Charge-coupled device (Français)

Les capteurs d’image CCD peut être mis en œuvre dans plusieurs architectures différentes. Les plus courants sont le plein cadre, le transfert de trame et l’interligne. La caractéristique de chacune de ces architectures est leur approche du problème de coffrage.,

dans un appareil Plein cadre, toute la zone de l’image est active et il n’y a pas d’obturateur électronique. Un obturateur mécanique doit être ajouté à ce type de capteur ou l’image s’efface lorsque l’appareil est cadencé ou lu.

avec un CCD à transfert de trame, la moitié de la surface en silicium est recouverte d’un masque opaque (typiquement en aluminium). L’image peut être rapidement transférée de la zone d’image à la zone opaque ou à la zone de stockage avec un frottis acceptable de quelques pour cent. Cette image peut ensuite être lue lentement à partir de la zone de stockage pendant qu’une nouvelle image s’intègre ou s’expose dans la zone active., Les dispositifs de transfert de trame ne nécessitent généralement pas d’obturateur mécanique et étaient une architecture commune pour les premières caméras de diffusion à semi-conducteurs. L’inconvénient de l’architecture de transfert de cadre est qu’elle nécessite deux fois plus de biens immobiliers en silicium qu’un appareil Plein cadre équivalent; par conséquent, elle coûte environ deux fois plus cher.

l’architecture interline étend ce concept un peu plus loin et masque toutes les autres colonnes du capteur d’image pour le stockage., Dans ce dispositif, un seul décalage de pixel doit se produire pour transférer de la zone d’image à la zone de stockage; ainsi, les temps d’obturation peuvent être inférieurs à une microseconde et le frottis est essentiellement éliminé. L’avantage n’est pas gratuit, cependant, car la zone d’imagerie est maintenant couverte par des bandes opaques faisant tomber le facteur de remplissage à environ 50% et l’efficacité quantique effective d’une quantité équivalente. Les conceptions modernes ont abordé cette caractéristique délétère en ajoutant des microlentilles sur la surface de l’appareil pour diriger la lumière loin des régions opaques et sur la zone active., Les microlentilles peuvent ramener le facteur de remplissage jusqu’à 90% ou plus en fonction de la taille des pixels et de la conception optique globale du système.

le choix de l’architecture se résume à celui de l’utilité. Si l’application ne peut pas tolérer un obturateur mécanique coûteux, sujet aux pannes et à forte consommation d’énergie, un dispositif interligne est le bon choix. Les caméras instantanées grand public ont utilisé des dispositifs interlignes. D’autre part, pour les applications qui nécessitent la meilleure collecte de lumière possible et les problèmes d’argent, de puissance et de temps sont moins importants, l’appareil plein format est le bon choix., Les astronomes ont tendance à préférer les appareils plein format. Le transfert de trame se situe entre les deux et était un choix courant avant que la question du facteur de remplissage des dispositifs interlignes ne soit abordée. Aujourd’hui, le transfert de trame est généralement choisi lorsqu’une architecture interligne n’est pas disponible, comme dans un appareil rétro-éclairé.

Les CCD contenant des grilles de pixels sont utilisés dans les appareils photo numériques, les scanners optiques et les caméras vidéo comme dispositifs de détection de la lumière., Ils répondent généralement à 70% de la lumière incidente (ce qui signifie une efficacité quantique d’environ 70%), ce qui les rend beaucoup plus efficaces que les films photographiques, qui ne captent qu’environ 2% de la lumière incidente.

la plupart des types de CCD courants sont sensibles à la lumière proche infrarouge, ce qui permet la photographie infrarouge, les appareils de vision nocturne et l’enregistrement/photographie vidéo zero lux (ou near zero lux). Pour les détecteurs normaux à base de silicium, la sensibilité est limitée à 1,1 µm., Une autre conséquence de leur sensibilité à l’infrarouge est que l’infrarouge des télécommandes apparaît souvent sur les appareils photo numériques ou les caméscopes CCD s’ils n’ont pas de bloqueurs infrarouges.

le refroidissement réduit le courant sombre du réseau, améliorant la sensibilité du CCD aux faibles intensités de lumière, même pour les longueurs d’onde ultraviolettes et visibles. Les observatoires professionnels refroidissent souvent leurs détecteurs avec de l’azote liquide pour réduire le courant d’obscurité, et donc le bruit thermique, à des niveaux négligeables.,

frame transfer CCDEdit

L’imageur CCD de transfert de trame a été la première structure d’imagerie proposée Pour L’imagerie CCD par Michael Tompsett aux Laboratoires Bell. Un CCD de transfert de trame est un CCD spécialisé, souvent utilisé en astronomie et dans certaines caméras vidéo professionnelles, conçu pour une efficacité et une exactitude d’exposition élevées.

