconnexion électrique d'une photodiode tombe en panne complètement ou qu'un circuit de pixel court-circuite avec la masse. Le pixel produit une tension nulle quelle que soit la lumière entrante, se présentant comme un point noir permanent.
- Pixels chauds (rouge vif, vert ou bleu) :Causé par des dislocations du réseau cristallin de silicium qui permettent à l'énergie thermique de créer des paires électron-trou même dans l'obscurité absolue (fuite de courant d'obscurité). Les pixels chauds deviennent flagrants lors de longues expositions ou lorsque le capteur de l'appareil se réchauffe pendant un enregistrement vidéo prolongé.
- Pixels bloqués :Se produit lorsqu'un transistor reste verrouillé dans un état ouvert, saturant l'ADC et produisant une luminance à grande échelle (blanc pur ou couleur RVB complète) dans toutes les conditions d'éclairage.
Soustraction de trame sombre : la norme scientifique pour l'audit des capteurs
En astrophotographie professionnelle et en spectrométrie scientifique, la santé des capteurs est auditée à l'aide desoustraction de cadre sombre. En empêchant tous les photons incidents d'atteindre le capteur (obturateur fermé ou objectif recouvert), tout signal enregistré par la caméra représente un bruit thermique électronique pur et une fuite de photodiode. Le scanner en ligne de FlashSoft analyse ces images sombres avec un contraste amplifié pour détecter les pixels chauds isolés qui signalent une dégradation du capteur.