Qu'est-ce qu'un CCD ?

Un peu d'histoire

Les matériaux photographiques étaient auparavant utilisés comme récepteurs de lumière : plaques photographiques, films photographiques, papier photographique. Plus tard, les caméras de télévision et les PMT (multiplicateur photoélectrique) sont apparus.
À la fin des années 60 et au début des années 70, les « dispositifs à couplage de charge » ont commencé à être développés, abrégés en CCD. Sur langue anglaise cela ressemble à des "dispositifs à couplage de charge" ou CCD en abrégé. Le principe des CCD réside dans le fait que le silicium est capable de réagir à la lumière visible. Et ce fait a conduit à l'idée que ce principe pouvait être utilisé pour obtenir des images d'objets lumineux.

Les astronomes ont été parmi les premiers à reconnaître les capacités extraordinaires des CCD en matière d’imagerie. En 1972, un groupe de chercheurs du JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) fonde le programme de développement CCD pour l'astronomie et la recherche spatiale. Trois ans plus tard, en collaboration avec des scientifiques de l'Université d'Arizona, cette équipe a obtenu la première image astronomique CCD. Dans une image proche infrarouge d'Uranus, réalisée à l'aide d'un télescope de 1,5 mètre, des taches sombres ont été trouvées près du pôle sud de la planète, indiquant la présence de méthane à cet endroit...

L'utilisation de matrices CCD à ce jour a permis de trouver large application: appareils photo numériques, caméras vidéo ; Il est devenu possible d'intégrer une matrice CCD comme des caméras même dans les téléphones mobiles.

Appareil CCD

Typique Appareil CCD(Fig. 1) : sur la surface du semi-conducteur se trouve une fine couche diélectrique (0,1-0,15 µm) (généralement de l'oxyde), sur laquelle se trouvent des bandes d'électrodes conductrices (en métal ou en silicium polycristallin). Ces électrodes forment un système régulier linéaire ou matriciel, et les distances entre les électrodes sont si faibles que les effets de l'influence mutuelle des électrodes voisines sont importants. Le principe de fonctionnement d'un CCD est basé sur la génération, le stockage et le transfert dirigé de paquets de charges dans des puits de potentiel formés dans la couche proche de la surface d'un semi-conducteur lorsque des tensions électriques externes sont appliquées aux électrodes.

Riz. 1. Dispositif principal d'une matrice CCD.

Sur la fig. Sur la figure 1, les symboles C1, C2 et C3 désignent des condensateurs MOS (métal-oxyde-semiconducteur).

Si une tension positive U est appliquée à n'importe quelle électrode, alors un champ électrique apparaît dans la structure MIS, sous l'action duquel les porteurs majoritaires (trous) quittent très rapidement (en quelques picosecondes) la surface du semi-conducteur. En conséquence, une couche appauvrie se forme près de la surface, dont l'épaisseur est égale à des fractions ou des unités de micromètre. Les porteurs minoritaires (électrons) générés dans la couche d'appauvrissement sous l'influence de tout processus (par exemple thermique) ou provenant des régions neutres du semi-conducteur sous l'action de la diffusion se déplaceront (sous l'action du champ) vers le semi-conducteur -interface diélectrique et être localisée dans une couche inverse étroite. Ainsi, près de la surface apparaît un puits de potentiel pour les électrons, dans lequel ils roulent depuis la couche appauvrie sous l'action du champ. Les porteurs majoritaires (trous) générés dans la couche d'appauvrissement sont éjectés sous l'action du champ dans la partie neutre du semi-conducteur.
Durant un intervalle de temps donné, chaque pixel se remplit progressivement d'électrons proportionnellement à la quantité de lumière qui y est entrée. A la fin de ce temps charges électriques, accumulés par chaque pixel, sont transférés tour à tour vers la "sortie" de l'appareil et mesurés.

La taille du pixel photosensible des matrices va de une ou deux à plusieurs dizaines de microns. La taille des cristaux d'halogénure d'argent dans la couche photosensible du film photographique varie de 0,1 (émulsions positives) à 1 micron (émulsions négatives très sensibles).

L'un des principaux paramètres de la matrice est ce qu'on appelle l'efficacité quantique. Ce nom reflète l'efficacité de la conversion des photons absorbés (quanta) en photoélectrons et est similaire au concept photographique de photosensibilité. Puisque l'énergie des quanta de lumière dépend de leur couleur (longueur d'onde), il est impossible de déterminer sans ambiguïté combien d'électrons naîtront dans un pixel de la matrice lorsqu'il absorbe, par exemple, un flux de cent photons hétérogènes. Par conséquent, l'efficacité quantique est généralement indiquée dans le passeport de la matrice en fonction de la longueur d'onde, et dans certaines parties du spectre, elle peut atteindre 80 %. C'est bien plus que l'émulsion photographique ou l'oeil (environ 1 %).

Que sont les matrices CCD ?

Si les pixels sont disposés sur une seule rangée, alors le récepteur est appelé une ligne CCD, mais si la surface est remplie de rangées paires, alors le récepteur est appelé une matrice CCD.

