CCD

Un dispositif à transfert de charge (CCD) est un circuit intégré photosensible qui convertit les photons en charge électrique. À l'intérieur de la puce se trouve une grille de photodiodes, allant généralement de quelques centaines de milliers à plusieurs millions de pixels individuels. Lorsque la lumière frappe chaque photodiode, elle génère une charge électrique proportionnelle à la luminosité de cet endroit. La puce déplace ensuite ces charges séquentiellement à travers le silicium vers un amplificateur de lecture, qui convertit chaque impulsion de charge en une tension qui peut être numérisée.

Les CCD sont devenus le capteur standard pour les appareils photo numériques, les enregistreurs vidéo et les systèmes de vision industrielle à partir des années 1980, car ils offrent une sensibilité élevée à la lumière et un faible bruit par rapport aux premières alternatives. Un CCD typique en inspection industrielle peut avoir 2048 par 1536 pixels, chacun mesurant 4,4 micromètres carrés, avec une plage dynamique de 60 à 65 décibels. Les variantes couleur utilisent un filtre de Bayer, superposant des filtres rouges, verts et bleus sur le réseau de pixels afin que chaque pixel capture un canal de couleur; le processeur de la caméra interpole ensuite les couleurs manquantes à partir des pixels voisins. Les CCD monochromes, sans filtres couleur, ont une meilleure sensibilité en basse lumière.

Comment fonctionne réellement le transfert de charge

Le mot couplé fait référence au mécanisme: la charge de chaque pixel est transférée au pixel suivant dans une chaîne, à la manière d'une chaîne de seaux, en utilisant des impulsions d'horloge précisément synchronisées appliquées à des électrodes métalliques au-dessus de la surface du silicium. Cette méthode de décalage en série est lente mais extraordinairement propre, introduisant un bruit minimal car la charge ne touche jamais une surface de silicium pendant son déplacement. Les caméras modernes lisent généralement un réseau de 2048 par 1536 en environ 33 millisecondes, ce qui correspond à une fréquence d'images de 30 Hz. La fréquence d'horloge et l'amplitude de la tension déterminent la vitesse et les caractéristiques de bruit; les systèmes industriels permettent souvent aux utilisateurs d'ajuster la fréquence d'horloge de lecture pour échanger la fréquence d'images contre les performances de bruit.

Les CCD subissent deux modes de dégradation courants. Les rayons cosmiques frappant la surface du silicium peuvent saturer un pixel, créant des pixels chauds qui apparaissent comme des points lumineux dans l'obscurité. Une exposition répétée à la lumière ultraviolette ou aux rayons X endommage le réseau de silicium, augmentant le courant d'obscurité, une charge générée thermiquement qui s'accumule même dans l'obscurité complète. Un refroidissement à long terme à moins 5 ou moins 10 degrés Celsius ralentit la génération de courant d'obscurité et améliore la qualité des données dans les applications sensibles telles que l'astronomie ou l'imagerie microscopique.

Les capteurs d'image CMOS, qui concurrencent les CCD dans les conceptions modernes, lisent la charge en parallèle plutôt qu'en série, ce qui permet des fréquences d'images plus rapides et une consommation d'énergie plus faible. Cependant, les CCD restent supérieurs dans les applications où la sensibilité et le bruit sont plus importants que la vitesse, comme la spectroscopie, la numérisation de documents et la surveillance en basse lumière. Les fournisseurs industriels fabriquent toujours des réseaux CCD dans des formats standard, en particulier dans les configurations de balayage linéaire pour l'inspection de bandes et l'imagerie de documents, où la physique et le facteur de forme restent presque inchangés depuis l'invention de la technologie en 1969.