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DES CAPTEURS D'IMAGES RÉVOLUTIONNAIRES

Ridha Loukil

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DES CAPTEURS D'IMAGES RÉVOLUTIONNAIRES

La caméra à haute définition, mise au point par Hitachi Kokusai Electric, offre une sensibilité de 11 lux/F8.

© N.H.K ; D.R.

- Les Japonais développent des imageurs inédits capables de filmer la nuit sans éclairage artificiel. De quoi bouleverser l'imagerie numérique professionnelle.

Les intensificateurs de lumière et autres dispositifs d'imagerie lourds, utilisés aujourd'hui dans le militaire ou le médical, pourraient bientôt être relégués au rang des souvenirs. Des nouveaux capteurs d'images, à la fois ultrasensibles et compacts, s'apprêtent à sortir du labo. En développement exclusif au Japon, ils sont tellement sensibles qu'ils peuvent filmer la nuit, sans éclairage artificiel, simplement à la lumière de la lune ou des étoiles. De quoi bouleverser le monde de l'imagerie numérique. Dans la télévision et le cinéma bien sûr, mais aussi dans le médical, la biologie, la sécurité ou la défense. Les prototypes ont été dévoilés au dernier Ceatec à Tokyo, le plus grand salon de l'électronique au Japon.

Cette révolution est le résultat de plus de trente ans de recherches menées discrètement par un groupe d'industriels sous l'égide de la NHK, l'entreprise publique de télédiffusion nipponne. Elle repose sur deux innovations technologiques majeures. La première réside dans le photomultiplicateur Harp (High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor), utilisé comme cible capable de recueillir le peu de lumière disponible la nuit et de la transformer en un courant électrique assez puissant pour être détectable. Il se présente sous la forme d'un film mince en sélénium amorphe, un semi-conducteur exotique connu depuis longtemps pour ses propriétés optoélectroniques. Le mérite de Hamamatsu Photonics, la société japonaise qui l'a mis au point, est d'avoir trouvé les bons dopants, les bonnes concentrations et les conditions électriques idéales pour y provoquer un phénomène d'avalanche continu et stable, contrôlable électriquement en faisant simplement varier la tension appliquée au film. « C'est la première fois qu'on parvient à une multiplication stable et contrôlée de charges électriques dans un solide. Jusqu'ici, la multiplication s'opérait dans le vide par impact répété d'un faisceau d'électrons sur du métal. C'est le principe du vieux tube à vide », confirme Michel Papuchon, directeur scientifique de Thales Optronique.

Lecture par des canons d'électrons microscopiques

La seconde innovation concerne la lecture de l'image électronique sur la face intérieure du film Harp. Elle ouvre la voie à la miniaturisation, rendant possible l'intégration dans des caméras compactes.

Le premier dispositif de lecture développé par la NHK consiste en un tube à vide classique. Le capteur se présente d'ailleurs sous la forme d'un tube long de 105 mm. Il équipe une caméra de télévision à haute définition développée en 2003 par Hitachi Kokusai Electric et mise sur le marché en 2005. Elle offre une sensibilité de 11 lux/F8, soit 600 fois celle d'une caméra conventionnelle et 100 fois celle d'une caméra numérique à capteur CCD avancé. Le rapport signal/bruit s'établit à 34 dB.

Le développement s'oriente maintenant vers des matrices de lecture planes baptisées FEA (Field Emission Array). Ces dispositifs fonctionnent comme des écrans plats émissifs à l'envers. C'est pourquoi le projet associe Futaba, spécialiste des écrans plats à micropointes, et Pioneer, fabricant d'écrans plasma et Oled. Futaba développe la variante de type Spindt où les pixels sont constitués par des canons microscopiques d'électrons en forme de cône. C'est le principe à la base des écrans plats à micropointes défrichés en France par le Léti, le laboratoire d'électronique du CEA. Cette technologie commence à être au point puisque Futaba s'apprête à la commercialiser cette année sur des afficheurs allant jusqu'à 14,4 pouces - ce que la défunte société française Pixtech n'a pas réussi à faire.

