Capteur CCD

I. Introduction Le capteur CCD (Charge-Coupled Device)est un composant électronique servant à convertir un rayonnement électromagnétique (Ultra-violet , Lumière visible , ou Infrarouge) en un signal analogique. Le signal analogique est ensuite numérisé en utilisant un convertisseur analogique-numérique. Ces capteurs fonctionnent grâce à l’effet photoélectrique qui consiste à convertir un photon (constituant de la lumière) en électrons (signal analogique).

La conversion est excellente car prés d’un photon sur deux produit un électron. Le lieu ou se fait la conversion du photon en électron est un photo-site.

Capteur CCD

Principe du capteur CCD

II. Constitution d’un photo-site La structure d’un photo-site est donnée ci-dessous :

Si p : Silicium de type P ; Si n Silicium de type n ; SiO2 : Oxyde de Silicium (qui a la propriété d’être isolant)

Le capteur CCD est fabriqué sur un disque de silicium très pur. Les propriétés électriques de ce silicium sont modifiées par la présence d’impuretés qui ont été apportés en quantité parfaitement contrôlé lors de la fabrication.

Sous l’effet du rayonnement électromagnétique (lumière), il apparait dans le silicium des électrons dont la quantité dépend de la quantité de lumière reçue. Le photo-site ne fait pas de distinction concernant la couleur de la lumière. Afin de différencier les couleurs, un filtre optique est placé sur le photo-site.

Trois filtres sont utilisés qui correspondent à trois couleurs : le rouge , le bleu et le vert.

III. Filtre de Bayer L’ensemble des filtres pour les trois couleurs forme le filtre de bayer

Filtre de Bayer

Régulièrement des améliorations sont apportés au capteur afin d’en amélioré la sensibilité en augmentant la surface active. Ces améliorations sont obtenues par exemple en modifiant la forme des pixels ou en changeant la nature des électrodes (qui se trouve être au dessus du pixel) pour obtenir une meilleur transparence à la lumière.

Exemple :

Changement de la forme des capteurs : les pixels ont une forme octogonale qui a évolué au cours des améliorations (HR, SR, SR II )

Fujifilm a conçu un nouveau capteur ou la forme des photo-sites n’est plus carré mais hexagonale ce qui permet de mettre plus de pixels dans une même surface.

Utilisation d’électrode en oxyde d’indium d’étain plus transparente au bleu augmente les performances.

IV. Transfert de charge En modifiant le potentiel sous une grille on peut de proche en proche déplacer les charges d’un photo-site à l’autre afin de les extraire du capteur.

En utilisant la technique décrite plus haut les charges sont déplacées vers le bas de ligne en ligne. Puis elles sont récupérer dans un registre en faisant un décalage

V. Les différents types de capteurs

1. Le CCD plein cadre (full frame) Chaque photo-site participe à la détection de la lumière Avantages : Grandes sensiblité

Incovénient : Nécessite l’utilisation d’un obturateur mécanique

pour permettre la récupération des charges électriques

2. Le CCD a transfert de trame IL utilise deux matrices de photo-sites. Une de ces deux matrices est exposé à la lumière , elle sert à la détection Des photons. L’autre est masquée ,elle est utilisée pour assurer le transfert des charges. Avantage : Transfert plus rapide des charges électriques.

Incovénient : Diminue par deux la surface utile à la détection

engendrant une résolution plus faible.

3. Le CCD interligne Il associe une photodiode à chaque cellule CCD .Il permet de mieux reproduire la lumière visible sur tout son spectre.

4. Conclusion Le capteur fournit donc un signal analogique, en effet chaque photo-site a fournit une quantité d’électron proportionnel à la quantité de lumière reçue.

VI. Conversion analogique numérique Le signal pour pouvoir être exploité par les circuits numériques de la caméra doit-être numérisé grâce un convertisseur analogique numérique intégré au capteur.

Capteur CCD Grandeurs analogiques

Convertisseur

Analogique

numérique

Grandeurs numériques

Annexe

Spectre de la lumière