31/07/2025Bien qu'en 2025 les capteurs CMOS dominent l'imagerie scientifique et grand public, cela n'a pas toujours été le cas.
CCD signifie « dispositif à transfert de charges », et les capteurs CCD étaient les premiers capteurs des appareils photo numériques, développés pour la première fois en 1970. Les appareils photo à base de CCD et d'EMCCD étaient couramment recommandés pour les applications scientifiques jusqu'à récemment. Ces deux technologies existent toujours, bien que leurs usages soient devenus plus confidentiels.
Le rythme d'amélioration et de développement des capteurs CMOS ne cesse de s'accélérer. La différence entre ces technologies réside principalement dans leur manière de traiter et de lire 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 captent les photons et les transforment en charges électriques.
La lecture des capteurs CCD diffère de celle des capteurs CMOS de trois manières importantes :
● Transfert de fraisLes photoélectrons capturés sont déplacés électrostatiquement pixel par pixel à travers le capteur vers une zone de lecture située en bas.
● Mécanisme de lectureAu lieu d'une rangée entière de convertisseurs analogiques-numériques (CAN) fonctionnant en parallèle, les CCD n'utilisent qu'un ou deux CAN (ou parfois plus) qui lisent les pixels séquentiellement.
Placement des condensateurs et des amplificateurs : au lieu de condensateurs et d’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 :
À la fin de l'exposition, les capteurs CCD transfèrent d'abord les charges collectées dans 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. Enfin, colonne par colonne, les charges contenues dans le registre sont lues.
1. Règlement des fraisPour commencer l'acquisition, la charge est simultanément effacée de l'ensemble du capteur (obturateur global).
2. Accumulation de charge: La charge s'accumule pendant l'exposition.
3. Charge StorageÀ la fin de l'exposition, les charges collectées sont déplacées vers une zone masquée à l'intérieur de chaque pixel (appelée CCD de transfert inter-ligne), où elles peuvent attendre la lecture sans que de nouveaux photons détectés soient comptés.
4. Exposition de l'image suivanteGrâce aux charges détectées et stockées dans la zone masquée des pixels, la zone active des pixels peut commencer l'exposition de l'image suivante (mode de chevauchement).
5. Lecture séquentielleUne rangée à la fois, les charges de chaque rangée de la trame terminée sont transférées dans un « registre de lecture ».
6. Résultats finauxUne colonne à la fois, les charges de chaque pixel sont acheminées vers le nœud de lecture pour être lues par le CAN.
7. RépétitionCe processus se répète jusqu'à ce que les charges détectées dans tous les pixels soient comptabilisées.
Ce goulot d'étranglement, dû au fait que toutes les charges détectées sont lues par un petit nombre (parfois un seul) de points de lecture, entraîne de graves limitations dans le débit de données des capteurs CCD par rapport aux capteurs CMOS.
Avantages et inconvénients des capteurs CCD
| Avantages | Cons |
| Courant d'obscurité faible, généralement ~0,001 e⁻/p/s en mode refroidissement. | Vitesse limitée Débit typique ~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 à transfert inter-lignes/images. | Les pixels de plus grande taille ne peuvent rivaliser avec la miniaturisation offerte par les capteurs CMOS. |
| Uniformité d'image élevée, excellente pour l'imagerie quantitative. | Consommation d'énergie élevée : nécessite plus d'énergie pour le transfert de charge et la lecture. |
Avantages du capteur CCD
● Faible courant d'obscuritéDe par leur nature technologique, les capteurs CCD ont tendance à avoir un courant d'obscurité très faible, typiquement de l'ordre de 0,001 e-/p/s lorsqu'ils sont refroidis.
● Regroupement « sur pixel »Lors du regroupement de pixels, les capteurs CCD ajoutent des charges avant la lecture, et non après, ce qui évite l'introduction de bruit de lecture supplémentaire. Le courant d'obscurité augmente, mais comme indiqué précédemment, il reste généralement très faible.
● Obturateur globalLes capteurs CCD « interligne » fonctionnent avec un obturateur global. Les capteurs CCD « transfert d'image » utilisent un obturateur semi-global (voir la zone masquée de la figure 45) : le processus de transfert d'image pour le début et la fin de l'exposition n'est pas parfaitement simultané, mais dure généralement de 1 à 10 microsecondes. Certains capteurs CCD utilisent un obturateur mécanique.