La règle CCD avait un large éventail d'applications dans les années 80 et 90 pour les observations astronomiques. Il suffisait de maintenir l'image le long de la règle CCD et elle apparaissait sur l'écran de l'ordinateur. Mais ce processus s'est accompagné de nombreuses difficultés et, par conséquent, à l'heure actuelle, les matrices CCD sont de plus en plus remplacées par des matrices CCD.

Effets indésirables

L'un des effets secondaires indésirables du transfert de charge CCD, qui peut interférer avec les observations, est la formation de bandes verticales lumineuses (piliers) à la place de zones d'image lumineuses d'une petite zone. En outre, les effets indésirables possibles des matrices CCD incluent : un bruit sombre élevé, la présence de pixels « aveugles » ou « chauds », une sensibilité inégale sur tout le champ de la matrice. Pour réduire le bruit d'obscurité, un refroidissement autonome des matrices CCD est utilisé à des températures de -20°C et moins. Ou bien une photo sombre est prise (par exemple, avec un objectif fermé) avec la même durée (exposition) et la même température avec lesquelles la photo précédente a été prise. Ensuite programme spécial l'ordinateur soustrait le cadre sombre de l'image.

Les caméras de télévision basées sur CCD sont intéressantes dans la mesure où elles offrent la possibilité de capturer des images jusqu'à 25 images par seconde avec une résolution de 752 x 582 pixels. Mais l'inadaptation de certaines caméras de ce type aux observations astronomiques est que le fabricant y met en œuvre un prétraitement d'image interne (lecture - distorsions) pour une meilleure perception visuelle des images reçues. Il s'agit de l'AGC (réglage de contrôle automatisé) et de ce qu'on appelle. l'effet des « frontières nettes » et autres.

Progrès…

En général, l'utilisation de récepteurs CCD est beaucoup plus pratique que l'utilisation de récepteurs de lumière non numériques, car les données obtenues apparaissent immédiatement sous une forme adaptée au traitement sur un ordinateur et, de plus, la vitesse d'obtention d'images individuelles est très élevé (de quelques images par seconde à quelques minutes).

DANS actuellement La production de matrices CCD se développe et s'améliore rapidement. Le nombre de « mégapixels » de matrices - le nombre de pixels individuels par unité de surface de la matrice - augmente. Améliorer la qualité des images obtenues avec les CCD, etc.

Sources utilisées :
1. 1. Victor Belov. Précision au dixième de micron.
2. 2. S.E. Gurianov. Rencontrez le CCD.

| CCD (Appareil à couplage de charge) ou Matrice CCD(En anglais. Dispositif à couplage de charge) est analogique circuit intégré, qui comprend des photodiodes photosensibles à base de silicium ou d'oxyde d'étain. Cette puce utilise la technologie CCD (Charge Coupled Device).

Histoire du CCD

Le premier CCD a été développé en 1969 par George Smith et Willard Boyle aux AT&T Bell Labs aux États-Unis. Des développements ont été réalisés dans le domaine de la visiophonie (Picture Phone) et le développement de la « mémoire à bulles semi-conductrices » (Semiconductor Bubble Memory) d'alors. Bientôt, les dispositifs à couplage de charge ont commencé à être utilisés comme dispositifs de mémoire dans lesquels une charge pouvait être placée. registre d'entrée microcircuits. Mais plus tard, la capacité de l'élément de mémoire de l'appareil à recevoir une charge due à l'effet photoélectrique a fait de l'utilisation de dispositifs CCD la principale.

En 1970, les chercheurs du Bell Lab ont appris à capturer des images à l'aide des appareils linéaires les plus simples.

Bientôt, sous la direction de Kazuo Iwama, Sony a commencé à développer et à s'engager activement dans les technologies CCD, en y investissant d'énormes sommes d'argent, et a réussi à produire en masse des matrices CCD pour leurs caméras vidéo.

Kazuo Iwama est décédé en août 1982. Pour commémorer ses contributions, une puce CCD a été placée sur sa pierre tombale.

En 2006, Willard Boyle et George Smith ont reçu le prix de la National Academy of Engineering des États-Unis pour leurs travaux sur le CCD.

Plus tard, en 2009, les créateurs ont reçu le prix Nobel de physique.

Le principe de fonctionnement de la matrice CCD

La matrice CCD est principalement constituée de polysilicium, séparé du substrat de silicium par une membrane dans laquelle, lorsque la tension d'alimentation est appliquée à travers des grilles en polysilicium, les potentiels électriques à proximité des électrodes conductrices changent considérablement.

Avant l'exposition et l'application d'une certaine combinaison de tensions aux électrodes, toutes les charges formées précédemment sont réinitialisées et tous les éléments sont convertis à un état identique ou original.

Ensuite, la combinaison de tensions sur les électrodes crée une réserve de potentiel ou un puits dans lequel accumuler les électrons formés dans un certain pixel de la matrice à la suite de l'exposition aux rayons lumineux pendant l'exposition. Plus la force du flux lumineux pendant l'exposition est intense, plus le stock d'électrons s'accumule dans le puits de potentiel, respectivement, plus la puissance de la charge finale d'un certain pixel est élevée.