le fonctionnement normal d’un CCD, astronomique ou autre, peut être divisé en deux phases: l’exposition et la lecture., Au cours de la première phase, LE CCD collecte passivement les photons entrants, stockant les électrons dans ses cellules. Une fois le temps d’exposition écoulé, les cellules sont lues une ligne à la fois. Pendant la phase de lecture, les cellules sont décalées sur toute la zone du CCD. Pendant qu’ils sont décalés, ils continuent à collecter la lumière. Ainsi, si le déplacement n’est pas assez rapide, des erreurs peuvent résulter de la lumière qui tombe sur une cellule en charge pendant le transfert. Ces erreurs sont appelées « frottis vertical » et provoquent une forte source de lumière pour créer une ligne verticale au-dessus et au-dessous de son emplacement exact., En outre, le CCD ne peut pas être utilisé pour collecter la lumière pendant sa lecture. Malheureusement, un changement de vitesse plus rapide nécessite une lecture plus rapide, et une lecture plus rapide peut introduire des erreurs dans la mesure de la charge de la cellule, conduisant à un niveau de bruit plus élevé.

un CCD de transfert de trame résout les deux problèmes: il a une zone blindée, non sensible à la lumière, contenant autant de cellules que la zone exposée à la lumière. En règle générale, cette zone est recouverte d’un matériau réfléchissant tel que l’aluminium. Lorsque le temps d’exposition est écoulé, les cellules sont transférées très rapidement vers la zone cachée., Ici, à l’abri de toute lumière entrante, les cellules peuvent être lues à n’importe quelle vitesse que l’on juge nécessaire pour mesurer correctement la charge des cellules. Dans le même temps, la partie exposée du CCD collecte à nouveau la lumière, de sorte qu’aucun délai ne se produit entre les expositions successives.

l’inconvénient d’un tel CCD est le coût plus élevé: la surface de la cellule est fondamentalement doublée et une électronique de commande plus complexe est nécessaire.,

Intensified charge-coupled devicedit

un dispositif intensifié à couplage de charge (ICCD) est un CCD qui est connecté optiquement à un intensificateur d’image qui est monté devant le CCD.

un intensificateur d’image comprend trois éléments fonctionnels: une photocathode, une plaque micro-canal (MCP) et un écran de phosphore. Ces trois éléments sont montés proches l’un derrière l’autre dans la séquence. Les photons qui proviennent de la source de lumière tombent sur la photocathode, générant ainsi des photoélectrons., Les photoélectrons sont accélérés vers le MCP par une tension de commande électrique, appliquée entre la photocathode et le MCP. Les électrons sont multipliés à l’intérieur du MCP et ensuite accélérés vers l’écran de phosphore. L’écran de phosphore convertit finalement les électrons multipliés en photons qui sont guidés vers le CCD par une fibre optique ou une lentille.

un intensificateur d’image comprend intrinsèquement une fonction d’obturation: si la tension de commande entre la photocathode et le MCP est inversée, les photoélectrons émis ne sont pas accélérés vers le MCP mais retournent vers la photocathode., Ainsi, aucun électron n’est multiplié et émis par le MCP, aucun électron ne va à l’écran de phosphore et aucune lumière n’est émise par l’intensificateur d’image. Dans ce cas, aucune lumière ne tombe sur le CCD, ce qui signifie que l’obturateur est fermé. Le processus d’inversion de la tension de commande à la photocathode est appelé gating et donc ICCD sont également appelés caméras CCD gateable.

outre la sensibilité extrêmement élevée des caméras ICCD, qui permettent la détection de photons uniques, la facilité d’accès est l’un des principaux avantages de L’ICCD par rapport aux caméras EMCCD., Les caméras ICCD les plus performantes permettent des temps d’obturation aussi courts que 200 picosecondes.

Les caméras ICCD sont en général un peu plus chères que les caméras EMCCD car elles ont besoin d’un intensificateur d’image coûteux. D’autre part, les caméras EMCCD ont besoin d’un système de refroidissement pour refroidir la puce EMCCD à des températures autour de 170 K (-103 °C). Ce système de refroidissement ajoute des coûts supplémentaires à la caméra EMCCD et génère souvent de lourds problèmes de condensation dans l’application.

