Pour la première fois, le principe CCD avec l'idée de stocker puis de lire des charges électroniques a été développé par deux ingénieurs de BELL à la fin des années 60 au cours de la recherche de nouveaux types de mémoire pour ordinateurs qui pourraient remplacer la mémoire sur anneaux de ferrite (oui, il y avait un tel souvenir). Cette idée s'est avérée peu prometteuse, mais la capacité du silicium à répondre au spectre visible du rayonnement a été remarquée et l'idée d'utiliser ce principe pour le traitement d'images a été développée.

Commençons par la définition du terme.

L'abréviation CCD signifie "Charge-Coupled Devices" - ce terme a été formé à partir de l'anglais "Charge-Coupled Devices" (CCD).

Ce type de dispositif trouve actuellement une très large gamme d'applications dans une variété de dispositifs optoélectroniques pour l'enregistrement d'images. Dans la vie de tous les jours, ce sont des appareils photo numériques, des caméscopes, des scanners divers.

Qu'est-ce qui différencie un récepteur CCD d'une photodiode à semi-conducteur conventionnelle, qui possède une zone photosensible et deux contacts électriques pour capter un signal électrique ?

Premièrement, ces zones photosensibles (souvent appelées pixels - éléments qui reçoivent la lumière et la convertissent en charges électriques) dans un récepteur CCD est très important, de plusieurs milliers à plusieurs centaines de milliers voire plusieurs millions. Les tailles des pixels individuels sont les mêmes et peuvent aller d'unités à des dizaines de microns. Les pixels peuvent être alignés sur une rangée - alors le récepteur est appelé une ligne CCD, ou remplir une surface en rangées paires - alors le récepteur est appelé une matrice CCD.

Emplacement des éléments récepteurs de lumière (rectangles bleus) dans le réseau CCD et la matrice CCD.

Deuxièmement, dans un récepteur CCD, qui ressemble à un microcircuit classique, il n'y a pas un grand nombre de contacts électriques pour émettre des signaux électriques, qui, semble-t-il, devraient provenir de chaque élément récepteur de lumière. Mais il se connecte au récepteur CCD circuit électrique, qui permet d'extraire de chaque élément photosensible un signal électrique proportionnel à son éclairement.

L'action d'un CCD peut être décrite comme suit : chaque élément sensible à la lumière - un pixel - fonctionne comme une tirelire pour les électrons. Les électrons sont générés en pixels par l'action de la lumière provenant d'une source. Sur une période de temps donnée, chaque pixel se remplit progressivement d'électrons proportionnellement à la quantité de lumière qui y pénètre, comme un seau dehors quand il pleut. Au bout de ce temps, les charges électriques accumulées par chaque pixel sont transférées à leur tour vers la "sortie" de l'appareil et mesurées. Tout cela est possible grâce à une certaine structure cristalline, où se trouvent des éléments sensibles à la lumière, et un circuit de commande électrique.

La matrice CCD fonctionne presque exactement de la même manière. Après exposition (éclairement par l'image projetée), le circuit électronique de commande de l'appareil lui fournit ensemble complexe tension d'impulsion, qui commencent à déplacer les colonnes avec des électrons accumulés en pixels vers le bord de la matrice, où se trouve un registre CCD de mesure similaire, dans lequel les charges sont déjà décalées dans la direction perpendiculaire et tombent sur l'élément de mesure, y créant des signaux proportionnel aux charges individuelles. Ainsi, pour chaque instant ultérieur, nous pouvons obtenir la valeur de la charge accumulée et déterminer à quel pixel de la matrice (numéro de ligne et numéro de colonne) elle correspond.

En bref sur la physique du processus.

Pour commencer, notons que les CCD sont des produits de l'électronique dite fonctionnelle.Ils ne peuvent pas être représentés comme un ensemble d'éléments radio individuels - transistors, résistances et condensateurs. Le travail est basé sur le principe de la liaison de charge. Le principe du couplage de charge utilise deux positions connues de l'électrostatique :

1. comme les charges se repoussent
2. Les charges ont tendance à se stabiliser là où leur énergie potentielle est minimale. Ceux. grossièrement - "le poisson cherche où il est plus profond."

Commençons par un condensateur MOS (MOS est l'abréviation de métal-oxyde-semi-conducteur). C'est ce qui reste du MOSFET si on en retire le drain et la source, c'est-à-dire juste une électrode séparée du silicium par une couche de diélectrique. Pour être précis, nous supposons que le semi-conducteur est de type p, c'est-à-dire que la concentration de trous dans des conditions d'équilibre est bien supérieure (plusieurs ordres de grandeur) à celle des électrons. En électrophysique, un "trou" est une charge inverse de la charge d'un électron, c'est-à-dire charge positive.

Que se passera-t-il si un potentiel positif est appliqué à une telle électrode (on l'appelle une grille) ? Le champ électrique créé par la grille, pénétrant dans le silicium à travers le diélectrique, repousse les trous en mouvement ; une région appauvrie apparaît - un certain volume de silicium, exempt des porteurs majoritaires. Avec les paramètres des substrats semi-conducteurs typiques des CCD, la profondeur de cette région est d'environ 5 µm. Au contraire, les électrons qui sont apparus ici sous l'action de la lumière seront attirés vers la grille et s'accumuleront à l'interface oxyde-silicium directement sous la grille, c'est-à-dire tomberont dans un puits de potentiel (Fig. 1).

Riz. une
Formation d'un puits de potentiel lorsqu'une tension est appliquée à la grille

Dans ce cas, au fur et à mesure que les électrons s'accumulent dans le puits, ils neutralisent partiellement le champ électrique créé dans le semi-conducteur par la grille, et à la fin ils peuvent le compenser complètement, de sorte que tout le champ électrique ne tombera que sur le diélectrique, et tout reviendra l'état initial- sauf qu'une fine couche d'électrons se forme à l'interface.

Laissez maintenant une autre porte être située à côté de la porte, et un potentiel positif lui est également appliqué, de plus, un plus grand que le premier (Fig. 2). Si seules les portes sont suffisamment proches, leurs puits de potentiel sont combinés et les électrons d'un puits de potentiel se déplacent vers le puits adjacent s'il est "plus profond".
Riz. 2
Chevauchement des puits potentiels de deux portes étroitement espacées. La charge s'écoule à l'endroit où le puits potentiel est plus profond.

Maintenant, il doit être clair que si nous avons une chaîne de portes, alors il est possible, en leur appliquant des tensions de commande appropriées, de transférer un paquet de charge localisé le long d'une telle structure. Une propriété remarquable des CCD, la propriété d'auto-balayage, est que seuls trois bus d'horloge sont suffisants pour piloter une chaîne de portes de n'importe quelle longueur. (Le terme bus en électronique est un conducteur courant électrique, connectant des éléments de même type, un bus d'horloge - conducteurs par lesquels est transmise une tension déphasée.) En effet, pour le transfert des paquets de charge, trois électrodes sont nécessaires et suffisantes : une émettrice, une réceptrice et une isolante, séparant des paires de réception et de transmission les unes des autres, et du même nom, les électrodes de tels triplets peuvent être connectées les unes aux autres dans un seul bus d'horloge, ne nécessitant qu'une seule sortie externe (Fig. 3).

Riz. 3
Le registre CCD triphasé le plus simple.
La charge dans chaque puits potentiel est différente.

C'est le registre à décalage CCD triphasé le plus simple. Les diagrammes d'horloge du fonctionnement d'un tel registre sont illustrés à la Fig. quatre.

Riz. quatre
Les diagrammes d'horloge pour contrôler un registre triphasé sont trois méandres décalés de 120 degrés.
Lorsque les potentiels changent, les charges se déplacent.

On voit que pour son fonctionnement normal à chaque instant, au moins un bus d'horloge doit avoir un potentiel haut, et au moins un - un potentiel bas (potentiel de barrière). Lorsque le potentiel monte sur un bus et le baisse sur l'autre (précédent), tous les paquets de charge sont transférés simultanément aux portes voisines, et pendant un cycle complet (un cycle sur chaque bus de phase), les paquets de charge sont transférés (décalés) vers un élément de registre.

