Imagerie numérique ultrarapide

Le but des capteurs d’images est de retranscrire, le plus fidèlement possible, l’image d’un objet éclairé, ou d’une source lumineuse, formée par un système optique adéquat. Dans le cadre précis de l'imagerie numérique ultrarapide, la contrainte supplémentaire est d'effectuer cette opération de numérisation de l'image reçue en des temps très courts. La priorité est donc de disposer de capteurs électroniques très « sensibles », afin d'atteindre un rapport signal sur bruit satisfaisant en des temps d'exposition courts, et de pouvoir « rafraîchir » l'image le plus rapidement possible pour accueillir la vue suivante sur le capteur d'images. Pour des temps d'exposition extrêmement courts, de l'ordre de la nanoseconde, il est encore requis de placer des amplificateurs de lumière devant le capteur semi-conducteur. Ceci entraîne souvent une chute de la résolution spatiale des images, directement liée au gain temporel réalisé. Le capteur rapide est donc principalement caractérisé par sa fréquence (ou vitesse) d'acquisition en images/s (ou fr/s). Parmi les principaux types de semi-conducteurs utilisés, nous nous attacherons principalement à décrire les deux grandes familles de capteurs opto-électroniques utilisés de nos jours : les capteurs CCD et les capteurs CMOS, et leurs variantes :

• CCD (Charge Coupled Device), qui réalise les opérations de collection, transfert et conversion de la charge électrique générée par les photons incidents ;

• CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor), qui réalise les opérations de collection et conversion sur le site de collection de la charge générée par les photons incidents.

Dépasser les limites de l'acquisition rapide d'images (sensibilité, compromis résolution-fréquence et nombre total d'images acquises) est le défi constant pour les concepteurs, qui doivent rivaliser d'astuces technologiques pour augmenter les performances atteintes. Deux grandes catégories de caméras rapides émergent depuis 15 ans : caméras CMOS et caméras CCD à stockage sur site. Si les premières sont de pures avancées technologiques des capteurs CMOS standards couplées à des techniques de transferts rapides à bord d'une mémoire interne à large bande passante, les secondes sont en progrès constants et permettent d'acquérir et de transférer très rapidement une image vers un site de stockage géographiquement très proche, au sens du chip électronique, de son lieu de collection (l'image active). Ainsi, des techniques hybrides utilisant des processus proches du fonctionnement du CMOS sont mises en œuvre à bord d'une technologie CCD. La seule limite réside en la vitesse de déplacement des électrons à bord des sites de collection et de stockage.

Ces caméras doivent répondre à un ensemble précis de spécifications techniques, actuellement définies par les utilisateurs et les fabricants. Elles sont notamment décrites par la European Machine Vision Association, sous l'appellation EMVA1288. Nous aborderons différents points relatifs à ces descripteurs, parmi lesquels la sensibilité, la linéarité, la fonction de transfert de modulation ainsi que quelques défauts régulièrement rencontrés. La comparaison des caméras numériques avec les caméras à film a également entraîné la définition du standard de sensibilité équivalente ISO 12232 pour les caméras numériques, avec quelques difficultés liées à la bonne volonté des fabricants dans sa mise en application.

L'utilisation des caméras rapides est fortement croissante, pour des applications qui privilégient le besoin de ralenti ou décomposition temporelle. Il n'est pas toujours nécessaire de courir à la plus haute fréquence d'acquisition, sachant que la contrainte budgétaire et les compromis techniques incontournables sont souvent des arguments supplémentaires. Le dernier cri en acquisition rapide se négocie au-delà des 100 k€ ! Il est souvent obligatoire de réaliser un compromis vitesse/résolution/capacité lors de l'achat du système d'acquisition rapide.

Les systèmes d'analyse de mouvement sont en plein essor et permettent une décomposition fine, notamment dans le domaine sportif. La sécurité automobile fait couramment appel à l'acquisition rapide d'images, que ce soit en cas de crash test de véhicules à quelques milliers d'images par seconde, ou pour aider à la conduite en suivant des motifs à quelques centaines d'images par seconde. L'industrie de la défense en fait un usage intensif pour des raisons évidentes.

Mais le domaine de prédilection de l'imagerie rapide est la mécanique. En mécanique des solides, et notamment en mécanique de la rupture, où sont désormais atteints des niveaux de ralenti et de décomposition inégalés jusqu'alors, ou en mécanique des fluides, où l’on peut distinguer et suivre des particules dans des écoulements supersoniques. Tous ces moyens donnent aux scientifiques et aux ingénieurs la possibilité d'étudier finement les matériaux et les systèmes du futur.