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Technologie innovante : les capteurs SenSWIR de Sony

24 novembre 2021

Interview de Danny Hesse, Portfolio Manager chez STEMMER IMAGING

Avec ses nouveaux capteurs SenSWIR, Sony a ouvert la voie au développement de l’acquisition d’images dans l’infrarouge à ondes courtes : grâce à leur architecture innovante, ces capteurs InGaAs permettent pour la première fois d’acquérir des images dans le spectre visible et infrarouge à ondes courtes. Ils redéfinissent également le standard de taille de pixel et d’homogénéité d’image.

Notre portfolio manager Danny Hesse explique en quoi les nouveaux capteurs SenSWIR sont uniques et quels types d’applications peuvent en profiter.

Danny Hesse, Portfolio Manager chez STEMMER IMAGING

Qu’est-ce qui différencie les nouveaux capteurs numériques SenSWIR de Sony des capteurs InGaAs standards pour la vision dans l’infrarouge à ondes courtes ? Quels sont leurs avantages ?

Une différence majeure entre les capteurs SenSWIR et les capteurs InGaAs standards réside dans leur structure. On peut noter quatre caractéristiques différentes, chacune avec ses avantages particuliers : la petite taille des pixels, la grande homogénéité de l’image, la correction automatique du courant d'obscurité et la fine couche de phosphure d’indium.

Sur les capteurs InGaAs standards, la taille des pixels se situent entre 15 µm pour les capteurs VGA et 10 µm pour les capteurs SXGA. Grâce à une technique différente de connexion cuivre/cuivre, les capteurs SenSWIR peuvent quant à eux réduire la taille des pixels à 5 µm seulement. L’avantage : la technologie SenSWIR permet d’obtenir des résolutions plus élevées, avec un capteur plus petit, et donc des caméras plus compactes.

Architecture comparée du capteur SenSWIR et InGaAs standard. Image : Allied Vision Technologies

Efficacité quantique des capteurs SenSWIR de Sony en fonction de la longueur d’onde. Image : Allied Vision Technologies GmbH

Sony est le premier fabricant à avoir réussi à maintenir l'efficacité quantique à un niveau relativement élevé (>50 %) sur l'ensemble du domaine spectral, ce qui n’est pas le cas des capteurs InGaAs standards. Le coût total du système peut ainsi être réduit, en particulier pour les applications multispectrales, car une seule caméra suffira.

Autre nouveauté : les capteurs SenSWIR ont des pixels blindés qui ne sont pas exposés à la lumière. La correction automatique du courant d'obscurité devient ainsi possible.

Même recouverts et en l’absence d’une quelconque exposition à la lumière, les capteurs génèrent des signaux de faible intensité causés par la formation de charges thermiques libres spontanées. Ce phénomène s'appelle courant d’obscurité (dark current).

Ces pixels sont utilisés pour déterminer en temps réel la valeur moyenne du signal d’obscurité. Lorsque la correction automatique du niveau d’obscurité est activée, cette valeur moyenne mesurée est déduite automatiquement de la valeur de chaque pixel effectif.

Cette correction s'effectue directement sur le capteur et non dans le FPGA de la caméra, comme c’est habituellement le cas sur les capteurs InGaAs standards. Cela permet de réduire les ressources matérielles nécessaires côté caméra et d'obtenir des temps de réponse nettement plus rapides.

De plus, les capteurs SenSWIR présentent une homogénéité de pixels beaucoup plus élevée que les capteurs InGaAs traditionnels. Seule une inspection très pointilleuse peut révéler un certain manque d’uniformité des capteurs SenSWIR. Ce phénomène augmente en même temps que la température du capteur. Refroidir le capteur est donc toujours utile pour réduire à la fois le courant d'obscurité et le manque d'uniformité des données du capteur quand l'exposition est longue ou lors d'applications à températures élevées où l'homogénéité de l'image et la reproductibilité des résultats sont indispensables.

Une correction de non-uniformité (NUC) effectuée côté caméra permet de choisir une température de capteur modérée afin de réduire la consommation d'énergie de la caméra et renforcer du même coup l'efficacité du refroidissement du capteur. Toutefois, même sans NUC ou refroidissement, les capteurs SenSWIR donnent de meilleurs résultats que les capteurs InGaAs.

Quelles caméras proposent aujourd’hui les nouveaux capteurs SenSWIR ?

Allied Vision est l'un des premiers fabricants de caméras à avoir utilisé les nouveaux capteurs InGaAs SenSWIR de Sony pour sa série de caméras SWIR Goldeye. Ces caméras sont ainsi sensibles à la fois au spectre visible et à l'infrarouge à ondes courtes (SWIR). La nouvelle Goldeye est équipée d'une interface Gigabit Ethernet selon la norme GigE Vision. Grâce au Power over Ethernet, l'alimentation électrique et les données passent par le même câble. Le câblage du système est donc simplifié, et les coûts d'intégration diminuent.

Sa construction modulaire permet en outre d'utiliser différents filtres et objectifs à monture C, F ou M42. Par ailleurs, le système de refroidissement thermoélectrique du capteur est intégré et fonctionne en une seule étape. Il garantit ainsi une qualité d'image constante, même en cas d'utilisation prolongée dans des conditions variables. Des modèles avec interface CameraLink suivront prochainement et complèteront la gamme SWIR.

Allied Vision va également intégrer les capteurs SenSWIR dans sa série de caméras Alvium à interface USB3 Vision et Mipi CSi2. Extrêmement compactes et peu énergivores, ces caméras s’intègrent facilement dans les systèmes grâce à des trous de fixation présents sur les différents côtés.

Le mariage exclusif du concept de caméras Alvium avec les capteurs SenSWIR permettra de réaliser de nombreuses applications encore inédites, notamment l'utilisation de drones dans l'agriculture.

Pour quels types d'applications les nouveaux capteurs SenSWIR sont-ils particulièrement intéressants ?

Les capteurs SenSWIR étendent les possibilités d'utilisation de la vision industrielle au-delà du spectre visible.

Cette technique est particulièrement intéressante pour les domaines d'application qui ont besoin d’une grande flexibilité au niveau de l'analyse spectrale et de la reconnaissance d'objets, ainsi qu'une détection précise des détails.

Les exemples suivants me viennent à l'esprit :

  • Contrôle-qualité de récipients en plastique sur des lignes de production pour détecter les défauts d'impression et les anomalies sur les pots de yaourt, les briques de lait ou de jus de fruits.
  • Tri de produits alimentaires en fonction de leur teneur en eau et de leur absorption de la lumière SWIR, comme le sucre, le sel, les graines, les noix, etc.
  • Tri des plastiques et applications de recyclage
  • Tri des fruits et légumes en fonction de leur degré de maturité et de leur fraîcheur avant et après l'emballage.