Subscribe Feed (RSS)Je ne fais que très rarement de commentaires sur l’actualité, mais cette année le comité Nobel à choisi de récompenser les travaux des “maîtres de la lumières” (voir le billet de S. Huet ou celui de A. Gunthert) : Charles K. Kao, Willard S. Boyle, George E. Smith. Les deux derniers pour l’invention de l’imageur semi-conducteur qui a permis à l’image numérique de prendre son essor : le CCD (Charged Coupled Device). Le CCD est le récepteur d’image que l’on trouve dans les appareils photos numériques et les camescopes. Ce récepteur tend à être remplacé par des capteurs CMOS, moins consommateurs d’énergie mais moins précis. Je ne peux donc que me réjouir de cette annonce car c’est la première fois qu’un Nobel récompense des travaux dans un domaine proche du mien.
Je profite donc de l’occasion pour expliquer comment fonctionne un capteur CCD.
Un CCD c’est un système à transfert de charge composé d’un ensemble de cellules juxtaposées qui communiquent entre elles : une cellule se charge, puis se vide dans sa voisine. Une cellule est une photocapacité MOS : une couche de Métal, une d’Oxyde et une de Semi-conducteur.
Schématisons la cellule de la façon suivante :
Par défaut, le semi-conducteur est dopé P. Il peut être vu comme contenant des charges positives :
La cellule est ensuite polarisée en appliquant une tension entre le métal et le semi-conducteur :
Les charges positives sont attirées du coté négatif et ont tendance à déserter ainsi la zone située vers l’oxyde (en hachuré). Plus la tension est importante, plus cette zone de déplétion est grande :
La cellule ainsi polarisée est alors prête pour réaliser une acquisition. Imaginons que de la lumière viennent frapper la cellule. Certains photons vont pénétrer dans le semi-conducteur. Certains de ces photons vont interagir avec le semi-conducteur et donner naissance à une charge positive et une charge négative :
Les charges positives et négatives sont respectivement attirées du coté négatif et positif de l’alimentation. Mais comme l’oxyde est un isolant, la charge négative est piégée dans la zone de déplétion :
Si d’autres photons sont incidents, le nombre de charges piégées augmente. Ce nombre est même proportionnel au flux lumineux incident :
En introduction, j’ai dit qu’un CDD était un ensemble de cellules juxtaposée. Observons la surface d’un CCD au microscope électronique :
On distingue très bien les cellules MOS qui apparaissent en gris clair. Lors de l’acquisition, chaque cellule a donc piégée un certain nombre de charges négatives qui représentent la quantité de lumière qui est arrivée sur la cellule pendant le temps d’exposition. Il faut maintenant transmettre les charges pour libérer les cellules. Le système retenu est celui du transfert de charge. Imaginons que les photons sont des gouttes de pluie et que le CCD est un ensemble de bassines. Le flux lumineux de la scène que l’on souhaite photographier est représenté par la pluie qui tombe :
Les pixels de l’images sont représentés par les bassines. Il s’agit de pouvoir maintenant accéder au contenu de ces pixels. Une rangée de bassine supplémentaire est placée (ici à droite) pour recevoir le contenu des bassines de la colonne la plus à droite (transfert horizontal). Par la même occasion le contenu de la colonne centrale est transféré à la colonne de droite, et le contenu de la colonne de gauche est transféré à la colonne centrale. Les bassines de stockages sont ensuite vidées une à une (transfert vertical). Les bassines de la colonne la plus à droite contiennent maintenant l’eau de la colonne centrale, elles sont vidées de la même manière dans les bassines de stockage. L’opération est répétée jusqu’au transfert complet des bassines. Le même principe est utilisée dans les CCDs, le transfert d’une cellule à l’autre étant réaliser en modifiant les polarisations des cellules proches à l’aide d’horloges séquençant ces transferts :
Il existe plusieurs méthodes de transfert des charges, soit en utilisant les cellules photosensibles elle même (à droite) ou en utilisant des registres de transferts intercalés (à gauche) :
Le transfert schématisé à gauche permet d’optimiser la surface sensible alors que la méthode présentée à droite peut permettre de réduire le temps entre deux acquisitions. En astronomie, les CCDs sont basée sur le principe d’un transfert de trame complet :
Les charges sont toutes transférées vers la zone de stockage qui est ensuite vidée en série selon la méthode décrite plus haut.
Dans un prochain billet, je m’efforcerais de décortiquer le principe des acquisitions d’images couleurs.
FMN.
ps : quelques unes des images présentée sont issue du document sur les CCDs de Daniel Berquet.
