Réalisation d'un système de conversion des couleurs pour un capteur d'images CMOS à photodétecteur sans filtre optique

L'équipe de recherche de mon directeur de recherche, monsieur Yves Audet, travail sur un capteur d'images CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) sans filtre optique novateur. Les capteurs CCD (Charge-Coupled Device) et CMOS actuellement sur le marché sont basés sur des photodétecteurs sensibles à l'intensité lumineuse et non pas à la longueur d'onde. Pour les rendre sensible à la couleur, des filtres chromatiques sont déposés sur chaque photodétecteur afin que chaque photodétecteur ne détecte qu'une longueur d'onde spécifique. Cette façon de faire a deux inconvénients majeurs. Premièrement, l'utilisation du filtre chromatique réduit la sensibilité du capteur puisque ce filtre absorbe une partie de l'intensité lumineuse. Deuxièmement, chaque photodétecteur ne détecte qu'une couleur obligeant le recours à des algorithmes mathématiques d'extrapolation pour déduire les deux couleurs manquantes pour chaque pixel à partir des couleurs des pixels adjacents. Le nouveau capteur novateur remédie à ces deux inconvénients en ne nécessitant pas le dépôt des filtres optiques chromatiques sur les photodétecteurs. Il détecte les couleurs en utilisant la propriété d'un matériau semi-conducteur selon laquelle la profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques varie avec la longueur d'onde. En utilisant cette propriété, le capteur permet de détecter trois couleurs avec chaque pixel. Le nouveau capteur est réalisable entièrement en technologie CMOS contrairement à un capteur de la compagnie Foveon qui a vue le jour en 2002 et qui utilise le même principe d'absorption de la lumière dans un semi-conducteur pour filtrer la lumière selon la longueur d'onde. Ce capteur n'est pas compatible avec la technologie CMOS parce qu'il utilise trois photodiodes enfouies verticalement dans le semi-conducteur. Ceci rend la réalisation de ce capteur coûteuse. Le présent travail de recherche est une continuité dans les efforts de développement du nouveau capteur d'images. Il consiste à trouver une méthode pour la conversion des couleurs de l'espace de couleurs du capteur en couleurs dans un espace standard. La conversion des couleurs est réalisée à l'aide d'une matrice 3x3 de conversion des couleurs.

Abstract

The research team of my supervisor, Mr Yves Audet, work on an innovator CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) image sensor without optical filter. The CCD (Charge-Coupled Device) and CMOS sensors on the market today are based on photodetectors which are sensitive to the light intensity and not to the wavelength. To make them sensitive to color, color filters are deposited on each photodetector so that each photodetector detects only a specific wavelength. This approach has two major drawbacks. First, the use of the color filter reduces the sensitivity of the sensor as the filter absorbs some of the light intensities. Second, each photodetector detects only one color requiring the use of mathematical extrapolation algorithms to deduce the two missing colors at each pixel from the colors of adjacent pixels. The new innovative image sensor overcomes these disadvantages by not requiring the deposit of the color optical filters on the photodetectors. It detects color by using the property of a semiconductor material that the penetration depth of electromagnetic waves varies with wavelength. Using this property, the sensor can detect three colors with each pixel. The new sensor is made entirely in CMOS technology as opposed to a Foveon sensor, a company founded in 2002 and uses the same principle of light absorption in a semiconductor to filter the light according to the wavelength. This sensor is not compatible with CMOS technology because it uses three photodiodes buried vertically into the semiconductor. This makes the realization of this sensor expensive. This research work is a continuity in the development effort of the new sensor. It is to find a method for color conversion from sensor color space to a standard color space. The color conversion is performed using a 3x3 color conversion matrix. A method of calculating this matrix while considering the noise in the image has been identified and implemented as a Matlab GUI. The consideration of noise in the image is essential because of the nature of the sensor for which the conversion matrix can have large coefficients in the diagonal. However, they are responsible for the degradation of noise performance. Subsequently, a digital circuit for color conversion was designed in VHDL.