Qu’est-ce qu’une caméra CCD ?
Une caméra CCD utilise un CCD comme capteur d’image, acronyme de “Charge Coupled Device” (dispositif à couplage de charge).
Ces dernières années, les innovations technologiques les ont remplacés par des capteurs CMOS, supérieurs en termes de performances et de coût. Toutefois, les caméras CCD sont encore utilisées dans certains domaines de recherche : elles ont tendance à produire des photographies plus contrastées que les CMOS et sont préférées par certains amateurs.
Utilisations des caméras CCD
Les capteurs CCD sont intégrés dans certains appareils photo numériques compacts mais le développement de capteurs CCD à usage général est presque terminé. Ils seront probablement remplacés par des capteurs CMOS à l’avenir.
Cependant, ils sont souvent utiles dans la recherche. Par exemple, ils sont utilisés en combinaison avec des microscopes pour l’imagerie de biomolécules. Le CCD se caractérise par sa grande sensibilité.
De plus, la sensibilité de détection peut être multipliée jusqu’à 1000 fois en amplifiant le signal de détection avec un CCD multiplicateur d’électrons (EM).
Les capteurs CMOS récents couvrent la détection de la fluorescence d’une seule molécule grâce à des rendements quantiques améliorés. Toutefois, lorsque la fluorescence d’une molécule unique est faible, les caméras EMCCD avec amplification du signal sont plus avantageuses.
Principe des caméras CCD
Une caméra CCD utilise un objectif, ou un autre système optique, pour former une image sur un capteur CCD constitué d’une matrice de photodiodes (éléments CCD). Le capteur CCD est divisé en une section supérieure et une section inférieure pour la réception de la lumière et une section inférieure pour la transmission.
Lorsqu’un photon frappe un élément CCD récepteur de lumière, l’effet photoélectrique génère des électrons et l’élément CCD stocke une charge électrique. La charge accumulée dans chaque CCD est transférée au CCD pour transfert et le courant est amplifié par un amplificateur. Le courant amplifié est calculé par la carte de contrôle de la caméra CCD et converti en données d’image.
Dans les EMCCD, une tension est appliquée à la charge transférée avant qu’elle ne soit envoyée à l’amplificateur pour effectuer le doublement des électrons. Cette opération repose sur le phénomène d’ionisation par collision. Avec les EMCCD à doublement d’électrons, les photons uniques peuvent également être détectés et le nombre de photons peut être mesuré.
Cependant, le transfert de charge n’a lieu que lorsqu’une charge suffisante s’est accumulée dans tous les CCD d’une rangée. C’est le facteur limitant le taux de transfert.
Types de caméras CCD
1. Type d’élément CCD
Type plein cadre
Les CCD plein cadre sont des CCD standard qui présentent la sensibilité et la gamme dynamique les plus élevées pour les mesures physiques et chimiques. Un obturateur de protection contre la lumière est nécessaire pour empêcher la lumière de briller sur l’élément pendant la lecture.
Type de transfert de trame
Le type à transfert de trame comporte deux types de CCD, l’un pour la réception de la lumière et l’autre pour le stockage des images. L’image reçue est transférée sur le CCD pour un stockage temporaire, et la charge stockée est lue lors de l’exposition suivante. Bien qu’un obturateur ne soit pas nécessaire, un CCD d’une surface deux fois plus grande est nécessaire.
Type interligne
Le CCD de type interligne est un type dans lequel les sections de réception et de stockage de la lumière sont disposées dans un seul élément. Ce type d’élément CCD est utilisé dans les caméras vidéo. Un obturateur n’est pas nécessaire, mais l’ouverture est plus petite que celle d’un plein cadre.
2. Types de caméras CCD
Caméras spectroscopiques
Cette caméra est utilisée pour obtenir le spectre spectral d’une image. Les caractéristiques spectrales de l’image dans la plage de prise de vue peuvent être mesurées en une seule fois. Les utilisations comprennent le diagnostic de la fraîcheur des aliments, la détection de corps étrangers et, dans le domaine industriel, la gestion de la couleur des produits.
Caméras pour l’observation biologique
Les caméras CCD refroidies sont largement utilisées pour l’observation des mouvements infimes des organismes vivants et pour l’observation d’images à des niveaux de lumière extrêmement faibles lorsqu’elles sont fixées à un microscope. La haute sensibilité, la haute résolution et la haute vitesse sont importantes.
Caméras à rayons X
Les caméras CCD à rayons X sont de plus en plus utilisées dans la gamme des rayons X mous à durs, où la sensibilité élevée et la large gamme dynamique des caméras CCD sont supérieures à celles d’autres détecteurs.
Caméras à grande vitesse
Les caméras capables de prendre plus de 100 images par seconde sont appelées caméras à grande vitesse. Elles sont de plus en plus utilisées dans des utilisations industrielles telles que les essais de collision automobile et le contrôle des processus de fabrication en usine.
Autres informations sur les caméras CDD
Différences avec les caméras C-MOS
Les capteurs CCD extraient la charge des électrodes vers l’extérieur comme un relais à godet. A l’inverse, les capteurs C-MOS ont une photodiode dans chaque pixel et lisent le signal directement à partir du pixel tout en commutant à grande vitesse avec un commutateur à semi-conducteur. Les différences sont donc les suivantes :
CCD = consommation d’énergie x / qualité d’image ◎ / prix x
C-MOS = consommation d’énergie ◎ / qualité d’image ◎ / prix ◎
Les CCD ont donc une meilleure qualité d’image et les C-MOS sont moins chers.