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Les capteurs d’images pour garder un œil sur la Terre

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Les capteurs d’images CMOS sont devenus les yeux déportés de l’Homme. Ils équipent tous nos smartphones et appareils photo et leur champ d’applications scientifiques s’étend de la Terre à l’espace et inspectent tous les milieux hostiles. Ils constituent un domaine de recherche de pointe pour l’observation de la terre, des effets climatologiques et des mesures radiométriques.

pitch recherche / JPO 3
Capteur CMOS

Le capteur CMOS est un capteur d’images qui permet de convertir un rayonnement électromagnétique dans le proche-infrarouge, le visible, en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié, numérisé et traité pour obtenir une image numérique visible sur un écran ou enregistrable. Il est le composant de base des appareils photo et des caméras numériques, l’équivalent du film ou de la pellicule pour la photographie argentique.

Le groupe de recherche Capteur d’image Microélectronique (Département Electronique Optronique et Signal - ISAE-SUPAERO) conçoit et réalise aussi des capteurs d’images, du cousu main pour des applications scientifiques sur-mesure.

Les chercheurs développent leur expertise dans le domaine spatial et le nucléaire, domaines dans lesquels les radiations endommagent les capteurs et détériorent l’information recueillie. Le secteur de l’énergie nucléaire est demandeur de ces capteurs optiques résistant aux radiations pour inspecter les installations et éventuellement visualiser les réactions de fusion.

L’équipe de recherche est considérée comme la spécialiste du domaine pour réaliser des capteurs résistant à des taux de radiations extrêmes. Le spatial est lui aussi client du laboratoire pour la recherche appliquée au développement, sur une dizaine d’années, des satellites d’observation.

pitch recherche / JPO 2
Phase de conception des capteurs optiques d’images

Le capteur doit répondre à un cahier des charges précis de l’industriel qui définit la plupart des performances exigées comme le nombre de pixels, la sensibilité pour une longueur d’onde donnée, la netteté ou encore la capacité à s’affranchir des effets d’éblouissement (ex. les pare-brises).

« Nous faisons de la photo, mais en développant des capteurs d’images et leur méthode de mesure, pour l’observation dans le visible et le proche infra-rouge » précise Olivier Marcelot, ingénieur de recherche, qui travaille sur les aspects matériaux des capteurs. Il cherche à améliorer les performances optiques du capteur comme sa netteté,
sa sensibilité en changeant et en optimisant les matériaux qui le composent.

Zoom sur la naissance d’un capteur en labo

Chaque chercheur du groupe a son domaine de spécialités que ce soit dans le radiatif, la réduction du bruit, ou la mesure. Ils sont épaulés par des ingénieurs de développement, des designers qui dessinent la centaine d’étapes nécessaire à la fabrication d’un capteur d’images, avec une précision d’une dizaine de nanomètres. Pour réduire les coûts et les temps de fabrication, des outils de simulation électrique, physique et optique, vont permettre de choisir et de mieux définir l’architecture des capteurs à embarquer afin d’atteindre l’objectif cible. Le département dispose de salles propres avec plusieurs salles noires équipées de bancs optique où la puissance et les longueurs d’ondes peuvent être contrôlées pour tester le capteur et en vérifier les mesures. Les fichiers informatiques sont ensuite envoyés en usine rigoureusement choisie pour fabrication.

pitch recherche / JPO
Phase de conception des capteurs optiques d’image

Des recherches pour imaginer le futur

Les domaines à explorer restent nombreux. Les recherches se focalisent aussi pour améliorer la sensibilité des capteurs dans le proche-infrarouge pour des applications d’observation de la terre. Le groupe travaille également sur des imageurs polarisants, application utile par exemple pour l’infanterie. En effet, les soldats portent des casques équipés de caméras filmant dans le visible, éventuellement dans l’infrarouge pour la vision nocturne et polarisant pour aider à l’identification des objectifs hostiles…

L’espace est toujours un domaine d’application de ces recherches. Pour améliorer l‘observation de la Terre, des capteurs intelligents, avec des fonctions de traitement des données intra pixel seront embarqués dans les satellites. Avoir une vision du monde plus nette pour anticiper davantage notre avenir.

Focus sur un doctorant

La thèse d’Alexandre Le Roch en microélectronique est l’une des sept menées au Département Electronique, Optronique et Signal (DEOS) de l’ISAE-SUPAERO. Ses travaux portent sur l’étude des effets des radiations spatiales et nucléaires sur les capteurs d’images CMOS pour l’amélioration des instruments spatiaux et le diagnostic plasmatique pour la fusion nucléaire. Plus spécifiquement, il mène des recherches sur les défauts de silicium induits par les radiations responsables de l’augmentation du courant d’obscurité ainsi que de ses fluctuations discrètes.

Il est encadré dans ses recherches par deux directeurs de thèse, Vincent Goiffon de l’ISAE-SUPAERO et Cédric Virmontois du Centre National d’Etudes Spatiales (CNES). Cette thèse est réalisée en collaboration avec le CNES et le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

Le saviez-vous ?

Les capteurs d’image des smartphones sont de quelques millimètres carrés et le pixel mesure quelques microns (µm) de côté. Les pixels des capteurs d’image pour les applications scientifiques peuvent faire jusqu’à plusieurs dizaines de µm de côté. Ce sont des capteurs de plusieurs centimètres de côté qui sont par exemple embarqués dans les foyers des télescopes des satellites d’observation comme Spot Image. Le système de miroirs focalise l’image sur le capteur pour observer la Terre avec une grande précision et d’une très haute résolution.

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