Comprendre les capteurs CCD : ce qu'ils sont et comment ils fonctionnent |

Bien qu’en 2025, les capteurs CMOS dominent l’imagerie scientifique et grand public, cela n’a pas toujours été le cas.

CCD signifie « Charge-Coupled Device » (dispositif à couplage de charge). Les capteurs CCD sont les premiers capteurs d'appareils photo numériques, développés en 1970. Les caméras CCD et EMCCD étaient couramment recommandées pour les applications scientifiques jusqu'à il y a quelques années. Ces deux technologies survivent encore aujourd'hui, même si leurs applications sont devenues de niche.

Le rythme d'amélioration et de développement des capteurs CMOS continue de s'accélérer. La différence entre ces technologies réside principalement dans la manière dont elles traitent et lisent la charge électronique détectée.

Qu'est-ce qu'un capteur CCD ?

Un capteur CCD est un type de capteur d'image utilisé pour capturer la lumière et la convertir en signaux numériques. Il est constitué d'un réseau de pixels photosensibles qui collectent les photons et les transforment en charges électriques.

La lecture du capteur CCD diffère de celle du CMOS de trois manières importantes :

● Transfert de charge:Les photoélectrons capturés sont déplacés électrostatiquement pixel par pixel à travers le capteur jusqu'à une zone de lecture en bas.
● Mécanisme de lecture:Au lieu d'une rangée entière de convertisseurs analogiques-numériques (CAN) fonctionnant en parallèle, les CCD utilisent seulement un ou deux CAN (ou parfois plus) qui lisent les pixels de manière séquentielle.

Placement des condensateurs et des amplificateurs : à la place des condensateurs et des amplificateurs dans chaque pixel, chaque CAN possède un condensateur et un amplificateur.

Comment fonctionne un capteur CCD ?

Voici comment fonctionne un capteur CCD pour acquérir et traiter une image :

Illustration du fonctionnement d'un capteur CCD

Figure : Processus de lecture pour un capteur CCD

À la fin de l'exposition, les capteurs CCD déplacent d'abord les charges collectées vers une zone de stockage masquée à l'intérieur de chaque pixel (non représentée). Ensuite, ligne par ligne, les charges sont transférées dans un registre de lecture. Colonne par colonne, les charges du registre de lecture sont lues.

1. Compensation des frais:Pour commencer l'acquisition, la charge est simultanément effacée de l'ensemble du capteur (obturateur global).
2. Accumulation de charges:La charge s'accumule pendant l'exposition.
3. Stockage de charge:À la fin de l'exposition, les charges collectées sont déplacées vers une zone masquée à l'intérieur de chaque pixel (appelée CCD à transfert interligne), où elles peuvent attendre la lecture sans que de nouveaux photons détectés soient comptés.
4. Exposition de l'image suivante:Avec les charges détectées stockées dans la zone masquée des pixels, la zone active des pixels peut commencer l'exposition de l'image suivante (mode chevauchement).
5. Lecture séquentielle:Une ligne à la fois, les charges de chaque ligne de la trame terminée sont déplacées dans un « registre de lecture ».
6. Lecture finale:Une colonne à la fois, les charges de chaque pixel sont acheminées vers le nœud de lecture pour être lues au niveau de l'ADC.
7. Répétition:Ce processus se répète jusqu'à ce que les charges détectées dans tous les pixels soient comptées.

Ce goulot d'étranglement causé par le fait que toutes les charges détectées sont lues par un petit nombre (parfois un) de points de lecture, conduit à de graves limitations du débit de données des capteurs CCD par rapport au CMOS.

Avantages et inconvénients des capteurs CCD

Avantages	Inconvénients
Faible courant d'obscurité Généralement ~0,001 e⁻/p/s une fois refroidi.	Vitesse limitée Débit typique d'environ 20 MP/s — beaucoup plus lent que le CMOS.
Les charges de regroupement sur pixel sont additionnées avant la lecture, ce qui réduit le bruit.	Un bruit de lecture élevé de 5 à 10 e⁻ est courant en raison de la lecture ADC à point unique.
Obturateur global Véritable obturateur global ou quasi global dans les CCD interlignes/à transfert d'image.	Les tailles de pixels plus grandes ne peuvent pas correspondre à la miniaturisation offerte par le CMOS.
Uniformité d'image élevée Excellent pour l'imagerie quantitative.	Consommation d'énergie élevée Nécessite plus de puissance pour le transfert de charge et la lecture.

Avantages du capteur CCD

● Faible courant d'obscurité:En tant que technologie, les capteurs CCD ont tendance à avoir un courant d'obscurité très faible, généralement de l'ordre de 0,001 e-/p/s lorsqu'ils sont refroidis.
● Binning « sur pixel »Lors du binning, les CCD ajoutent des charges avant la lecture, et non après, ce qui évite tout bruit de lecture supplémentaire. Le courant d'obscurité augmente, mais comme indiqué précédemment, il est généralement très faible.
● Obturateur globalLes capteurs CCD « Interline » fonctionnent avec un véritable obturateur global. Les capteurs CCD « Frame Transfer » utilisent un obturateur « semi-global » (voir la zone « Masquée » de la figure 45). Le processus de transfert d'image pour démarrer et terminer l'exposition n'est pas réellement simultané, mais prend généralement de 1 à 10 microsecondes. Certains capteurs CCD utilisent un obturateur mécanique.