Pour localiser les paquets de charge dans la direction transversale, des canaux dits d'arrêt sont formés - des bandes étroites avec une concentration accrue du dopant principal, qui longent le canal de transfert (Fig. 5).

Riz. 5.
Vue du registre d'en haut.
Le canal de transfert dans le sens latéral est limité par les canaux d'arrêt.

Le fait est que la concentration du dopant détermine à quelle tension spécifique sur la grille une région d'appauvrissement se forme en dessous (ce paramètre n'est rien de plus que la tension de seuil de la structure MOS). D'après des considérations intuitives, il est clair que plus la concentration d'impuretés est élevée, c'est-à-dire plus il y a de trous dans le semi-conducteur, plus il est difficile de les enfoncer profondément, c'est-à-dire que plus la tension de seuil est élevée ou, à une tension, plus le potentiel est faible. dans le puits de potentiel.

Problèmes

Si dans la production d'appareils numériques, la propagation des paramètres sur la plaque peut atteindre plusieurs fois sans effet notable sur les paramètres des appareils résultants (puisque le travail est effectué avec des niveaux de tension discrets), alors dans un CCD, un changement de , disons, la concentration de dopant de 10% est déjà perceptible dans l'image. La taille du cristal ajoute ses propres problèmes, ainsi que l'impossibilité de la redondance, comme dans la mémoire LSI, de sorte que les zones défectueuses conduisent à l'inutilisabilité de l'ensemble du cristal.

Résultat

Différents pixels d'une matrice CCD ont technologiquement une sensibilité différente à la lumière, et cette différence doit être corrigée.

Dans les CMA numériques, cette correction est appelée système de contrôle automatique du gain (AGC).

Comment fonctionne le système AGC

Pour simplifier, nous ne prendrons rien de précis. Supposons qu'il existe des niveaux de potentiel à la sortie de l'ADC du nœud CCD. Supposons que 60 - niveau moyen blanche.

1. Pour chaque pixel de la ligne CCD, la valeur est lue lorsqu'il est éclairé par une lumière blanche de référence (et dans les appareils plus sérieux, le "niveau de noir" est également lu).
2. La valeur est comparée à un niveau de référence (par exemple une moyenne).
3. La différence entre la valeur de sortie et le niveau de référence est stockée pour chaque pixel.
4. À l'avenir, lors de la numérisation, cette différence sera compensée pour chaque pixel.

Le système AGC est initialisé chaque fois que le système de scanner est initialisé. Vous avez probablement remarqué que lorsque vous allumez la machine, après un certain temps, le chariot du scanner commence à faire des mouvements avant-arrière (rampe sur la bande n/b). Il s'agit du processus d'initialisation du système AGC. Le système tient également compte de l'état de la lampe (vieillissement).

Vous avez aussi probablement remarqué que les petits MFP équipés d'un scanner couleur « allument la lampe » en trois couleurs à tour de rôle : rouge, bleu et vert. Ensuite, seul le rétroéclairage de l'original devient blanc. Ceci est fait pour mieux corriger la sensibilité de la matrice séparément pour les canaux RVB.

Test de demi-teinte (ESSAI D'OMBRAGE) vous permet d'initier cette procédure à la demande de l'ingénieur et de ramener les valeurs de correction aux conditions réelles.

Essayons de considérer tout cela sur une vraie machine "de combat". Nous prenons comme base un appareil bien connu et populaire SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Il convient de noter que dans notre cas, CCD devient CIS (Contact Image Sensor), mais l'essence de ce qui se passe fondamentalement ne change pas. Tout comme une source lumineuse, une ligne de LED est utilisée.

Alors:

Le signal d'image du CIS a un niveau d'environ 1,2 V et est envoyé à la section ADC (ADCP) du contrôleur de périphérique (ADCP). Après le SADC, le signal CIS analogique sera converti en un signal numérique 8 bits.

Le processeur d'image du SADC utilise d'abord la fonction de correction de tonalité, puis la fonction de correction gamma. Après cela, les données sont transmises à différents modules en fonction du mode de fonctionnement. Le mode texte envoie des données d'image au module LAT, le mode photo envoie des données d'image au module "Error Diffusion", le mode PC-Scan envoie des données d'image directement à Ordinateur personnel via un accès DMA.

Avant le test, placez plusieurs feuilles de papier blanc vierges sur la vitre d'exposition. Il va sans dire que l'optique, la bande n/b et l'ensemble scanner en général doivent d'abord être « léchés » de l'intérieur.

1. Sélectionnez en MODE TECH
2. Appuyez sur le bouton ENTER pour numériser l'image.
3. Après la numérisation, "CIS SHADING PROFILE" (profil de demi-teintes CIS) sera imprimé. Un exemple d'une telle feuille est présenté ci-dessous. Il n'est pas nécessaire que ce soit une copie de votre résultat, mais une image proche.
4. Si l'image imprimée est très différente de l'image montrée sur la figure, le CIS est défectueux. Veuillez noter que « Résultats : OK » est écrit au bas de la feuille de rapport. Cela signifie que le système n'a aucune prétention sérieuse au module CIS. Sinon, des résultats d'erreur seront donnés.

Exemple d'impression de profil :

Bonne chance à toi!!

Les matériaux des articles et des conférences des enseignants de l'Université d'État de Saint-Pétersbourg (LSU), de l'Université électrotechnique de Saint-Pétersbourg (LETI) et d'Axl sont pris comme base. Remerciez-les.

Matériel préparé par V. Shelenberg

Informations générales sur les matrices CCD.

Actuellement, les capteurs CCD (Charge-Coupled Device, équivalent anglais de CCD) sont utilisés comme dispositif photosensible dans la plupart des systèmes de capture d'images.

Le principe de fonctionnement de la matrice CCD est le suivant: une matrice d'éléments photosensibles (section d'accumulation) est créée à base de silicium. Chaque élément photosensible a la capacité d'accumuler des charges proportionnellement au nombre de photons qui le frappent. Ainsi, pendant un certain temps (temps d'exposition) sur la section d'accumulation, on obtient une matrice bidimensionnelle de charges proportionnelle à la luminosité de l'image d'origine. Les charges accumulées sont d'abord transférées vers la section de stockage, puis ligne par ligne et pixel par pixel vers la sortie de la matrice.

La taille de la section de stockage par rapport à la section d'accumulation est différente :

• par image (matrices avec transfert d'image pour le balayage progressif) ;
• par demi-trame (matrices avec transfert de trame pour balayage entrelacé);

Il existe également des matrices dans lesquelles il n'y a pas de section de stockage, puis le transfert de ligne s'effectue directement sur la section d'accumulation. Il est évident qu'un obturateur optique est nécessaire au fonctionnement de telles matrices.

La qualité des matrices CCD modernes est telle que la charge ne change pratiquement pas pendant le processus de transfert.

Malgré l'apparente diversité des caméras de télévision, les matrices CCD utilisées dans celles-ci sont pratiquement les mêmes, car la production de masse et à grande échelle de matrices CCD n'est réalisée que par quelques entreprises. Ce sont SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Les principaux paramètres des matrices CCD sont :

• dimension en pixels ;
• taille physique en pouces (2/3, 1/2, 1/3, etc.). Dans le même temps, les chiffres eux-mêmes ne déterminent pas la taille exacte de la zone sensible, mais déterminent plutôt la classe de l'appareil ;
• sensibilité.

Résolution des caméras CCD.

La résolution des caméras CCD est principalement déterminée par la taille de la matrice CCD en pixels et la qualité de l'objectif. Dans une certaine mesure, cela peut être influencé par l'électronique de la caméra (si elle est mal faite, cela peut aggraver la résolution, mais franchement, ils le font rarement mal maintenant).