Inconvénients des capteurs CCD
● Vitesse limitéeLe débit de données typique, exprimé en pixels par seconde, est d'environ 20 mégapixels par seconde (MP/s), ce qui équivaut à une image de 4 MP à 5 images par seconde. C'est environ 20 fois plus lent qu'un capteur CMOS équivalent, et au moins 100 fois plus lent qu'un capteur CMOS haute vitesse.
● Bruit de lecture élevéLe bruit de lecture des capteurs CCD est élevé, principalement en raison de la nécessité de faire fonctionner le ou les convertisseurs analogique-numérique à une fréquence élevée pour obtenir une vitesse de prise de vue acceptable. On observe généralement des valeurs de 5 à 10 e- pour les caméras CCD haut de gamme.
● Pixels plus grandsPour de nombreuses applications, des pixels plus petits présentent des avantages. L'architecture CMOS classique permet des tailles de pixel minimales inférieures à celles des CCD.
● Forte consommation d'énergieLes besoins en énergie pour faire fonctionner les capteurs CCD sont beaucoup plus élevés que pour les capteurs 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 d'image, la sensibilité et la reproductibilité sont primordiales. Leur capacité supérieure à capturer des signaux en faible luminosité avec un minimum de bruit les rend idéaux pour les applications de précision.
Astronomie
Les capteurs CCD sont essentiels en imagerie astronomique grâce à leur capacité à capter la faible lumière des étoiles et des galaxies lointaines. Ils sont largement utilisés dans les observatoires et par les astronomes amateurs confirmés pour l'astrophotographie à longue exposition, permettant d'obtenir des images nettes et détaillées.
Microscopie et sciences de la vie
En sciences de la vie, les capteurs CCD permettent de capturer de faibles signaux de fluorescence ou des structures cellulaires subtiles. Leur haute sensibilité et leur uniformité les rendent parfaitement adaptés à des applications telles que la microscopie de fluorescence, l'imagerie cellulaire en temps réel et la pathologie numérique. Leur réponse linéaire à la lumière garantit une analyse quantitative précise.
Inspection des semi-conducteurs
Les capteurs CCD sont essentiels dans la fabrication des semi-conducteurs, notamment pour l'inspection des plaquettes. Leur haute résolution et la qualité constante de leurs images sont indispensables pour identifier les défauts à l'échelle micrométrique dans les puces, garantissant ainsi la précision requise pour la production de semi-conducteurs.
Imagerie par rayons X 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 obtenir des images nettes dans des conditions difficiles telles que la cristallographie, l'analyse des matériaux et les essais non destructifs.
Les capteurs CCD sont-ils encore 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 le choix privilégié pour l'imagerie de haute précision en très faible luminosité, où leur qualité d'image et leur faible niveau de bruit sont essentiels. Dans des domaines comme l'astronomie du ciel profond ou la microscopie à fluorescence avancée, les caméras CCD surpassent souvent de nombreuses alternatives CMOS.
Comprendre les points forts et les faiblesses des capteurs CCD aide les chercheurs et les ingénieurs à sélectionner la technologie adaptée à leurs besoins spécifiques, garantissant ainsi 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, car la technologie CMOS commence à concurrencer même leurs performances en matière de faible courant d'obscurité. Cependant, il y aura toujours des applications où leur combinaison de caractéristiques de performance — telles qu'une qualité d'image supérieure, un faible bruit et une haute sensibilité — constituera un avantage.
Pourquoi les appareils photo scientifiques utilisent-ils des capteurs CCD refroidis ?
Le refroidissement réduit le bruit thermique lors de la capture d'images, améliorant ainsi la netteté et la sensibilité. Ceci est particulièrement important pour l'imagerie scientifique en basse lumière et à longue exposition, ce qui explique pourquoi de nombreux appareils haut de gammecaméras scientifiquesUtilisez des capteurs CCD refroidis pour des résultats plus nets 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 de superposition ». Pour les caméras à obturateur global, cela signifie qu'elles peuvent lire l'image précédente pendant l'exposition de l'image suivante. Il en résulte un taux d'utilisation élevé (proche de 100 %), ce qui minimise le temps d'exposition et permet d'atteindre des cadences d'acquisition plus élevées.
Remarque : Le mode de chevauchement a une signification différente pour les capteurs à obturateur roulant.
Pour en savoir plus sur les volets roulants, veuillez cliquer ici :
Fonctionnement et utilisation du mode de commande des volets roulants