Les ICCD sont utilisés dans les dispositifs de vision nocturne et dans diverses applications scientifiques.,

Electron-multiplicating CCDEdit

un CCD multiplicateur d’électrons (EMCCD, également connu sous le nom de CCD L3Vision, un produit commercialisé par e2v Ltd., GB, L3CCD ou CCD Impactron, un produit maintenant abandonné offert dans le passé par Texas Instruments) est un dispositif à couplage de charge dans lequel un registre de gain est placé entre le Registre à décalage et l’amplificateur de sortie., Le registre de gain est divisé en un grand nombre d’étapes. À chaque étape, les électrons sont multipliés par ionisation d’impact de la même manière qu’une diode avalanche. La probabilité de gain à chaque étape du registre est faible (P < 2%), mais comme le nombre d’éléments est important ( N > 500), le gain global peut être très élevé ( g = (1 + P ) n {\displaystyle g=(1+P)^{N}} ), avec des électrons d’entrée unique donnant plusieurs milliers d’électrons de sortie. La lecture d’un signal à partir d’un CCD donne un bruit de fond, généralement quelques électrons., Dans un EMCCD, ce bruit est superposé à plusieurs milliers d’électrons plutôt qu’à un seul électron; le principal avantage des appareils est donc leur bruit de lecture négligeable. L’utilisation de la ventilation par avalanche pour l’amplification des charges photographiques avait déjà été décrite dans le brevet américain 3 761 744 en 1973 par George E. Smith/Bell Telephone Laboratories.

Les EMCCD montrent une sensibilité similaire aux CCD intensifiés (ICCDs). Cependant, comme avec ICCDs, le gain qui est appliqué dans le registre de gain est stochastique et le gain exact qui a été appliqué à la charge d’un pixel est impossible à connaître., À des gains élevés (> 30), cette incertitude a le même effet sur le rapport signal sur bruit (SNR) que la réduction de moitié de L’efficacité quantique (QE) par rapport au fonctionnement avec un gain d’unité. Cependant, à des niveaux de lumière très faibles (où l’efficacité quantique est la plus importante), on peut supposer qu’un pixel contient un électron—ou non. Cela supprime le bruit associé à la multiplication stochastique au risque de compter plusieurs électrons dans le même pixel comme un seul électron., Pour éviter plusieurs comptes dans un pixel en raison de photons coïncidents dans ce mode de fonctionnement, des fréquences d’images élevées sont essentielles. La dispersion dans le gain est montrée dans le graphique à droite. Pour les registres de multiplication avec de nombreux éléments et des gains importants, il est bien modélisé par l’équation:

où P est la probabilité d’obtenir n électrons de sortie étant donné m électrons d’entrée et un gain total moyen du registre de multiplication de G.

en raison des coûts plus faibles et d’une meilleure résolution, , Les ICCD ont toujours l’avantage de pouvoir être verrouillés très rapidement et sont donc utiles dans des applications telles que l’imagerie à distance. Les caméras EMCCD nécessitent un système de refroidissement indispensable-utilisant un refroidissement thermoélectrique ou de l’azote liquide—pour refroidir la puce à des températures comprises entre -65 et -95 °c (-85 à -139 °F). Ce système de refroidissement ajoute malheureusement des coûts supplémentaires au système D’imagerie EMCCD et peut entraîner des problèmes de condensation dans l’application. Cependant, les caméras EMCCD haut de gamme sont équipées d’un système de vide hermétique permanent confinant la puce pour éviter les problèmes de condensation.,

Les capacités de faible luminosité des EMCCD trouvent une utilisation dans l’astronomie et la recherche biomédicale, entre autres domaines. En particulier, leur faible bruit à des vitesses de lecture élevées les rend très utiles pour une variété d’applications astronomiques impliquant des sources de faible luminosité et des événements transitoires tels que l’imagerie chanceuse d’étoiles faibles, la photométrie à comptage de photons à grande vitesse, la spectroscopie Fabry-Pérot et la spectroscopie haute résolution., Plus récemment, ces types de CCD ont percé dans le domaine de la recherche biomédicale dans des applications à faible luminosité, y compris l’imagerie des petits animaux, l’imagerie à molécule unique, la spectroscopie Raman, la microscopie à super résolution ainsi qu’une grande variété de techniques modernes de microscopie à fluorescence grâce à un plus grand SNR dans des

en termes de bruit, les caméras EMCCD commerciales ont généralement une charge induite par l’horloge (CIC) et un courant d’obscurité (dépendant de l’étendue du refroidissement) qui, ensemble, conduisent à un bruit de lecture efficace allant de 0.,01 à 1 électrons par pixel lu. Cependant, les améliorations récentes de la technologie EMCCD ont conduit à une nouvelle génération de caméras capables de produire beaucoup moins de CIC, une efficacité de transfert de charge plus élevée et un gain EM 5 fois plus élevé que ce qui était auparavant disponible. Ces progrès dans la détection de faible luminosité conduisent à un bruit de fond Total efficace de 0,001 électrons par pixel lu, un plancher de bruit inégalé par tout autre dispositif d’imagerie à faible luminosité.