Il est important de faire ici une remarque. Dans certains cas, des filtres spatiaux haute fréquence sont installés dans les caméras pour améliorer la résolution apparente. Dans ce cas, une image d'un objet obtenue à partir d'un appareil photo de plus petite dimension peut sembler encore plus nette qu'une image du même objet obtenue à partir d'un appareil photo objectivement meilleur. Bien sûr, cela est acceptable lorsque la caméra est utilisée dans des systèmes de surveillance visuelle, mais cela est totalement inadapté aux systèmes de mesure des bâtiments.

Résolution et format CCD.

Actuellement, diverses sociétés produisent des matrices CCD couvrant la plus large gamme de dimensions allant de plusieurs centaines à plusieurs milliers. Il a donc été signalé une matrice de dimension 10000x10000, et dans ce message on notait non pas tant le problème du coût de cette matrice, mais les problèmes de stockage, de traitement et de transmission des images reçues. Comme nous le savons, les matrices de dimensions allant jusqu'à 2000x2000 sont maintenant plus ou moins largement utilisées.

Les matrices CCD les plus répandues, plus précisément les plus massivement utilisées, devraient bien entendu comporter des matrices à résolution orientée vers le standard de la télévision. Ce sont essentiellement des matrices de deux formats :

• 512*576;
• 768*576.

Les matrices 512*576 sont généralement utilisées dans des systèmes de vidéosurveillance simples et bon marché.

Les matrices 768*576 (parfois un peu plus, parfois un peu moins) permettent d'obtenir résolution maximale pour un signal TV standard. En même temps, contrairement aux matrices du format 512*576, elles ont une grille d'éléments sensibles à la lumière proche d'un carré, et, par conséquent, une résolution horizontale et verticale égale.

Souvent, les fabricants d'appareils photo indiquent la résolution dans les lignes de télévision. Cela signifie que la caméra vous permet de voir N / 2 traits verticaux sombres sur fond clair, disposés dans un carré inscrit dans le champ de l'image, où N est le nombre déclaré de lignes de télévision. Par rapport à une table de télévision standard, cela implique ce qui suit : en choisissant la distance et la mise au point de l'image de la table, il faut s'assurer que les bords supérieur et inférieur de l'image de la table sur le moniteur coïncident avec le contour extérieur de la table, marquée par les sommets de prismes noirs et blancs ; de plus, après la mise au point finale, le nombre est lu à cet endroit du coin vertical, où les traits verticaux cessent d'être résolus pour la première fois. La dernière remarque est très importante. et sur l'image des champs de test de la table, qui ont 600 traits ou plus, des bandes intermittentes sont souvent visibles, qui, en fait, sont moirées formées par le battement des fréquences spatiales des traits de la table et de la grille de les éléments sensibles de la matrice CCD. Cet effet est particulièrement prononcé dans les caméras avec des filtres spatiaux haute fréquence (voir ci-dessus) !

Je voudrais noter que, toutes choses étant égales par ailleurs (la plupart du temps, l'objectif peut affecter cela), la résolution des caméras noir et blanc est uniquement déterminée par la dimension de la matrice CCD. Ainsi, une caméra au format 768 * 576 aura une résolution de 576 lignes TV, bien que dans certaines brochures vous puissiez trouver une valeur de 550, et dans d'autres 600.

Lentille.

La taille physique des cellules CCD est le paramètre principal qui détermine l'exigence de résolution de l'objectif. Un autre paramètre de ce type peut être la nécessité d'assurer le fonctionnement de la matrice dans des conditions de surcharge légère, qui seront examinées ci-dessous.

Pour un capteur SONY ICX039 1/2 pouce, la taille des pixels est de 8,6 μm * 8,3 μm. Par conséquent, l'objectif doit avoir une résolution meilleure que :

1/8.3*10e-3= 120 lignes (60 paires de lignes par millimètre).

Pour les objectifs conçus pour les capteurs 1/3 de pouce, cette valeur devrait être encore plus élevée, bien que cela, curieusement, n'affecte pas le coût et un paramètre tel que l'ouverture, car ces objectifs sont fabriqués en tenant compte de la nécessité de former une image sur un plus petit champ photosensible de la matrice. Il s'ensuit également que les lentilles pour les petits capteurs ne conviennent pas aux grands capteurs en raison de la détérioration significative des performances sur les bords des grands capteurs. Dans le même temps, les objectifs pour grands capteurs peuvent limiter la résolution des images obtenues à partir de capteurs plus petits.

Malheureusement, avec toute l'abondance moderne d'objectifs pour caméras de télévision, il est très difficile d'obtenir des informations sur leur résolution.

En général, nous ne sélectionnons pas souvent des objectifs, puisque la quasi-totalité de nos Clients installent des systèmes vidéo sur des optiques existantes : microscopes, télescopes, etc., nos informations sur le marché des objectifs prennent donc la forme de notes. Nous pouvons seulement dire que la résolution des objectifs simples et bon marché est de l'ordre de 50 à 60 paires de lignes par mm, ce qui n'est généralement pas suffisant.

D'autre part, nous avons des informations selon lesquelles les lentilles spéciales fabriquées par Zeiss avec une résolution de 100 à 120 paires de lignes par mm coûtent plus de 1 000 $.

Ainsi, lors de l'achat d'un objectif, il est nécessaire d'effectuer des tests préliminaires. Je dois dire que la plupart des vendeurs de Moscou donnent des lentilles pour les tests. Ici encore, il convient de rappeler l'effet de moiré dont la présence, comme indiqué plus haut, peut être trompeuse quant à la résolution de la matrice. Ainsi, la présence de moiré sur l'image des sections de la table avec des traits supérieurs à 600 lignes TV par rapport à l'objectif indique une certaine marge de résolution de ce dernier, ce qui, bien sûr, ne fera pas de mal.

Une note de plus, peut-être importante pour ceux qui s'intéressent aux mesures géométriques. Tous les objectifs présentent dans une certaine mesure une distorsion (distorsion en forme de coussinet de la géométrie de l'image), et plus l'objectif est court, plus ces distorsions sont généralement importantes. À notre avis, les objectifs avec des distances focales supérieures à 8-12 mm ont une distorsion acceptable pour les appareils photo 1/3" et 1/2". Bien que le niveau "d'acceptabilité" dépende bien sûr des tâches que la caméra doit résoudre.

Résolution des contrôleurs d'entrée d'image

La résolution des contrôleurs d'entrée d'image doit être comprise comme la fréquence des conversions du convertisseur analogique-numérique (ADC) du contrôleur, dont les données sont ensuite enregistrées dans la mémoire du contrôleur. Évidemment, il y a une limite raisonnable à l'augmentation de la fréquence de numérisation. Pour les dispositifs à structure continue de la couche photosensible, tels que les vidicons, la fréquence d'échantillonnage optimale est égale à deux fois la fréquence supérieure du signal vidicon utile.

Contrairement à ces détecteurs de lumière, les matrices CCD ont une topologie discrète, de sorte que la fréquence de numérisation optimale pour elles est déterminée comme la fréquence de décalage du registre de sortie de la matrice. Dans le même temps, il est important que l'ADC du contrôleur fonctionne de manière synchrone avec le registre de sortie de la matrice CCD. Ce n'est que dans ce cas qu'il peut être atteint meilleure qualité transformations à la fois en termes de fourniture d'une géométrie "rigide" des images résultantes et en termes de minimisation du bruit des impulsions d'horloge et des transitoires.

Sensibilité des caméras CCD

Depuis 1994, nous utilisons des caméras de kart SONY basées sur le capteur CCD ICX039 dans nos appareils. La description SONY de cet appareil indique une sensibilité de 0,25 lux sur un objet avec une ouverture d'objectif de 1,4. Plusieurs fois déjà, nous avons vu des caméras avec des paramètres similaires (taille 1/2 pouce, résolution 752*576) et avec une sensibilité déclarée 10 voire 100 fois supérieure à celle de "notre" SONY.

Nous avons vérifié ces chiffres plusieurs fois. Dans la plupart des cas, nous avons trouvé le même CCD ICX039 dans des caméras de différents fabricants. Dans le même temps, tous les microcircuits "de cerclage" étaient également SONY. Oui, et des tests comparatifs ont montré une identité presque complète de toutes ces caméras. Alors, quelle est la question ?

