CCD

A. Objectifs de la séquence:
à l'issue de la séquence, il faut être capable de:
• Connaître le principe de fonctionnement des capteurs CCD
B.) Principe
 
CCD READOUT REGISTER
Photon/charge
conversion
charge storage
AMP
CCD READOUT REGISTER
 
CCD (Charge Coupled Device) dispositif à transfert de charge.
Il est constitué de cellules élémentaires
Les paquets de charges produits par effet photoélectrique
sont stockés au niveau de la cellule
On extrait séquentiellement les charges des cellules par un signal électrique
La résolution spatiale du capteur est définie par le nombre des photosites.
B.1) Organisation d’un photosite
Vg+
photon
Electode métallique
transparente
Oxyde de silicium SIO2
+
Substrat dopé P
SI
Organisation d'un photosite
Si un photon pénètre dans le silicium, il libère un électron qui est piégé dans la zone
dopée P, au voisinage de l’électrode la plus proche
La quantité de charges créées est une grandeur analogique variant linéairement
en fonction du temps d’exposition à une source lumineuse
Au bout d’un temps d’intégration prédéfini (typiquement 20 ms sur les caméras vidéo classiques),
on procède au transfert de charges.
B.2.) Le transfert de charge
Il existe des dispositifs à Dispositif à 3 phases nous étudierons
le principe d‘un dispositif à deux phases.
B.2.1) Dispositif à deux phases
1.)Phase d’intégration
Les charges s’accumulent à l’endroit ou
le potentiel de grille est le plus élevé (noté ici V+).
2.)Première phase de transfert :
Les charges sont transférées sur l’électrode
Φ2A la plus proche.
3) Deuxième phase de transfert
Les paquets de charges sont décalés d’un
demi-photosite vers la droite
Le transfert d’un pixel complet est alors terminé
Remarque
Tous les pixels (ou points élémentaires) d’une même ligne sont décalés simultanément d’un pas vers la sortie.
C) Récupération des informations en sortie du CCD
L’étage de sortie est constitué d’une capacité (diode flottante) préchargée à un niveau
de référence (VR) avant chaque nouveau transfert de charges par une horloge externe
ΦR
Les variations de tension obtenues aux bornes de la diode flottante sont transmises à la
broche de sortie vidéo par l’intermédiaire d’un étage d’isolation et d’amplification de
technologie MOS.
D) Capteurs CCD maticiels
Dans une matrice CCD les pixels sont organisés en lignes et colonnes de
plusieurs centaines d’éléments.
Différentes techniques sont utilisées pour effectuer la lecture de ces matrices.
D.1) Capteur à transfert d’interligne.
Chaque colonne photosensible est associée à un registre à décalage
(de même nature, mais optiquement protégé en surface par un masque
en aluminium)
Il suffit d’une impulsion d’horloge pour obtenir le transfert de tous les
pixels dans la zone protégée, en quelques microsecondes seulement.
Chaque ligne est ensuite transférée dans le registre horizontal, qui assure
la sortie des pixels séquentiellement vers l’extérieur du composant.
Avantage:
Obturation quasi instantanée->utilisation dans les
appareils grand-public.
Inconvénient:
Sensibilité à la lumière réduite (moins 50% par optimisation du masque)
Certaines informations ponctuelles pourraient être masquées par la zone protégée
D.2) Capteur à transfert de trame
La zone photosensible occupe toute la surface
de la matrice, car la zone protégée est déportée
Pour assurer le transfert entre les deux zones, les
photosites sont organisés en registres verticaux
Le transfert est obtenu après l’application sur
les deux zones d’une série d’impulsions
Avantage:
Excellente sensibilité à la lumière (100% de la surface d’acquisition).
Inconvénient:
Le temps de pose doit être très supérieur au temps de transfert dans la zone mémoire
pour éviter un effet de bavure
D.3) Capteur pleine trame.
La pastille de silicium ne contient qu’une zone
photosensible associée à un registre horizontal
de sortie.
Il est donc nécessaire de recourir à un obturateur électromécanique pour exploiter
correctement le capteur(comme sur certains appareils photo numériques).
Une fois la zone photosensible maintenue dans l’obscurité : les opérations de transferts
peuvent se faire en toute sécurité
A surface optique égale, le capteur pleine trame devrait donc coûter 2 x moins cher
que le capteur à transfert de trame.
E.) La vision en couleur.
Toute nuance de couleur peut être reproduite par la combinaison de 3 couleurs
fondamentales ou primaires :
Jaune
Rouge
Mag
enta
Vert
CYAN
Bleu
Mélange additif
Magenta
Rouge
Bleu
Jaune
Vert
CYAN
Mélange soustractif
Mélange additif:
on combine des faisceaux lumineux de façon à obtenir par mélange une large palette dont le blanc
Mélange soustractif:
On sépare d ‘une source de lumière blanche les différentes longueurs d’onde primaire par
absorption des longueurs d’ondes indésirables à partir de filtres colorés
Pour obtenir un pixel couleur, sur un capteur CCD on fait appel à au moins trois
photosites distincts, associé chacun à un filtre coloré
La sensibilité, et la résolution spatiale du capteur diminuent de façon non négligeable.
La difficulté de déposer des pigments colorés sur les capteurs a été contournée par
Philips qui n’utilise que 2 pigments Le jaune et le cyan.
A partir du pixel vert obtenu directement, on extrait les pixels rouge et bleus.
R+V+B
Magenta
Rouge
Jaune
Filtre jaune
Filtre cyan
R+V
Bleu
Vert
Rouge
CYAN
vert+bleu
vert
vert+rouge
Vert
V
Bleu
B+V
F.) Caractéristiques
F.1) Réponse
Elle est donnée en
V
lx.s
Exemple
R=30V/lx.s
la fréquence de pixel est de 1Mhz la durée minimale d’intégration est de 2.2ms
éclairement de 10lx à la surface des pixels
Vout=
30
.(2.2ms.10lx )  660 mV
lx.s
F.2.) Réponse spectrale
F.3) Rendement quantique des capteurs CCD
Le rendement quantique représente le pourcentage d’électrons engendrés dans
un photosite par les photons qui l’atteignent
La plupart des détecteurs CCD, ont un rendement qui dépend fortement de
la longueur d’onde des photons
Le rendement maximal est centré autour de 700nm( le rouge).
évolue entre 10% et 60%
Le rendement des films photographiques est compris entre 2% et 5%
F.4.) Non-uniformité de réponse
niveau du noir
Zone sensible (pixels effectis)
C’est l’écart maximum de réponse pour un éclairement donné d’un pixel à l’autre par rapport à la valeur moyenne des pixels.
PRNU est exprimé en % de la tension de sortie.
PRNU(%)=
(V max V min) 100

2
AVE
F.5.) Tension et exposition de saturation
C’est l’exposition maximum et sa tension de sortie correspondante avant saturation.
Vsat est exprimé en Volt
F.6) Dynamique
C’est le rapport entre la tension maximum de sortie (=tension de saturation)
et la tension minimum(=tension de bruit).
F.7.) Contraste (MTF:modulation transfert fonction)
Fn=fréquence de Nyquist=1/2d (ou d=taille du Pixel)
Détail > 2 pixels
G.) Utilisation
A part quelques tensions de polarisation un capteur CCD est commandé par
3 signaux d’horloges :
p: Horloge de transfert des charges du capteur vers les registres à décalages.
t: Horloge de transfert dans les registres
r: Horloge de Reset , elle permet de décharger les étages de sortie avant
le transfert de charge.
Le signal doit être passé dans un échantillonneur Bloqueur pour être propre,
cet E/B est souvent intégré au capteur mais peut être inhibé .