Qu’est-ce qu’un capteur CCD ?
Un capteur CCD (en anglais : Charge-Coupled Device sensor) est un dispositif semi-conducteur qui convertit l’intensité lumineuse en charge électrique sous la forme d’un dispositif à couplage de charge.
Les capteurs CCD sont un type de capteur d’image (dispositif de capture d’image). Ils ont été le type dominant jusqu’en 2004, date à laquelle ils ont été dépassés par les capteurs CMOS en termes de nombre d’expéditions.
Ils sont constitués d’un grand nombre d’éléments, appelés pixels, disposés en grille. Le nombre de pixels d’une caméra fait référence au nombre de ces éléments et utilise l’unité pixel. Dans la pratique, ce nombre se chiffre généralement en millions de pixels.
Les pixels transmettant les trois couleurs primaires de la lumière – rouge, vert et bleu (RVB) ou leurs couleurs complémentaires cyan, magenta et jaune/vert (CMJG) – sont disposés en mosaïque et transférés d’un pixel à l’autre dans l’ordre vertical et horizontal. Le signal est amplifié par un amplificateur avant d’être transféré sous forme de données d’image. Cette séquence de mouvements est souvent appelée “relais à godets”.
Utilisations des capteurs CCD
Alors que les capteurs CMOS constituent la norme dans les appareils photo, les caméras vidéo et les scanners, les capteurs CCD sont souvent utilisés dans de nombreux appareils photo numériques, télescopes astronomiques et microscopes en raison de leur sensibilité supérieure en cas d’exposition prolongée.
Ces dernières années, les capteurs CCD ont été plus en plus utilisés dans les appareils photo intégrés des téléphones portables. Ces détecteurs de lumière sont utilisés dans de nombreux domaines, tels que la mesure de l’intensité lumineuse, la mesure d’images, la capture de DVD et la détection de signaux optiques dans les communications optiques.
Principe des capteurs CCD
Lorsque la couche de déplétion d’une photodiode reçoit de la lumière, des paires électron-trou se forment à l’intérieur. C’est ce que l’on appelle l’effet photoélectrique. La quantité de charge stockée augmente avec l’intensité de la lumière, et le phénomène de génération d’une tension proportionnelle à l’intensité de la lumière lorsqu’elle est éclairée s’appelle l’effet photovoltaïque.
Les paires électrons-trous sont collectées par les électrodes grâce au champ électrique interne de la couche de déplétion, et un courant électrique les traverse Les capteurs CCD sont donc chargés de convertir l’intensité de la lumière en un signal électrique.
Structure du capteur CCD
Le capteur CCD est constitué d’une photodiode avec des couches de semi-conducteurs de type p, n et i, principalement en silicium, prises en sandwich entre une lentille collectrice de lumière du côté incident, un filtre transmettant la lumière d’une longueur d’onde spécifique et des électrodes métalliques (cathode et anode) au-dessus et en dessous.
1. Microlentille
Les microlentilles sont placées sur la surface supérieure de chaque pixel pour focaliser la lumière. Comme elles sont formées sur des tranches à l’aide de matériaux en verre ou en résine, de la même manière que les dispositifs semi-conducteurs, elles sont également appelées microlentilles sur puce.
2. Filtre de couleur
Les filtres de couleur sont formés sur de minces substrats de verre avec un film de résistance de couleur qui transmet sélectivement la lumière dans une gamme spécifique de longueurs d’onde. Cela permet aux lumière rouge (R, longueur d’onde 640-770 nm), verte (G, longueur d’onde 490-550 nm) et bleue (B, longueur d’onde 430-490 nm) d’entrer dans la photodiode située directement en dessous. La lumière est incidente sur la photodiode située juste en dessous. Pour éviter que les couleurs voisines ne se mélangent, une fine cloison noire, appelée matrice noire, est formée entre les filtres de couleur. Comme ils sont fabriqués sur une plaquette de semi-conducteur en utilisant le même processus de fabrication que les semi-conducteurs, ils sont également appelés filtres de couleur sur puce.
3. Photodiode
Une photodiode est constituée d’un semi-conducteur de type p sur la face supérieure (côté entrant dans la lumière) et d’un semi-conducteur de type n sur la face inférieure, avec une anode sur la face supérieure et une cathode sur la face inférieure. Un champ électrique interne sans charge, appelé couche de déplétion, est formé à la jonction entre les semi-conducteurs de type p et de type n (jonction pn).