Et toute la question est de savoir à quel rapport signal sur bruit (s / w) la sensibilité est déterminée. Dans notre cas, SONY a consciencieusement montré une sensibilité à s / w = 46 dB, alors que d'autres sociétés ne l'ont pas indiqué, ou l'ont indiqué de telle manière qu'il n'est pas clair dans quelles conditions ces mesures ont été effectuées.

C'est, en général, un fléau commun à la plupart des fabricants d'appareils photo - pour ne pas indiquer les conditions de mesure des paramètres des caméras.

Le fait est qu'avec une diminution de l'exigence du rapport s / w, la sensibilité de la caméra augmente inversement au carré du rapport s / w requis:

où:
Je - sensibilité;
K - facteur de conversion ;
rapport s/w - s/w en unités linéaires,

par conséquent, de nombreuses entreprises sont tentées d'indiquer la sensibilité des caméras à un faible rapport S / N.

On peut dire que la capacité des matrices à «voir» mieux ou moins bien est déterminée par le nombre de charges converties à partir de photons incidents sur sa surface et la qualité de la livraison de ces charges à la sortie. La quantité de charges accumulées dépend de la surface de l'élément photosensible et de l'efficacité quantique du réseau CCD, et la qualité du transport est déterminée par de nombreux facteurs qui se résument souvent à une seule chose - le bruit de lecture. Le bruit de lecture des matrices modernes est de l'ordre de 10 à 30 électrons et même moins !

La surface des éléments des matrices CCD est différente, mais la valeur typique des matrices 1/2 pouce pour caméras est de 8,5 µm * 8,5 µm. Une augmentation de la taille des éléments entraîne une augmentation de la taille des matrices elles-mêmes, ce qui augmente leur coût non pas tant en raison de l'augmentation réelle du prix de production, mais en raison du fait que la production en série de tels dispositifs est plusieurs ordres de grandeur plus petits. De plus, la topologie de la matrice affecte l'aire de la zone photosensible dans la mesure où le pourcentage de la surface totale du cristal est occupé par la zone sensible (facteur de remplissage). Certaines matrices spéciales revendiquent un facteur de remplissage de 100 %.

L'efficacité quantique (de combien la charge d'une cellule sensible en électrons change en moyenne lorsqu'un photon tombe sur sa surface) pour les matrices modernes est de 0,4 à 0,6 (pour les matrices individuelles sans anti-blooming, elle atteint 0,85).

Ainsi, on constate que la sensibilité des caméras CCD, rapportée à une certaine valeur de s/w, s'est rapprochée de la limite physique. Selon notre conclusion, les valeurs typiques de la sensibilité des caméras à usage général à s / w = 46 se situent dans la plage de 0,15 à 0,25 lux d'éclairage sur l'objet avec une ouverture d'objectif de 1,4.

A cet égard, nous vous déconseillons de vous fier aveuglément aux chiffres de sensibilité indiqués dans les descriptions des caméras, surtout lorsque les conditions de détermination de ce paramètre ne sont pas données et si vous voyez une sensibilité de 0,01-0,001 lux en mode télévision dans le passeport de la caméra à un prix pouvant aller jusqu'à 500 $, puis avant de goûter, c'est un euphémisme, des informations incorrectes.

À propos des moyens d'augmenter la sensibilité des caméras CCD

Que faire si vous avez besoin d'obtenir une image d'un objet très faible, par exemple une galaxie lointaine ?

Une des solutions est l'accumulation de l'image dans le temps. La mise en œuvre de cette méthode permet d'augmenter significativement la sensibilité du CCD. Bien entendu, cette méthode peut s'appliquer à des objets d'observation fixes ou dans le cas où le mouvement peut être compensé, comme cela se fait en astronomie.

Fig1 Nébuleuse planétaire M57.

Télescope : 60 cm, exposition - 20 sec., température pendant l'exposition - 20 C.
Au centre de la nébuleuse se trouve un objet stellaire de magnitude 15.
L'image a été obtenue par V. Amirkhanyan au SAO RAS.

On peut affirmer avec suffisamment de précision que la sensibilité des caméras CCD est directement proportionnelle au temps d'exposition.

Par exemple, la sensibilité à une vitesse d'obturation de 1 s par rapport aux 1/50 s d'origine augmentera de 50 fois, c'est-à-dire ce sera mieux - 0,005 lux.

Bien sûr, il y a des problèmes sur ce chemin, et c'est d'abord le courant d'obscurité des matrices, qui apporte des charges accumulées simultanément avec le signal utile. Le courant d'obscurité est déterminé, d'une part, par la technologie de fabrication du cristal, et d'autre part, par le niveau de technologie et, bien sûr, dans une très large mesure, par la température de fonctionnement de la matrice elle-même.

Habituellement, pour obtenir de longs temps d'accumulation, de l'ordre de quelques minutes ou dizaines de minutes, les matrices sont refroidies à moins 20-40 degrés. C. La tâche de refroidir les matrices à de telles températures a été résolue en soi, mais il est tout simplement impossible de dire que cela peut être fait, car il y a toujours des problèmes de conception et de fonctionnement associés à la buée lunettes de protection et l'évacuation de la chaleur de la jonction chaude du réfrigérateur thermoélectrique.

Dans le même temps, les progrès technologiques dans la production de matrices CCD ont également affecté un paramètre tel que le courant d'obscurité. Ici, les réalisations sont très importantes et le courant d'obscurité de certaines bonnes matrices modernes est très faible. D'après notre expérience, les caméras sans refroidissement permettent de réaliser des poses en quelques dizaines de secondes à température ambiante, et jusqu'à plusieurs minutes avec compensation d'un fond sombre. Par exemple, voici une photographie de la nébuleuse planétaire M57, obtenue par le système vidéo VS-a-tandem-56/2 sans refroidissement avec une pose de 20 s.

La deuxième façon d'augmenter la sensibilité est l'utilisation de convertisseurs électron-optiques (EC). Les tubes intensificateurs d'image sont des dispositifs qui amplifient le flux lumineux. Les tubes intensificateurs d'image modernes peuvent avoir des valeurs de gain très élevées, cependant, sans entrer dans les détails, on peut dire que l'utilisation de tubes intensificateurs d'image ne peut qu'améliorer le seuil de sensibilité de la caméra, et donc son gain ne doit pas être trop grand.

Sensibilité spectrale des caméras CCD

Fig.2 Caractéristiques spectrales de différentes matrices

Pour certaines applications, la sensibilité spectrale du CCD est un facteur important. Étant donné que tous les CCD sont fabriqués à base de silicium, alors sous la forme "nue", la sensibilité spectrale du CCD correspond à ce paramètre pour le silicium (voir Fig. 2).

Comme vous pouvez le voir, avec toute la variété de caractéristiques, les capteurs CCD ont une sensibilité maximale dans les gammes rouge et proche infrarouge (IR) et ne voient absolument rien dans la partie bleu-violet du spectre. La sensibilité du CCD dans le proche infrarouge est utilisée dans les systèmes de surveillance discrets avec éclairage par des sources de lumière infrarouge, ainsi que lors de la mesure des champs thermiques d'objets à haute température.

Riz. 3 Réponse spectrale typique des matrices noir et blanc SONY.

SONY produit toutes ses matrices noir et blanc avec la réponse spectrale suivante (voir Fig. 3). Comme on peut le voir sur cette figure, la sensibilité du CCD dans le proche IR est considérablement réduite, mais la matrice a commencé à percevoir la région bleue du spectre.

À diverses fins spéciales, des matrices sont en cours de développement qui sont sensibles dans la gamme des ultraviolets et même des rayons X. Habituellement, ces appareils sont uniques et leur prix est assez élevé.