Après l'exposition, des changements successifs de la tension d'alimentation sur les électrodes se forment dans chaque pixel individuel, et une distribution de potentiels se produit à côté de celui-ci, ce qui conduit à un flux de charge dans une direction donnée vers les pixels de sortie de la matrice CCD.

Un exemple de pixel CCD avec une poche de type n

Remarque : chaque fabricant possède sa propre architecture de sous-pixels.

Désignations des pixels CCD sur le schéma :

1 - Particules de lumière (photons) traversant l'objectif de la caméra ;
2 - Microlentille sous-pixel ;
3 - Filtre sous-pixel rouge (est un fragment du filtre Bayer) ;
4 - Électrode transmettant la lumière en oxyde d'étain ou en silicium polycristallin ;
5 - Isolant (constitué d'oxyde de silicium) ;
6 - Canal spécial en silicium de type N. Zone d'effet photoélectrique interne (zone de génération de porteurs) ;
7 - Zone de stock possible ou fosse (poche de type n). L'endroit où sont collectés les électrons de la zone de génération de porteurs ;
8 - substrat en silicium de type p.

Transfert CCD plein format

L'image vidéo entièrement formée par l'objectif tombe sur la matrice CCD, c'est-à-dire que les rayons lumineux tombent sur la surface sensible à la lumière des éléments CCD, dont le but est de convertir l'énergie des particules (photons) en un charge électrique.
Ce processus se déroule comme suit.
Pour un photon qui frappe un élément CCD, il existe trois scénarios de développement d'événements : soit il « s'envolera » de la surface, soit il sera absorbé par l'épaisseur du semi-conducteur (composition du matériau de la matrice), soit il traversera sa surface. . Par conséquent, les développeurs doivent créer un tel capteur dans lequel les pertes par réflexion et absorption seraient minimisées. Les mêmes particules qui ont été absorbées par la matrice CCD forment une paire électron-trou s'il y a eu une faible interaction avec un atome du réseau cristallin du semi-conducteur, ou si l'interaction a eu lieu avec des atomes d'impuretés donneurs ou accepteurs. Les deux phénomènes ci-dessus sont appelés effet photoélectrique interne. Mais le fonctionnement du capteur ne se limite pas à l'effet photoélectrique interne - l'essentiel est de conserver les porteurs de charge « retirés » du semi-conducteur dans un stockage spécialisé, puis de les compter.

La structure des éléments de la matrice CCD

En général, la conception d'un élément CCD ressemble à ceci : un substrat en silicium de type P est doté de canaux provenant d'un semi-conducteur de type N. Au-dessus de ces canaux sont placées des électrodes de silicium polycristallin avec une membrane isolante en oxyde de silicium. Après avoir appliqué un potentiel électrique à cette électrode, un piège à potentiel (puits) est créé dans la zone affaiblie sous le canal de type N, dont la tâche est de sauvegarder les électrons. Une particule de lumière pénétrant dans le silicium conduit à la génération d'un électron qui est attiré par un piège potentiel et "se coince" dedans. Un grand nombre de photons ou de lumière vive fournit davantage de charge au piège. Il faut ensuite lire la valeur de la charge reçue, également appelée photocourant, puis l'amplifier.

La lecture des photocourants des éléments CCD s'effectue à l'aide des registres à décalage série, qui convertissent une rangée de charges à l'entrée en un train d'impulsions à la sortie. La série d'impulsions créée est Signal analogique, qui est ensuite transmis à l'amplificateur.

Ainsi, à l'aide d'un registre, il est possible de convertir les charges d'une rangée d'éléments CCD en un signal analogique. En pratique, un registre à décalage série dans les matrices CCD est implémenté en utilisant les mêmes éléments CCD combinés sur une seule ligne. Le fonctionnement de cet appareil repose sur la capacité des dispositifs à couplage de charges à échanger les charges de leurs pièges potentiels. Cet échange se produit en raison de la présence d'électrodes de transfert spécialisées (selon l'anglais Transfer Gate), situées entre les éléments CCD adjacents. Lorsqu'un potentiel accru est appliqué à l'électrode la plus proche, la charge « migre » en dessous depuis le piège à potentiel. Il y a généralement deux à quatre électrodes de transfert entre les éléments CCD, et le nombre d'électrodes de transfert détermine la phase du registre à décalage, également appelé biphasé, triphasé ou quadriphasé.

L'apport de différents potentiels aux électrodes de transfert est synchronisé de telle sorte que les charges des pièges à potentiel de tous les éléments CCD du registre circulent presque simultanément. Ainsi, au cours d'un cycle de transfert, les éléments CCD transfèrent les charges le long de la chaîne de droite à gauche ou de gauche à droite. Et l'élément CCD extrême donne sa charge à l'amplificateur situé à la sortie du registre.

Ainsi, un registre à décalage série est un appareil avec sortie série et entrée parallèle. Après avoir lu absolument toutes les charges du registre, il devient possible de postuler à sa saisie nouvelle ligne, puis les suivants forment ainsi un signal analogique continu basé sur un réseau bidimensionnel de photocourants. Ensuite, le flux parallèle d'entrée pour le registre à décalage série est fourni par un ensemble de registres à décalage série orientés verticalement, appelé registre à décalage parallèle, et l'ensemble est simplement un dispositif appelé matrice CCD.