Inconvénients des capteurs CCD

● Vitesse limitéeLe débit de données typique en pixels par seconde peut atteindre environ 20 mégapixels par seconde (MP/s), soit l'équivalent d'une image de 4 MP à 5 ips. Ce débit est environ 20 fois inférieur à celui d'un CMOS équivalent et au moins 100 fois inférieur à celui d'un CMOS haute vitesse.
● Bruit de lecture élevé:Le bruit de lecture dans les CCD est élevé, en grande partie en raison de la nécessité d'exécuter le(s) CAN à une vitesse élevée pour atteindre une vitesse de caméra utilisable. 5 à 10 e- est courant pour les caméras CCD haut de gamme.
● Pixels plus grandsPour de nombreuses applications, des pixels plus petits offrent des avantages. L'architecture CMOS classique permet des tailles de pixels minimales inférieures à celles des CCD.
● Consommation d'énergie élevée:Les besoins en énergie pour faire fonctionner les capteurs CCD sont bien plus élevés que ceux des CMOS.

Applications des capteurs CCD en imagerie scientifique

Bien que la technologie CMOS ait gagné en popularité, les capteurs CCD restent privilégiés dans certaines applications d'imagerie scientifique où la qualité, la sensibilité et la cohérence des images sont primordiales. Leur capacité supérieure à capturer des signaux de faible luminosité avec un bruit minimal les rend idéaux pour les applications de précision.

Astronomie

Les capteurs CCD sont essentiels en imagerie astronomique, car ils captent la faible lumière des étoiles et galaxies lointaines. Ils sont largement utilisés dans les observatoires et en astronomie amateur avancée pour l'astrophotographie à longue exposition, offrant des images claires et détaillées.

Microscopie et sciences de la vie

Dans les sciences de la vie, les capteurs CCD sont utilisés pour capturer de faibles signaux de fluorescence ou des structures cellulaires subtiles. Leur grande sensibilité et leur uniformité les rendent parfaits pour des applications telles que la microscopie à fluorescence, l'imagerie de cellules vivantes et la pathologie numérique. Leur réponse lumineuse linéaire garantit une analyse quantitative précise.

Inspection des semi-conducteurs

Les capteurs CCD sont essentiels à la fabrication de semi-conducteurs, notamment pour l'inspection des plaquettes. Leur haute résolution et leur qualité d'image constante sont essentielles pour identifier les défauts microscopiques des puces, garantissant ainsi la précision requise pour la production de semi-conducteurs.

Radiographie et imagerie scientifique

Les capteurs CCD sont également utilisés dans les systèmes de détection de rayons X et d'autres applications d'imagerie spécialisées. Leur capacité à maintenir des rapports signal/bruit élevés, notamment lorsqu'ils sont refroidis, est essentielle pour une imagerie nette dans des conditions difficiles telles que la cristallographie, l'analyse des matériaux et les contrôles non destructifs.

Les capteurs CCD sont-ils toujours pertinents aujourd’hui ?

Caméra CCD Tucsen H-694 et 674

Malgré le développement rapide de la technologie CMOS, les capteurs CCD sont loin d'être obsolètes. Ils restent un choix privilégié pour les tâches d'imagerie de très faible luminosité et de haute précision, où leur qualité d'image et leurs caractéristiques de bruit inégalées sont cruciales. Dans des domaines comme l'astronomie spatiale ou la microscopie à fluorescence avancée, les caméras CCD surpassent souvent de nombreuses alternatives CMOS.

Comprendre les forces et les faiblesses des capteurs CCD aide les chercheurs et les ingénieurs à sélectionner la technologie adaptée à leurs besoins spécifiques, garantissant des performances optimales dans leurs applications scientifiques ou industrielles.

FAQ

Quand dois-je choisir un capteur CCD ?

Les capteurs CCD sont beaucoup plus rares aujourd'hui qu'il y a dix ans, la technologie CMOS commençant à altérer leurs performances, même à faible courant d'obscurité. Cependant, il existera toujours des applications où la combinaison de leurs performances, telles qu'une qualité d'image supérieure, un faible bruit et une sensibilité élevée, constituera un avantage.

Pourquoi les caméras scientifiques utilisent-elles des capteurs CCD refroidis ?

Le refroidissement réduit le bruit thermique lors de la capture d'image, améliorant ainsi la clarté et la sensibilité de l'image. Ceci est particulièrement important pour l'imagerie scientifique en faible luminosité et à longue exposition, raison pour laquelle de nombreux appareils haut de gammecaméras scientifiquescomptez sur des CCD refroidis pour des résultats plus propres et plus précis.

Qu'est-ce que le mode de chevauchement dans les capteurs CCD et EMCCD et comment améliore-t-il les performances de la caméra ?

Les capteurs CCD et EMCCD sont généralement compatibles avec le mode « overlap ». Pour les appareils photo à obturateur global, cela signifie la possibilité de lire l'image précédente pendant l'exposition de l'image suivante. Cela permet un cycle de service élevé (proche de 100 %), ce qui minimise le temps perdu à ne pas exposer les images à la lumière, et donc des fréquences d'images plus élevées.

Remarque : le mode de chevauchement a une signification différente pour les capteurs à obturateur roulant.

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