À propos du balayage progressif et entrelacé

Le signal de télévision standard a été développé pour le système de télédiffusion et présente un gros inconvénient du point de vue des systèmes d'entrée et de traitement d'image modernes. Bien que le signal TV contienne 625 lignes (dont environ 576 avec des informations vidéo), 2 demi-trames sont affichées séquentiellement, composées de lignes paires (demi-trame paire) et de lignes impaires (demi-trame impaire). Cela conduit au fait que si une image animée est saisie, l'analyse ne peut pas utiliser une résolution Y supérieure au nombre de lignes dans une demi-trame (288). De plus, dans les systèmes modernes, lorsque l'image est rendue sur un écran d'ordinateur (qui a un balayage progressif), l'image entrée à partir de la caméra entrelacée alors que l'objet d'observation se déplace provoque un effet de division visuelle désagréable.

Toutes les méthodes de traitement de cette lacune conduisent à une détérioration de la résolution verticale. La seule façon de surmonter cette lacune et d'obtenir une résolution de type CCD est de passer au balayage progressif dans le CCD. Les fabricants de CCD produisent de telles matrices, mais en raison de la petite production en série, le prix de ces matrices et caméras est beaucoup plus élevé que celui des caméras conventionnelles. Par exemple, le prix d'une matrice SONY avec balayage progressif ICX074 est 3 fois plus élevé que ICX039 (balayage entrelacé).

Autres options de caméra

Ces autres incluent un paramètre tel que "floraison", c'est-à-dire charge se répandant sur la surface de la matrice lorsque ses éléments individuels sont surexposés. En pratique, un tel cas peut se produire, par exemple, lors de l'observation d'objets avec éblouissement. C'est un effet plutôt désagréable des CCD, car quelques points lumineux peuvent déformer toute l'image. Heureusement, de nombreuses matrices modernes contiennent des dispositifs anti-efflorescence. Ainsi, dans les descriptions de certaines des dernières matrices SONY, nous avons trouvé 2000, qui caractérise la surcharge lumineuse autorisée des cellules individuelles, qui ne conduit pas encore à une propagation de charge. C'est une valeur assez élevée, d'autant plus que, comme notre expérience l'a montré, ce résultat ne peut être atteint qu'avec un réglage particulier des pilotes qui contrôlent directement la matrice et le canal de préamplification du signal vidéo. De plus, la lentille contribue également à la "diffusion" des points lumineux, car avec de telles surcharges lumineuses, même une petite diffusion en dehors du point principal donne un support de lumière notable pour les éléments voisins.

Il convient également de noter ici que, selon certaines données que nous n'avons pas nous-mêmes vérifiées, les matrices avec anti-blooming ont une efficacité quantique 2 fois plus faible que les matrices sans anti-blooming. À cet égard, dans les systèmes nécessitant une sensibilité très élevée, il peut être judicieux d'utiliser des matrices sans anti-blooming (il s'agit généralement de tâches spéciales telles que celles astronomiques).

À propos des caméras couleur

Les matériaux de cette section dépassent quelque peu le cadre de considération des systèmes de mesure que nous avons établis, néanmoins, l'utilisation généralisée des caméras couleur (encore plus que les caméras noir et blanc) nous oblige à clarifier cette question, d'autant plus que les clients essaient souvent de utilisez nos cartes d'acquisition d'images noir et blanc blanc utilisez des caméras de télévision couleur, et ils sont très surpris lorsqu'ils trouvent des traînées sur les images reçues, et la résolution des images s'avère insuffisante. Expliquons ce qui se passe ici.

Il existe 2 façons de générer un signal de couleur :

• 1. à l'aide d'une caméra à capteur unique.
• 2. utiliser un système de 3 matrices CCD avec une tête de séparation des couleurs pour obtenir des composantes de signal de couleur R, G, B sur ces matrices.

La deuxième voie offre la meilleure qualité et elle seule permet d'obtenir des systèmes de mesure, cependant, les caméras fonctionnant sur ce principe sont assez chères (plus de 3000 $).

Dans la plupart des cas, des caméras CCD à matrice unique sont utilisées. Considérez leur principe de fonctionnement.

Comme il ressort de la caractéristique spectrale assez large de la matrice CCD, elle ne peut pas déterminer la "couleur" d'un photon qui frappe la surface. Par conséquent, afin de saisir une image couleur, un filtre de lumière est installé devant chaque élément de la matrice CCD. Dans ce cas, le nombre total d'éléments de la matrice reste le même. SONY, par exemple, produit exactement les mêmes matrices CCD pour les versions noir et blanc et couleur, qui ne diffèrent que par la présence d'une grille de filtres de lumière dans la matrice couleur appliquée directement sur les zones sensibles. Il existe plusieurs schémas de coloration des matrices. Voici l'un d'entre eux.

4 filtres différents sont utilisés ici (voir fig. 4 et fig. 5).

Fig 4. Répartition des filtres lumineux sur les éléments de la matrice CCD

Figure 5. Sensibilité spectrale des éléments CCD avec différents filtres de lumière.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

Dans la ligne A1, le signal de différence de couleur "rouge" est obtenu comme :

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

et dans la ligne A2, ils obtiennent un signal de différence de couleur "bleu":

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

De là, il est clair que la résolution spatiale d'une matrice CCD couleur par rapport à la même matrice noir et blanc est généralement 1,3 à 1,5 fois pire horizontalement et verticalement. En raison de l'utilisation de filtres de lumière, la sensibilité d'un capteur CCD couleur est également inférieure à celle d'un capteur noir et blanc. Ainsi, nous pouvons dire que s'il existe un récepteur à matrice unique 1000 * 800, vous pouvez en fait obtenir environ 700 * 550 pour le signal de luminosité et 500 * 400 (700 * 400 est possible) pour le signal de couleur.

Distrayant des problèmes techniques, je voudrais souligner qu'à des fins publicitaires, de nombreux fabricants d'appareils photo électroniques rapportent des données totalement incompréhensibles sur leur technologie. Par exemple, Kodak annonce la résolution de son appareil photo électronique DC120 à 1200*1000 avec une matrice de 850x984 pixels. Mais messieurs - les informations d'un endroit vide ne se présentent pas, bien que visuellement, cela semble bon!

A propos de la résolution spatiale d'un signal couleur (un signal qui porte des informations sur la couleur d'une image), on peut dire qu'elle est au moins 2 fois moins bonne que la résolution d'un signal noir et blanc. De plus, la couleur "calculée" du pixel de sortie n'est pas la couleur de l'élément correspondant de l'image source, mais uniquement le résultat du traitement de la luminosité des différents éléments de l'image source. En gros, en raison d'une forte différence de luminosité des éléments adjacents de l'objet, une couleur qui n'est pas du tout ici peut être calculée, tandis qu'un léger décalage de la caméra entraînera un changement brusque de la couleur de sortie. Par exemple : la bordure d'un champ gris foncé et gris clair ressemblera à des carrés multicolores.

Tous ces arguments ne concernent que le principe physique d'obtention d'informations sur les matrices CCD couleur, alors qu'il convient de tenir compte du fait que le signal vidéo à la sortie des caméras couleur est généralement présenté dans l'un des formats standard PAL, NTSC, moins souvent S- vidéo.

Les formats PAL et NTSC sont bons car ils peuvent être lus immédiatement sur des moniteurs standard avec une entrée vidéo, mais il faut se rappeler que ces normes offrent une bande passante nettement plus étroite pour le signal couleur, il est donc plus correct de parler d'une image colorée ici, pas sur une image couleur. Une autre caractéristique désagréable des caméras avec des signaux vidéo qui transportent une composante de couleur est l'apparition des stries mentionnées ci-dessus dans l'image obtenue par les capteurs d'image en noir et blanc. Et le point ici est que le signal de couleur est situé presque au milieu de la bande du signal vidéo, créant des interférences lors de l'entrée dans le cadre de l'image. Nous ne voyons pas cette interférence sur un écran de télévision car la phase de cette "interférence" change à l'opposé après quatre images et est moyennée par l'œil. D'où la perplexité du Client, qui reçoit une image avec brouillage qu'il ne voit pas.

Il s'ensuit que si vous devez effectuer des mesures ou déchiffrer des objets par couleur, ce problème doit être abordé en tenant compte à la fois de ce qui précède et des autres caractéristiques de votre tâche.