Les convertisseurs photoélectriques à semi-conducteurs (SFEC) d'images sont des analogues des CRT émetteurs.

Les TFEC remontent à 1970, avec ce que l'on appelle les CCD, et sont constitués de cellules individuelles, qui sont des condensateurs MIS ou MOS. L'une des armatures d'un tel condensateur élémentaire est un film métallique M, la seconde est un substrat semi-conducteur P ( p- ou n-conductivité), le diélectrique D est un semiconducteur déposé sous forme de couche mince sur le substrat P. Du silicium dopé avec un accepteur ( p-type) ou donneur ( n-type) impureté, et comme D - oxyde de silicium SiO 2 (voir fig.8.8).

Riz. 8.8. Condensateur MOS

Riz. 8.9. Mouvement de charges sous l'influence d'un champ électrique

Riz. 8.10. Principe de fonctionnement du système CCD triphasé

Riz. 8.11. Mouvement des charges dans un système CCD biphasé

Lorsqu'une tension est appliquée à une électrode métallique, une « poche » ou un puits de potentiel se forme en dessous, dans laquelle des porteurs mineurs (dans notre cas, des électrons) peuvent « s'accumuler », et les porteurs majoritaires, les trous, seront repoussés de M. À une certaine distance de la surface, la concentration des porteurs mineurs peut être supérieure à la concentration des porteurs majeurs. Près du diélectrique D dans le substrat P, apparaît une couche d'inversion dans laquelle le type de conductivité change en inverse.

Le paquet de charges dans le CCD peut être introduit électriquement ou à l'aide d'une génération de lumière. Lors de la génération de lumière, les processus photoélectriques se produisant dans le silicium conduiront à l'accumulation de porteurs minoritaires dans les puits de potentiel. La charge accumulée est proportionnelle à l'éclairage et au temps d'accumulation. Le transfert de charge directionnel dans un CCD est assuré en plaçant les condensateurs MOS si près les uns des autres que leurs régions d'appauvrissement se chevauchent et que les puits de potentiel sont connectés. Dans ce cas, la charge mobile des porteurs minoritaires s'accumulera là où le puits potentiel est plus profond.

Laissez sous l'influence de la lumière la charge accumulée sous l'électrode U 1 (voir Fig.8.9). Si maintenant sur l'électrode adjacente U 2 appliquer une tension U 2 > U 1 , alors un autre puits potentiel apparaîtra à proximité, plus profond ( U 2 > U 1). Une région de champ électrique apparaîtra entre eux et les porteurs minoritaires (électrons) dériveront (circuleront) dans une « poche » plus profonde (voir Fig. 8.9). Pour éliminer la bidirectionnalité dans le transfert de charges, une séquence d'électrodes est utilisée, combinées en groupes de 3 électrodes (voir Fig. 8.10).

Si, par exemple, une charge s'accumule sous l'électrode 4 et qu'il est nécessaire de la transférer vers la droite, alors une tension plus élevée est appliquée à l'électrode droite 5 ( U 2 > U 1) et la charge y circule, etc.

La quasi-totalité du jeu d'électrodes est connectée à trois pneus :

Je - 1, 4, 7, ...

II-2, 5, 8, ...

III-3, 6, 9, ...

Dans notre cas, la tension "réception" ( U 2) sera sur les électrodes 2 et 5, mais l'électrode 2 est séparée de l'électrode 4, où la charge est stockée, par l'électrode 3 (qui a

U 3 = 0), il n'y aura donc pas de débordement vers la gauche.

Le fonctionnement en trois cycles d'un CCD implique la présence de trois électrodes (cellules) par élément d'image TV, ce qui réduit la surface utilisable utilisée par le flux lumineux. Pour réduire le nombre de cellules (électrodes) du CCD, des électrodes métalliques et une couche diélectrique sont formées en escalier (voir Fig. 8.11). Cela permet, lors de l'application d'impulsions de tension aux électrodes, de créer des puits de potentiel de différentes profondeurs sous ses différentes sections. La plupart des charges provenant de la cellule adjacente s'écoulent dans la fosse la plus profonde.

Avec un système CCD biphasé, le nombre d'électrodes (cellules) dans la matrice est réduit d'un tiers, ce qui affecte favorablement la lecture du relief de potentiel.

Il a été initialement proposé d'utiliser les CCD dans l'informatique comme périphériques de stockage, les registres à décalage. Au début de la chaîne, une diode d'injection était placée, introduisant une charge dans le système, et à la fin du circuit, une diode de sortie, généralement celle-ci. n-p- ou p-n- Transitions de structure MOS, qui forment des transistors à effet de champ avec la première et la dernière électrode (cellules) des chaînes CCD.

Mais il est vite devenu évident que les CCD sont très sensibles à la lumière et qu'il est donc préférable et plus efficace de les utiliser comme détecteurs de lumière et non comme dispositifs de stockage.