Pioneer met au point la variante HEED (High-Efficiency Electron Emission Device) où les canons microscopiques d'électrons sont formés par un sandwich de couches minces Pt/SiOx/Si/Al d'environ 400 nm d'épaisseur. La difficulté est d'expulser vers l'extérieur le maximum d'électrons qui parviennent à franchir la barrière d'isolant en SiOx. Ce que Pioneer semble réussir puisqu'il annonce un rendement proche de 10 %. « C'est énorme. Habituellement, on ne dépasse guère 0,1 %. Reste à voir la tenue du dispositif dans le temps. Car l'électrode supérieure doit être assez fine pour laisser passer les électrons mais pas trop pour supporter la tension électrique sans claquer », note Stephen Purcell, responsable de l'équipe de recherche sur les nanostructures et les émetteurs de champs, à l'université Claude-Bernard à Lyon (Rhône).

Bien qu'elle émette une densité de courant plus faible (0,42 A/cm2 contre 1,75 A/cm2 pour la variante de Futaba), la variante HEED offre l'avantage de fournir son propre circuit de commande.

Une pastille à peine plus grande qu'un capteur CCD

Grâce à ces nouvelles technologies de lecture, on est passé d'un tube long à une pastille à peine plus grande qu'un capteur CCD. Le dernier prototype, exposé au Ceatec, fait environ 10 mm d'épaisseur. Il offre une résolution d'image de 256 x 192 pixels. En réduisant la taille du pixel à 20 µm de côté, contre 50 µm actuellement, il est prévu d'atteindre cette année 640 x 480 pixels, la résolution standard des moniteurs informatiques.

Au départ, ce développement visait à répondre aux besoins de la télévision de filmer et rendre compte immédiatement d'événements impromptus se produisant la nuit (tremblement de terre, catastrophe naturelle, accident...). Aujourd'hui, les débouchés potentiels paraissent variés : cinéma, observation des fonds sous-marins, astronomie, simulation moléculaire, vidéosurveillance nocturne, contrôle de trafic routier, etc.

Dans le médical, appliquée à la radiologie aux rayons X, cette technologie permettrait de détecter des tumeurs minuscules de 50 µm, contre 2 à 3 cm actuellement. Au Japon, elle est à l'étude pour le diagnostic du cancer du sein, de la maladie de Bürger, ainsi que pour la chirurgie de la cataracte. Selon la NHK, cette variété d'applications devrait en faire une alternative compétitive aux capteurs CCD et Cmos.

l'impact

- Donner naissance à des caméras compactes capables de filmer la nuit en couleurs et à haute définition. - Améliorer la vidéosurveillance nocturne, le contrôle des fonds sous-marins ou l'observation astronomique. - Remplacer les intensificateurs de lumière et autres dispositifs lourds d'imagerie dans le militaire. - Affiner les résultats d'imagerie médicale pour le diagnostic précoce de maladies comme le cancer. - Permettre la simulation 3D en biologie moléculaire.

UNE TECHNOLOGIE RADICALEMENT NOUVELLE

- La première nouveauté réside dans la cible Harp (High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor). Il s'agit d'un film de 15 µm d'épaisseur en sélénium amorphe, dopé au fluorure de lithium et à l'arsenic. Le premier dopant assure le contrôle du champ électrique interne, tandis que le second évite la cristallisation. Pour les caméras en couleurs, un troisième dopant, le tellure, améliore l'absorption de la lumière rouge. En plus de son rôle de photoconducteur, ce film fait office de photomultiplicateur solide. Sous l'effet d'un champ électrique intense (de l'ordre de 106 V/m), il devient le siège d'un phénomène d'avalanche interne qui multiplie les charges électriques au fur et à mesure qu'elles traversent le matériau. Le facteur de multiplication atteint 200 !

- Seconde innovation : le développement de matrices planes de lecture. Les pixels y sont formés par des canons d'électrons microscopiques, soit à micropointes soit à couches minces.

DES PERFORMANCES EXCEPTIONNELLES

Sensibilité 100 fois supérieure à celle des capteurs CDD actuels. - Des images nettes même par très forte obscurité. - Temps de réponse rapide adapté à la prise d'images animées.

- Faible consommation de courant.

LA MINIATURISATION EN MARCHE

- En utilisant des matrices de lecture à effet de champ, on est passé d'un tube long de 105 mm à une pastille de seulement 10 mm.

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