À propos des capteurs CMOS

Dans le monde de l'électronique, tout évolue très vite, et bien que le domaine des photodétecteurs soit l'un des plus conservateurs, de nouvelles technologies ont fait leur apparition ces derniers temps. Tout d'abord, cela fait référence à l'apparition des matrices de télévision CMOS.

En effet, le silicium est un élément photosensible et tout produit semi-conducteur peut être utilisé comme capteur. L'utilisation de la technologie CMOS offre plusieurs avantages évidents par rapport à la technologie traditionnelle.

Tout d'abord, la technologie CMOS est bien maîtrisée et permet la production de cellules à haut rendement en bons produits.

Deuxièmement, la technologie CMOS permet de placer sur la matrice en plus de la zone photosensible et divers appareils cadres (jusqu'à l'ADC), qui étaient auparavant installés "à l'extérieur". Cela vous permet de produire des caméras avec une sortie numérique "sur une seule puce".

Grâce à ces avantages, la production de caméras de télévision beaucoup moins chères devient possible. En outre, l'éventail des entreprises productrices de matrices s'élargit considérablement.

À l'heure actuelle, la sortie de matrices de télévision et de caméras basées sur la technologie CMOS ne fait que s'améliorer. Les informations sur les paramètres de ces appareils sont très rares. On ne peut que constater que les paramètres de ces matrices ne dépassent pas ceux atteints actuellement, quant au prix, alors leurs avantages sont indéniables.

Je donnerai comme exemple une caméra couleur monopuce de Photobit PB-159. La caméra est fabriquée sur une seule puce et possède les paramètres techniques suivants :

• résolution - 512*384 ;
• taille de pixel - 7,9 μm * 7,9 μm;
• sensibilité - 1lux;
• sortie - SRGB numérique 8 bits;
• corps - 44 pieds PLCC.

Ainsi, la caméra perd en sensibilité d'un facteur quatre, de plus, à partir des informations sur une autre caméra, il est clair que cette technologie a des problèmes avec un courant d'obscurité relativement important.

À propos des appareils photo numériques

Récemment, un nouveau segment de marché est apparu et se développe rapidement, utilisant les CCD et Capteurs CMOS- Caméras digitales. De plus, à l'heure actuelle, il y a une forte augmentation de la qualité de ces produits simultanément à une forte baisse des prix. En effet, il y a 2 ans, seule une matrice avec une résolution de 1024 * 1024 coûtait environ 3000-7000 $, et maintenant les appareils photo avec de telles matrices et un tas de cloches et de sifflets (écran LCD, mémoire, zoom, boîtier pratique, etc. ) peut être acheté pour moins de 1000 $ . Cela ne peut s'expliquer que par le passage à la production à grande échelle de matrices.

Étant donné que ces caméras sont basées sur des CCD et des matrices CMOS, tous les arguments de cet article sur la sensibilité, sur les principes de formation du signal de couleur sont également valables pour elles.

Au lieu d'une conclusion

Notre expérience pratique nous permet de tirer les conclusions suivantes :

• La technologie de fabrication des CCD en termes de sensibilité et de bruit est très proche des limites physiques ;
• sur le marché des caméras de télévision, on trouve des caméras de qualité acceptable, bien qu'un ajustement puisse être nécessaire pour obtenir des paramètres plus élevés ;
• il ne faut pas se laisser tromper par les chiffres de haute sensibilité donnés dans les prospectus des appareils photo ;
• et pourtant, les prix pour des caméras absolument identiques et même pour les mêmes caméras de différents vendeurs peuvent différer de plus de deux fois !

Les convertisseurs photoélectriques à semi-conducteurs (SFEC) d'images sont des analogues des CRT émetteurs.

Les TFEC remontent à 1970, avec les soi-disant CCD et sont formés sur la base de cellules individuelles, qui sont des condensateurs MIS ou MOS. L'une des armatures d'un tel condensateur élémentaire est un film métallique M, la seconde est un substrat semi-conducteur P ( p- ou n-conductivité), le diélectrique D est un semi-conducteur déposé sous forme de couche mince sur le substrat P. Silicium dopé avec un accepteur ( p-type) ou donneur ( n-type) impureté, et comme D - oxyde de silicium SiO 2 (voir fig.8.8).

Riz. 8.8. Condensateur MOS

Riz. 8.9. Mouvement de charges sous l'influence d'un champ électrique

Riz. 8.10. Principe de fonctionnement du système CCD triphasé

Riz. 8.11. Mouvement des charges dans un système CCD biphasé

Lorsqu'une tension est appliquée à une électrode métallique, une «poche» ou un puits de potentiel se forme en dessous, dans laquelle des porteurs mineurs (dans notre cas, des électrons) peuvent «s'accumuler», et les porteurs majoritaires, les trous, seront repoussés de M. A une certaine distance de la surface, la concentration des porteurs mineurs peut être supérieure à la concentration des porteurs majeurs. Près du diélectrique D dans le substrat P, une couche d'inversion apparaît, dans laquelle le type de conductivité passe à l'inverse.

Le paquet de charge dans le CCD peut être introduit électriquement ou à l'aide d'une génération de lumière. Lors de la génération de lumière, les processus photoélectriques se produisant dans le silicium conduiront à l'accumulation de porteurs minoritaires dans les puits de potentiel. La charge accumulée est proportionnelle à l'éclairement et au temps d'accumulation. Le transfert de charge directionnel dans un CCD est assuré en plaçant les condensateurs MOS si près les uns des autres que leurs régions d'appauvrissement se chevauchent et que les puits de potentiel sont connectés. Dans ce cas, la charge mobile des porteurs minoritaires s'accumulera à l'endroit où le puits potentiel est plus profond.

Laisser sous l'influence de la lumière la charge accumulée sous l'électrode tu 1 (voir Fig.8.9). Si maintenant sur l'électrode adjacente tu 2 appliquer la tension tu 2 > U 1 , puis un autre puits potentiel apparaîtra à proximité, plus profond ( tu 2 > U une). Une région de champ électrique apparaîtra entre eux et des porteurs minoritaires (électrons) dériveront (s'écouleront) dans une "poche" plus profonde (voir Fig. 8.9). Pour éliminer la bidirectionnalité dans le transfert de charges, une séquence d'électrodes est utilisée, combinées par groupes de 3 électrodes (voir Fig. 8.10).

Si, par exemple, une charge est accumulée sous l'électrode 4 et qu'il est nécessaire de la transférer vers la droite, alors une tension plus élevée est appliquée à l'électrode droite 5 ( tu 2 > U 1) et la charge y circule, etc.

Presque tout le jeu d'électrodes est connecté à trois pneus :

Je - 1, 4, 7, ...

II-2, 5, 8, ...

III-3, 6, 9, ...

Dans notre cas, la tension "réception" ( tu 2) sera sur les électrodes 2 et 5, mais l'électrode 2 est séparée de l'électrode 4, où la charge est stockée, par l'électrode 3 (qui a

tu 3 = 0), il n'y aura donc pas de débordement vers la gauche.

Le fonctionnement à trois cycles d'un CCD implique la présence de trois électrodes (cellules) par élément d'image TV, ce qui réduit la surface utilisable utilisée par le flux lumineux. Pour réduire le nombre de cellules (électrodes) du CCD, des électrodes métalliques et une couche diélectrique sont formées en escalier (voir Fig. 8.11). Cela permet, lors de l'application d'impulsions de tension aux électrodes, de créer des puits de potentiel de différentes profondeurs sous ses différentes sections. La plupart des charges de la cellule adjacente s'écoulent dans la fosse plus profonde.

Avec un système CCD biphasé, le nombre d'électrodes (cellules) dans la matrice est réduit d'un tiers, ce qui affecte favorablement la lecture du relief potentiel.