Si un réseau CCD est utilisé comme photodétecteur, alors l'accumulation de charges sous une électrode ou une autre peut être réalisée par une méthode optique (injection de lumière). On peut dire que les matrices CCD sont des registres à décalage analogiques intrinsèquement sensibles à la lumière. Aujourd'hui, les CCD ne sont pas utilisés comme dispositifs de stockage (dispositifs de mémoire), mais uniquement comme photodétecteurs. Ils sont utilisés dans les télécopieurs, les scanners (matrices CCD), les appareils photo et les caméscopes (matrices CCD). En règle générale, les caméras de télévision utilisent des puces dites CCD.

Nous avons supposé que 100 % des charges sont transférées vers la poche adjacente. Cependant, dans la pratique, il faut compter avec des pertes. L'une des sources de pertes sont les « pièges » qui peuvent capturer et retenir les charges pendant un certain temps. Ces charges n'ont pas le temps de s'écouler dans la poche adjacente si le taux de transfert est élevé.

La deuxième raison est le mécanisme de flux lui-même. Au premier instant, le transfert de charge se produit dans un champ électrique puissant - la dérive E. Cependant, à mesure que les charges circulent, l'intensité du champ diminue et le processus de dérive s'éteint, de sorte que la dernière partie se déplace en raison de la diffusion, 100 fois plus lentement que la dérive. Attendre la dernière partie signifie ralentir la performance. La dérive donne plus de 90 % de transfert. Mais ce sont ces derniers pourcentages qui sont les principaux déterminants des pertes.

Soit le coefficient de transfert d'un cycle de transfert égal à k= 0,99, en supposant que le nombre de cycles soit N= 100, on détermine le coefficient de transfert total :

0,99 100 = 0,366

Il devient évident qu'avec un grand nombre d'éléments, même des pertes insignifiantes sur un élément deviennent d'une grande importance pour l'ensemble de la chaîne.

Par conséquent, la question de la réduction du nombre de transferts de charges dans un réseau CCD revêt une importance particulière. À cet égard, le coefficient de transfert de charge d'un CCD biphasé sera légèrement supérieur à celui d'un système triphasé.

Actuellement, les capteurs CCD (Charge-Coupled Device, équivalent anglais du CCD) sont utilisés comme dispositif photosensible dans la plupart des systèmes de capture d'images.

Principe Travail CCD matrice est la suivante : une matrice d'éléments photosensibles est créée à base de silicium (section d'accumulation). Chaque élément photosensible a la capacité d’accumuler des charges proportionnellement au nombre de photons qui le frappent. Ainsi, pendant un certain temps (temps d'exposition) sur la section d'accumulation, on obtient une matrice bidimensionnelle de charges proportionnelle à la luminosité. image originale. Les charges accumulées sont initialement transférées vers la section de stockage, puis ligne par ligne et pixel par pixel vers la sortie matricielle.

La taille de la section de stockage par rapport à la section d'accumulation est différente :

• par image (matrices avec transfert d'images pour un balayage progressif) ;
• par demi-trame (matrices avec transfert de trame pour balayage entrelacé) ;

Il existe également des matrices dans lesquelles il n'y a pas de section de stockage, et le transfert en ligne s'effectue alors directement sur la section d'accumulation. Il est évident qu'un obturateur optique est nécessaire au fonctionnement de telles matrices.

La qualité des matrices CCD modernes est telle que la charge ne change pratiquement pas pendant le processus de transfert.

Malgré l'apparente diversité des caméras de télévision, les matrices CCD utilisées sont pratiquement les mêmes, puisque la production de masse et à grande échelle de matrices CCD n'est réalisée que par quelques entreprises. Ce sont SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Les principaux paramètres des matrices CCD sont :

• dimension en pixels ;
• taille physique en pouces (2/3, 1/2, 1/3, etc.). Dans le même temps, les chiffres eux-mêmes ne déterminent pas la taille exacte de la zone sensible, mais déterminent plutôt la classe de l'appareil ;
• sensibilité.

Résolution des caméras CCD.

La résolution des caméras CCD est principalement déterminée par la taille de la matrice CCD en pixels et la qualité de l'objectif. Dans une certaine mesure, cela peut être influencé par l'électronique de l'appareil photo (si elle est de mauvaise qualité, cela peut détériorer la résolution, mais franchement, ils le font rarement mal maintenant).

Il est important de faire ici une remarque. Dans certains cas, des filtres spatiaux haute fréquence sont installés dans les caméras pour améliorer la résolution apparente. Dans ce cas, une image d'un objet obtenue à partir d'une caméra de plus petite dimension peut paraître encore plus nette qu'une image du même objet obtenue à partir d'une caméra objectivement meilleure. Bien sûr, cela est acceptable lorsque la caméra est utilisée dans des systèmes de surveillance visuelle, mais cela est totalement inadapté aux systèmes de mesure des bâtiments.

Résolution et format CCD.

Actuellement, diverses entreprises produisent des matrices CCD couvrant la plus large gamme de dimensions allant de plusieurs centaines à plusieurs milliers. Il a donc été question d'une matrice d'une dimension de 10 000 x 10 000, et dans ce message, il n'était pas tant souligné le problème du coût de cette matrice, mais les problèmes de stockage, de traitement et de transmission des images reçues. On le sait, les matrices dont les dimensions vont jusqu'à 2000x2000 sont désormais plus ou moins largement utilisées.

