Plus d’informations sur le capteur SPAD de Canon : obturateur global et 24 000 images par seconde

En juin 2020, Canon a annoncé avoir développé avec succès le premier capteur d’image à diode à avalanche monophotonique (SPAD) de 1 mégapixel au monde. Maintenant, Canon a publié un article à ce sujet, disant que ce capteur sera utilisé lorsque des vitesses de prise de vue ultra-élevées par seconde sont nécessaires. Combien de FPS ? Jusqu’à 24 000 images par seconde ! Cette capacité enrichit considérablement les possibilités en imagerie.

Comme l’indique le document publié par Canon : « Jusqu’à récemment, il était considéré comme difficile de créer un capteur SPAD à grand nombre de pixels. Sur chaque pixel, le site de détection (surface disponible pour détecter la lumière entrante en tant que signaux) était déjà petit. Réduire les pixels de manière à ce que davantage de pixels puissent être incorporés dans le capteur d’image entraînerait une réduction encore plus importante des sites de détection, ce qui entraînerait à son tour très peu de lumière entrant dans le capteur, ce qui constituerait également un gros problème ». Contrairement aux capteurs d’image CMOS traditionnels, le SPAD (diode à avalanche à un seul photon) comporte un élément électronique à chaque pixel qui reçoit un seul photon et le transforme en une « avalanche » d’électrons, ce qui entraîne une impulsion électrique relativement importante, et donc élévation de la sensibilité lors de la capture de photos. Cependant, les SPAD sont beaucoup plus difficiles à mettre à l’échelle pour permettre un nombre élevé de pixels. Néanmoins, Canon l’a résolu avec le premier capteur SPAD de 1 mégapixel au monde. Explorez la diapositive SPAD vs CMOS ci-dessous (par Canon).

Les capteurs SPAD et CMOS utilisent tous deux le fait que la lumière est composée de particules. Cependant, avec les capteurs CMOS, chaque pixel mesure la quantité de lumière qui atteint le pixel dans un temps donné, tandis que les capteurs SPAD mesurent chaque particule lumineuse individuelle (c’est-à-dire le photon) qui atteint le pixel. Chaque photon qui pénètre dans le pixel est immédiatement converti en une charge électrique, et les électrons qui en résultent sont finalement multipliés comme une avalanche jusqu’à ce qu’ils forment une grande charge de signal qui peut être extraite.

Les capteurs CMOS lisent la lumière comme des signaux électriques en mesurant le volume de lumière qui s’accumule dans un pixel dans un certain laps de temps, ce qui permet au bruit d’entrer dans le pixel avec les particules lumineuses (photons), contaminant ainsi les informations reçues. Pendant ce temps, les capteurs SPAD comptent numériquement les particules de photons individuelles, ce qui rend difficile l’entrée du bruit électronique. Cela permet d’obtenir une image nette.

Canon a incorporé une conception structurelle exclusive qui utilisait des technologies cultivées grâce à la production de capteurs CMOS à usage commercial. Cette conception a réussi à maintenir le taux d’ouverture à 100 % quelle que soit la taille des pixels, ce qui permet de capturer toute la lumière entrante sans aucune fuite, même si le nombre de pixels a été augmenté. Le résultat a été la réalisation d’un capteur SPAD sans précédent de 1 000 000 de pixels. Jetez un œil à la diapositive ci-dessous qui illustre les défis et les solutions de Canon concernant le développement de SPAD à grand nombre de pixels.

Le capteur SPAD que Canon a développé est également équipé d’un obturateur global qui peut capturer des vidéos de sujets en mouvement rapide tout en gardant leurs formes précises et sans distorsion. Contrairement à la méthode de l’obturateur roulant qui expose en activant les rangées consécutives de pixels d’un capteur l’une après l’autre, le capteur SPAD contrôle l’exposition sur tous les pixels en même temps, réduisant le temps d’exposition à 3,8 nanosecondes et atteignant une fréquence d’images ultra-élevée jusqu’à 24 000 images par seconde (fps) en sortie 1 bit. Cela permet au capteur de capturer des vidéos au ralenti de phénomènes qui se produisent dans des délais extrêmement courts et qui étaient auparavant impossibles à capturer.

L’utilisation de la technologie SPAD avec l’élévation du nombre de pixels libère les possibilités en matière d’imagerie FPS ultra-élevée. Ce capteur SPAD est prématuré pour être utilisé sur des applications vidéo à haute vitesse, cependant, la technologie et les connaissances peuvent faciliter le développement d’un nombre de pixels plus élevé qui peut être suffisant pour une vidéo de haute qualité. Ainsi, je ne serais pas surpris que Canon annonce dans quelques années son premier EOS ultra-rapide.