Les CCD ont été initialement proposés pour être utilisés dans la technologie informatique comme dispositifs de stockage, registres à décalage. Au début de la chaîne, une diode d'injection était placée, introduisant une charge dans le système, et à la fin du circuit, une diode de sortie, généralement celle-ci n-p- ou p-n- Transitions de structure MOS, qui forment des transistors à effet de champ avec les première et dernière électrodes (cellules) des chaînes CCD.

Mais il est vite devenu clair que les CCD sont très sensibles à la lumière, et qu'il est donc préférable et plus efficace de les utiliser comme détecteurs de lumière, et non comme dispositifs de stockage.

Si une matrice CCD est utilisée comme photodétecteur, alors l'accumulation de charge sous l'une ou l'autre électrode peut être réalisée par une méthode optique (injection de lumière). On peut dire que les matrices CCD sont intrinsèquement des registres à décalage analogiques sensibles à la lumière. Aujourd'hui, les CCD ne sont pas utilisés comme périphériques de stockage (dispositifs de mémoire), mais uniquement comme photodétecteurs. Ils sont utilisés dans les télécopieurs, les scanners (matrices CCD), les appareils photo et les caméscopes (matrices CCD). En règle générale, les caméras de télévision utilisent des puces dites CCD.

Nous avons supposé que tous les 100% des charges sont transférés à la poche adjacente. Cependant, dans la pratique, il faut compter avec les pertes. L'une des sources de pertes sont les "pièges" qui peuvent capturer et retenir des charges pendant un certain temps. Ces charges n'ont pas le temps de s'écouler dans la poche adjacente si le taux de transfert est élevé.

La deuxième raison est le mécanisme de flux lui-même. Au premier instant, le transfert de charge se produit dans un fort champ électrique - la dérive dans E. Cependant, à mesure que les charges circulent, l'intensité du champ diminue et le processus de dérive s'éteint, de sorte que la dernière partie se déplace en raison de la diffusion, 100 fois plus lentement que la dérive. Attendre la dernière portion signifie ralentir la performance. La dérive donne plus de 90% de transfert. Mais ce sont les derniers pourcentages qui sont les principaux déterminants des pertes.

Soit le coefficient de transfert d'un cycle de transfert égal à k= 0,99, en supposant que le nombre de cycles soit N= 100, on détermine le coefficient de transfert total :

0,99 100 = 0,366

Il devient évident qu'avec un grand nombre d'éléments, même des pertes insignifiantes sur un élément acquièrent grande importance pour l'ensemble de la chaîne.

Par conséquent, la question de la réduction du nombre de transferts de charge dans un réseau CCD revêt une importance particulière. À cet égard, le coefficient de transfert de charge d'un réseau CCD à deux phases sera quelque peu supérieur à celui d'un système triphasé.

Qu'est-ce qu'un CCD ?

Un peu d'histoire

Les matériaux photographiques étaient auparavant utilisés comme récepteurs de lumière : plaques photographiques, film photographique, papier photographique. Plus tard, les caméras de télévision et les PMT (multiplicateur photoélectrique) sont apparus.
À la fin des années 60 et au début des années 70, les soi-disant "dispositifs à couplage de charge" ont commencé à être développés, qui sont abrégés en CCD. En anglais, cela ressemble à des "dispositifs à couplage de charge" ou CCD en abrégé. Le principe derrière les CCD était le fait que le silicium est capable de réagir à la lumière visible. Et ce fait a conduit à l'idée que ce principe peut être utilisé pour obtenir des images d'objets lumineux.

Les astronomes ont été parmi les premiers à reconnaître les capacités extraordinaires des capteurs CCD pour l'imagerie. En 1972, un groupe de chercheurs du JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) fonde le programme de développement CCD pour l'astronomie et la recherche spatiale. Trois des années plus tard, en collaboration avec des scientifiques de l'Université de l'Arizona, cette équipe a obtenu la première image CCD astronomique. Dans une image proche infrarouge d'Uranus, à l'aide d'un télescope de 1,5 mètre, des taches sombres ont été trouvées près du pôle sud de la planète, indiquant la présence de méthane là-bas ...

L'utilisation de matrices CCD trouve aujourd'hui de nombreuses applications : appareils photo numériques, caméras vidéo ; Il est devenu possible d'embarquer une matrice CCD comme des caméras même dans les téléphones portables.

Dispositif CCD

Un dispositif CCD typique (Fig. 1): sur la surface semi-conductrice se trouve une fine couche diélectrique (0,1-0,15 μm) (généralement de l'oxyde), sur laquelle se trouvent des bandes d'électrodes conductrices (en métal ou en silicium polycristallin). Ces électrodes forment un système régulier linéaire ou matriciel, et les distances entre les électrodes sont si petites que les effets de l'influence mutuelle des électrodes voisines sont importants. Le principe de fonctionnement d'un CCD est basé sur la génération, le stockage et le transfert dirigé de paquets de charges dans des puits de potentiel formés dans la couche proche de la surface d'un semi-conducteur lorsque des tensions électriques externes sont appliquées aux électrodes.

Riz. 1. Dispositif principal d'une matrice CCD.

Sur la fig. 1, les symboles C1, C2 et C3 désignent des condensateurs MOS (métal-oxyde-semi-conducteur).

Si une tension positive U est appliquée à n'importe quelle électrode, alors un champ électrique apparaît dans la structure MIS, sous l'action duquel les porteurs majoritaires (trous) quittent très rapidement (en quelques picosecondes) la surface semi-conductrice. En conséquence, une couche appauvrie se forme près de la surface, dont l'épaisseur est de fractions ou d'unités de micromètre. Les porteurs minoritaires (électrons) générés dans la couche d'appauvrissement sous l'influence de tout processus (par exemple, thermique) ou y provenant des régions neutres du semi-conducteur sous l'action de la diffusion se déplaceront (sous l'action du champ) vers le semi-conducteur -interface diélectrique et être localisé dans une couche inverse étroite. Ainsi, un puits de potentiel pour les électrons apparaît près de la surface, dans lequel ils roulent depuis la couche appauvrie sous l'action du champ. Les porteurs majoritaires (trous) générés dans la couche d'appauvrissement sont éjectés sous l'action du champ dans la partie neutre du semi-conducteur.
Pendant un intervalle de temps donné, chaque pixel se remplit progressivement d'électrons proportionnellement à la quantité de lumière qui y est entrée. Au bout de ce temps, les charges électriques accumulées par chaque pixel sont transférées à leur tour vers la "sortie" de l'appareil et mesurées.

La taille du pixel photosensible des matrices va de un ou deux à plusieurs dizaines de microns. La taille des cristaux d'halogénure d'argent dans la couche photosensible du film photographique varie de 0,1 (émulsions positives) à 1 micron (émulsions négatives très sensibles).

L'un des principaux paramètres de la matrice est ce que l'on appelle l'efficacité quantique. Ce nom reflète l'efficacité de la conversion des photons absorbés (quanta) en photoélectrons et est similaire au concept photographique de photosensibilité. Comme l'énergie des quanta de lumière dépend de leur couleur (longueur d'onde), il est impossible de déterminer sans ambiguïté combien d'électrons vont naître dans un pixel matriciel lorsqu'il absorbe, par exemple, un flux d'une centaine de photons hétérogènes. Par conséquent, l'efficacité quantique est généralement donnée dans le passeport de la matrice en fonction de la longueur d'onde, et dans certaines parties du spectre, elle peut atteindre 80 %. C'est bien plus que l'émulsion photographique ou l'oeil (environ 1%).

Que sont les matrices CCD ?

Si les pixels sont disposés sur une rangée, le récepteur est appelé une ligne CCD, mais si la surface est remplie de rangées paires, le récepteur est appelé une matrice CCD.

La règle CCD avait un large éventail d'applications dans les années 80 et 90 pour les observations astronomiques. Il suffisait de maintenir l'image le long de la règle CCD et elle est apparue sur l'écran de l'ordinateur. Mais ce processus s'est accompagné de nombreuses difficultés et, par conséquent, à l'heure actuelle, les réseaux CCD sont de plus en plus remplacés par des matrices CCD.