Les matrices CCD les plus largement, plus précisément les plus utilisées, devraient bien entendu inclure des matrices avec une résolution orientée vers le standard de télévision. Ce sont essentiellement des matrices de deux formats :

• 512*576;
• 768*576.

Les matrices 768*576 (parfois un peu plus, parfois un peu moins) permettent d'obtenir la résolution maximale pour un signal TV standard. En même temps, contrairement aux matrices au format 512*576, elles présentent une grille d'éléments photosensibles proche du carré et, par conséquent, une résolution horizontale et verticale égale.

Souvent, les fabricants d'appareils photo indiquent la résolution dans les lignes de télévision. Cela signifie que la caméra permet de voir N/2 traits verticaux sombres sur fond clair, disposés dans un carré inscrit dans le champ de l'image, où N est le nombre déclaré de lignes de télévision. Par rapport à une table de télévision standard, cela implique ce qui suit : en sélectionnant la distance et en focalisant l'image de la table, il faut s'assurer que les bords supérieur et inférieur de l'image de la table sur le moniteur coïncident avec le contour extérieur de la table, marqué par les sommets des prismes noirs et blancs ; en outre, après la mise au point finale, le nombre est lu à l'endroit du coin vertical où les traits verticaux cessent d'être résolus pour la première fois. La dernière remarque est très importante. et sur l'image des champs de test de la table, qui comportent 600 traits ou plus, des bandes intermittentes sont souvent visibles, qui, en fait, sont des moirés formés par le battement des fréquences spatiales des traits de la table et de la grille de les éléments sensibles de la matrice CCD. Cet effet est particulièrement prononcé dans les caméras équipées de filtres spatiaux haute fréquence (voir ci-dessus) !

Je voudrais noter que, toutes choses étant égales par ailleurs (la plupart du temps, l'objectif peut affecter cela), la résolution des caméras noir et blanc est uniquement déterminée par la dimension de la matrice CCD. Ainsi, une caméra au format 768 * 576 aura une résolution de 576 lignes TV, bien que dans certaines brochures vous puissiez trouver une valeur de 550, et dans d'autres 600.

Lentille.

La taille physique des cellules CCD est le principal paramètre qui détermine les exigences en matière de résolution de l'objectif. Un autre paramètre de ce type peut être l'exigence d'assurer le fonctionnement de la matrice dans des conditions de surcharge légère, qui sera examinée ci-dessous.

Pour un capteur SONY ICX039 de 1/2 pouce, la taille des pixels est de 8,6 μm*8,3 μm. Par conséquent, l’objectif doit avoir une résolution meilleure que :

1/8,3*10e-3= 120 lignes (60 paires de lignes par millimètre).

Pour les objectifs conçus pour les capteurs 1/3 de pouce, cette valeur devrait être encore plus élevée, même si, curieusement, cela n'affecte pas le coût ni un paramètre tel que l'ouverture, car ces objectifs sont fabriqués en tenant compte de la nécessité de former une image sur un champ photosensible plus petit de la matrice. Il s'ensuit également que les objectifs destinés aux petits capteurs ne conviennent pas aux grands capteurs en raison de la détérioration significative des performances aux bords des grands capteurs. Dans le même temps, les objectifs destinés aux grands capteurs peuvent limiter la résolution des images obtenues à partir de capteurs plus petits.

Malheureusement, avec toute l'abondance moderne d'objectifs pour caméras de télévision, il est très difficile d'obtenir des informations sur leur résolution.

En général, nous ne sélectionnons pas souvent des objectifs, car presque tous nos clients installent des systèmes vidéo sur des optiques existantes : microscopes, télescopes, etc., nos informations sur le marché des objectifs sont donc sous forme de notes. Nous pouvons seulement dire que la résolution des objectifs simples et bon marché est de l'ordre de 50 à 60 paires de lignes par mm, ce qui n'est généralement pas suffisant.

D'un autre côté, nous savons que les objectifs spéciaux fabriqués par Zeiss avec une résolution de 100 à 120 paires de lignes par mm coûtent plus de 1 000 dollars.

Ainsi, lors de l’achat d’un objectif, il est nécessaire d’effectuer des tests préliminaires. Je dois dire que la plupart des vendeurs moscovites proposent des lentilles à tester. Ici encore, il convient de rappeler l'effet moiré dont la présence, comme indiqué ci-dessus, peut être trompeuse sur la résolution de la matrice. Ainsi, la présence de moiré sur l'image de sections de tableau avec des traits supérieurs à 600 lignes TV par rapport à l'objectif indique une certaine marge de résolution de ce dernier, ce qui, bien entendu, ne fera pas de mal.

Une note supplémentaire, peut-être importante, pour ceux qui s'intéressent aux mesures géométriques. Tous les objectifs présentent dans une certaine mesure une distorsion (distorsion en forme de coussin de la géométrie de l'image), et plus l'objectif est court, plus ces distorsions sont généralement importantes. À notre avis, les objectifs dont la focale est supérieure à 8-12 mm ont une distorsion acceptable pour les appareils photo 1/3" et 1/2". Bien que le niveau « d’acceptabilité » dépende bien entendu des tâches que la caméra doit résoudre.

Résolution des contrôleurs d'entrée d'image

La résolution des contrôleurs d'entrée d'image doit être comprise comme la fréquence des conversions du convertisseur analogique-numérique (ADC) du contrôleur, dont les données sont ensuite enregistrées dans la mémoire du contrôleur. Il existe évidemment une limite raisonnable à l’augmentation de la fréquence de la numérisation. Pour les dispositifs ayant une structure continue de couche photosensible, tels que les vidicons, fréquence optimale la numérisation est égale à deux fois la fréquence supérieure du signal vidicon utile.

Contrairement à de tels détecteurs de lumière, les matrices CCD ont une topologie discrète, de sorte que la fréquence de numérisation optimale pour elles est déterminée comme la fréquence de décalage du registre de sortie de la matrice. Dans le même temps, il est important que l'ADC du contrôleur fonctionne de manière synchrone avec le registre de sortie de la matrice CCD. Ce n'est que dans ce cas que cela peut être réalisé meilleure qualité transformations à la fois du point de vue de la fourniture d'une géométrie "rigide" des images résultantes et du point de vue de la minimisation du bruit provenant des impulsions d'horloge et des transitoires.

Sensibilité des caméras CCD

Depuis 1994, nous utilisons dans nos appareils des caméras de kart SONY basées sur le capteur CCD ICX039. La description SONY de cet appareil indique une sensibilité de 0,25 lux sur un objet avec une ouverture d'objectif de 1,4. Plusieurs fois déjà, nous avons vu des caméras avec des paramètres similaires (taille 1/2 pouce, résolution 752*576) et avec une sensibilité déclarée 10 voire 100 fois supérieure à celle de « notre » SONY.

Nous avons vérifié ces chiffres à plusieurs reprises. Dans la plupart des cas, nous avons trouvé le même CCD ICX039 dans des caméras de différents fabricants. Dans le même temps, tous les microcircuits « de cerclage » étaient également SONY. Oui, et des tests comparatifs ont montré l'identité presque complète de toutes ces caméras. Alors quelle est la question ?

Et toute la question est de savoir à quelle sensibilité le rapport signal/bruit (s/w) est déterminée. Dans notre cas, SONY a consciencieusement montré une sensibilité à s/w = 46 dB, alors que d'autres sociétés soit ne l'ont pas indiqué, soit l'ont indiqué de telle manière qu'il n'est pas clair dans quelles conditions ces mesures ont été effectuées.

Il s'agit, en général, d'un fléau courant chez la plupart des fabricants d'appareils photo : ne pas indiquer les conditions de mesure des paramètres des appareils photo.

Le fait est qu'avec une diminution de l'exigence du rapport s/w, la sensibilité de la caméra augmente inversement avec le carré du rapport s/w requis :

Où:
I - sensibilité ;
K - facteur de conversion ;
rapport s/w - s/w en unités linéaires,

par conséquent, de nombreuses entreprises sont tentées d'indiquer la sensibilité des caméras à un faible rapport S/B.

On peut dire que la capacité des matrices à « voir » mieux ou moins bien est déterminée par le nombre de charges converties à partir des photons incidents à sa surface et par la qualité de livraison de ces charges vers la sortie. La quantité de charges accumulées dépend de la surface de l'élément photosensible et de l'efficacité quantique du réseau CCD, et la qualité du transport est déterminée par de nombreux facteurs qui se résument souvent à une seule chose : le bruit de lecture. Le bruit de lecture des matrices modernes est de l'ordre de 10 à 30 électrons et même moins !

La surface des éléments des matrices CCD est différente, mais la valeur typique des matrices 1/2 pouce pour caméras est de 8,5 µm * 8,5 µm. Une augmentation de la taille des éléments entraîne une augmentation de la taille des matrices elles-mêmes, ce qui augmente leur coût non pas tant en raison de l'augmentation réelle du prix de production, mais du fait que la production en série de tels dispositifs est plusieurs ordres de grandeur plus petits. De plus, la topologie de la matrice affecte la surface de la zone photosensible dans la mesure où la zone sensible (facteur de remplissage) occupe un pourcentage de la surface totale du cristal. Certaines matrices spéciales revendiquent un facteur de remplissage de 100 %.

L'efficacité quantique (de combien la charge d'une cellule sensible en électrons change en moyenne lorsqu'un photon tombe sur sa surface) pour les matrices modernes est de 0,4 à 0,6 (pour les matrices individuelles sans anti-blooming, elle atteint 0,85).

Ainsi, on constate que la sensibilité des caméras CCD, liée à une certaine valeur de s/w, s'est rapprochée de la limite physique. D'après notre conclusion, les valeurs de sensibilité typiques des caméras à usage général à s/n=46 se situent dans la plage de 0,15 à 0,25 lux d'éclairage sur l'objet avec une ouverture d'objectif de 1,4.

A cet égard, nous vous déconseillons de vous fier aveuglément aux chiffres de sensibilité indiqués dans les descriptions des caméras, surtout lorsque les conditions de détermination de ce paramètre ne sont pas données et si vous voyez une sensibilité de 0,01-0,001 lux en mode télévision dans le passeport de la caméra à un prix allant jusqu'à 500 $, puis avant d'échantillonner, c'est un euphémisme, des informations incorrectes.