Effets indésirables

L'un des effets secondaires indésirables du transfert de charge CCD, qui peut interférer avec les observations, est des bandes verticales lumineuses (piliers) au lieu de zones lumineuses d'une petite zone d'image. En outre, les effets indésirables possibles des matrices CCD comprennent : un bruit d'obscurité élevé, la présence de pixels "aveugles" ou "chauds", une sensibilité inégale sur le champ de la matrice. Pour réduire le bruit d'obscurité, un refroidissement autonome des matrices CCD est utilisé à des températures de -20°C et moins. Ou un cadre sombre est pris (par exemple, avec un objectif fermé) avec la même durée (exposition) et la même température avec lesquelles le cadre précédent a été créé. Ensuite programme spécial l'ordinateur soustrait le cadre sombre de l'image.

Les caméras de télévision à base de CCD sont bonnes en ce sens qu'elles offrent la possibilité de capturer des images jusqu'à 25 images par seconde avec une résolution de 752 x 582 pixels. Mais l'inadéquation de certaines caméras de ce type aux observations astronomiques est que le constructeur y implémente un prétraitement d'image interne (lecture - distorsions) pour une meilleure perception des trames reçues à vue. C'est AGC (ajustement de contrôle automatisé) et le soi-disant. l'effet des "frontières nettes" et autres.

Progrès…

En général, l'utilisation de récepteurs CCD est beaucoup plus pratique que l'utilisation de récepteurs de lumière non numériques, car les données obtenues se présentent immédiatement sous une forme adaptée au traitement sur ordinateur et, de plus, la vitesse d'obtention images individuelles est très élevé (de plusieurs images par seconde à quelques minutes).

À l'heure actuelle, la production de matrices CCD se développe et s'améliore à un rythme rapide. Le nombre de "mégapixels" de matrices - le nombre de pixels individuels par unité de surface de la matrice - augmente. Améliorer la qualité des images obtenues avec les CCD, etc.

Sources utilisées :
1. 1. Viktor Belov. Précision au dixième de micron.
2. 2. S.E. Guryanov. Découvrez le CCD.

(lang: 'ru')

Je continue la conversation sur l'appareil entamée dans la publication précédente.

L'un des principaux éléments d'un appareil photo numérique qui le distingue des appareils photo argentiques est un élément photosensible, appelé tube intensificateur d'image ou photosensible. appareil photo numérique. Nous avons déjà parlé des matrices de caméra, mais maintenant regardons de plus près l'appareil et le principe de fonctionnement de la matrice, bien qu'assez superficiellement pour ne pas trop fatiguer le lecteur.

De nos jours, la plupart des appareils photo numériques sont équipés de Matrices CCD.

Matrice CCD. Dispositif. Principe d'opération.

Jetons un coup d'œil à l'appareil Capteurs CCD.

Les semi-conducteurs sont connus pour être divisés en semi-conducteurs de type n et de type p. Dans un semi-conducteur de type n, il y a un excès d'électrons libres, et dans un semi-conducteur de type p, il y a un excès de charges positives, des "trous" (et donc un manque d'électrons). Toute la microélectronique est basée sur l'interaction de ces deux types de semi-conducteurs.

Ainsi, l'élément Capteurs CCD d'un appareil photo numérique agencé comme suit. Voir Fig.1 :

Fig. 1

Si vous n'entrez pas dans les détails, alors un élément CCD ou dispositif à couplage de charge, en transcription anglaise : charge-coupled-device - CCD, est un condensateur MIS (métal-diélectrique-semi-conducteur). Il se compose d'un substrat de type p - une couche de silicium, un isolant en dioxyde de silicium et des plaques d'électrodes. Lorsqu'un potentiel positif est appliqué à l'une des électrodes, une zone appauvrie en porteurs principaux - trous, se forme sous celle-ci, car ils sont écartés par le champ électrique de l'électrode profondément dans le substrat. Ainsi, un puits de potentiel se forme sous cette électrode, c'est-à-dire une zone d'énergie favorable au mouvement des porteurs minoritaires, les électrons, dans celle-ci. Ce puits accumule une charge négative. Il peut être stocké dans ce puits pendant une longue période en raison de l'absence de trous dans celui-ci et, par conséquent, des raisons de la recombinaison des électrons.

En photosensible matrices les électrodes sont des films de silicium polycristallin, transparents dans le domaine visible du spectre.

Les photons de la lumière incidente sur la matrice pénètrent dans le substrat de silicium, y formant une paire trou-électron. Les trous, comme mentionné ci-dessus, sont déplacés profondément dans le substrat et les électrons s'accumulent dans le puits de potentiel.

La charge accumulée est proportionnelle au nombre de photons incidents sur l'élément, c'est-à-dire à l'intensité du flux lumineux. Ainsi, un relief de charge est créé sur la matrice, correspondant à l'image optique.

Mouvement des charges dans un réseau CCD.

Chaque élément CCD comporte plusieurs électrodes auxquelles différents potentiels sont appliqués.

Lorsqu'un potentiel supérieur à celui de l'électrode donnée est appliqué à l'électrode adjacente (voir Fig. 3), un puits de potentiel plus profond se forme en dessous, dans lequel la charge du premier puits de potentiel se déplace. De cette façon, la charge peut se déplacer d'une cellule CCD à une autre. L'élément CCD illustré à la Fig. 3 est appelé triphasé, il existe également des éléments à 4 phases.

Fig.4. Schéma de fonctionnement d'un dispositif à couplage de charge triphasé - un registre à décalage.

Pour convertir les charges en impulsions de courant (photocourant), des registres à décalage série sont utilisés (voir Fig. 4). Un tel registre à décalage est une chaîne d'éléments CCD. L'amplitude des impulsions de courant est proportionnelle à la quantité de charge transférée, et donc proportionnelle au flux lumineux incident. La séquence d'impulsions de courant générée par la lecture de la séquence de charges est alors appliquée à l'entrée de l'amplificateur.

Des lignes d'éléments CCD étroitement espacés sont combinées en CCD. Le fonctionnement d'une telle matrice repose sur la création et le transfert d'une charge locale dans des puits de potentiel créés par un champ électrique.

Fig.5.

Les charges de tous les éléments CCD du registre sont déplacées de manière synchrone vers les éléments CCD voisins. La charge qui était dans la dernière cellule va à la sortie du registre, puis va à l'entrée de l'amplificateur.

L'entrée d'un registre à décalage série est alimentée par des charges de registres à décalage perpendiculaires, qui sont collectivement appelés registre à décalage parallèle. Les registres à décalage parallèle et série constituent la matrice CCD (voir Fig. 4).

Les registres à décalage perpendiculaires au registre série sont appelés colonnes.

Le mouvement des charges du registre parallèle est strictement synchronisé. Toutes les charges d'une rangée sont transférées simultanément à la suivante. Les charges de la dernière ligne tombent dans le registre de série. Ainsi, dans un cycle de travail, une rangée de charges du registre parallèle entre à l'entrée du registre série, laissant la place aux charges nouvellement formées.

Le fonctionnement des registres série et parallèle est synchronisé par le générateur d'horloge. Partie capteurs d'appareil photo numérique comprend également un microcircuit qui fournit des potentiels aux électrodes de transfert de registre et contrôle leur fonctionnement.

Un tube intensificateur d'image de ce type est appelé matrice plein format (matrice CCD plein format). Pour son fonctionnement, il est nécessaire d'avoir un couvercle opaque, qui ouvre d'abord le tube intensificateur d'image pour l'exposition à la lumière, puis, lorsque le nombre de photons nécessaires à l'accumulation d'une charge suffisante dans les éléments de la matrice, le frappe, le referme de la lumière. Un tel couvercle est un obturateur mécanique, comme dans les appareils photo argentiques. L'absence d'un tel obturateur conduit au fait que lorsque les charges se déplacent dans le registre à décalage, les cellules continuent d'être irradiées par la lumière, ajoutant des électrons supplémentaires à la charge de chaque pixel, qui ne correspondent pas au flux lumineux d'un point donné . Cela conduit à un "maculage" de la charge, respectivement à la distorsion de l'image résultante.