À propos des moyens d'augmenter la sensibilité des caméras CCD

Une des solutions est l’accumulation de l’image au fil du temps. La mise en œuvre de cette méthode permet d'augmenter significativement la sensibilité du CCD. Bien entendu, cette méthode peut être appliquée à des objets d'observation stationnaires ou dans le cas où le mouvement peut être compensé, comme cela se fait en astronomie.

Fig1 Nébuleuse planétaire M57.

Télescope : 60 cm, exposition - 20 sec., température pendant l'exposition - 20 C.
Au centre de la nébuleuse se trouve un objet stellaire de magnitude 15.
L'image a été obtenue par V. Amirkhanyan du SAO RAS.

On peut affirmer avec suffisamment de précision que la sensibilité des caméras CCD est directement proportionnelle au temps d'exposition.

Par exemple, la sensibilité à une vitesse d'obturation de 1 seconde par rapport aux 1/50 s d'origine augmentera de 50 fois, c'est-à-dire ce sera mieux - 0,005 lux.

Bien sûr, il y a des problèmes sur ce chemin, et c'est avant tout le courant d'obscurité des matrices, qui amène les charges accumulées simultanément au signal utile. Le courant d'obscurité est déterminé, d'une part, par la technologie de fabrication du cristal, et d'autre part, par le niveau de technologie et, bien entendu, dans une très large mesure, par la température de fonctionnement de la matrice elle-même.

Habituellement, pour obtenir des temps d'accumulation longs, de l'ordre de quelques minutes ou dizaines de minutes, les matrices sont refroidies à moins 20-40 degrés. C. La tâche de refroidir les matrices à de telles températures a été résolue en soi, mais il est tout simplement impossible de dire que cela peut être fait, car il existe toujours des problèmes de conception et de fonctionnement associés à la nébulisation. lunettes de protection et évacuation de la chaleur de la jonction chaude du réfrigérateur thermoélectrique.

Dans le même temps, les progrès technologiques dans la production de matrices CCD ont également affecté un paramètre tel que le courant d'obscurité. Ici, les réalisations sont très significatives et le courant d'obscurité de certaines bonnes matrices modernes est très faible. D'après notre expérience, les appareils photo sans refroidissement permettent de réaliser des poses en quelques dizaines de secondes à température ambiante, et jusqu'à plusieurs minutes avec compensation d'un fond sombre. Par exemple, voici une photographie de la nébuleuse planétaire M57, obtenue par le système vidéo VS-a-tandem-56/2 sans refroidissement avec une pose de 20 s.

La deuxième façon d'augmenter la sensibilité est l'utilisation de convertisseurs électron-optique (EC). Les tubes intensificateurs d'image sont des dispositifs qui amplifient le flux lumineux. Les tubes intensificateurs d'image modernes peuvent avoir des valeurs de gain très élevées, cependant, sans entrer dans les détails, nous pouvons dire que l'utilisation de tubes intensificateurs d'image ne peut qu'améliorer le seuil de sensibilité de la caméra et que son gain ne doit donc pas être trop important.

Sensibilité spectrale des caméras CCD

Pour certaines applications, la sensibilité spectrale du CCD est un facteur important. Étant donné que tous les CCD sont fabriqués à base de silicium, alors sous la forme "nue", la sensibilité spectrale du CCD correspond à ce paramètre pour le silicium (voir Fig. 2).

Comme vous pouvez le constater, malgré toute la variété de caractéristiques, les capteurs CCD ont une sensibilité maximale dans les plages rouge et proche infrarouge (IR) et ne voient absolument rien dans la partie bleu-violet du spectre. La sensibilité du CCD dans le proche infrarouge est utilisée dans les systèmes de surveillance secrets avec éclairage par des sources de lumière infrarouge, ainsi que lors de la mesure des champs thermiques d'objets à haute température.

SONY sort toutes ses matrices noir et blanc avec les éléments suivants caractéristique spectrale(voir fig. 3). Comme le montre cette figure, la sensibilité du CCD dans le proche IR est considérablement réduite, mais la matrice a commencé à percevoir la région bleue du spectre.

Des matrices sensibles dans la gamme des ultraviolets et même des rayons X sont en cours de développement pour divers usages spéciaux. Ces appareils sont généralement uniques et leur prix est assez élevé.

À propos du balayage progressif et entrelacé

Le signal de télévision standard a été développé pour le système de télévision de diffusion et présente un inconvénient majeur du point de vue des systèmes modernes d'entrée et de traitement d'image. Bien que le signal TV contienne 625 lignes (dont environ 576 contenant des informations vidéo), 2 demi-images sont affichées séquentiellement, composées de lignes paires (demi-image paire) et de lignes impaires (demi-image impaire). Cela conduit au fait que si une image animée est saisie, l'analyse ne peut pas utiliser une résolution Y supérieure au nombre de lignes dans une demi-image (288). De plus, dans les systèmes modernes, lorsqu'une image est rendue sur moniteur d'ordinateur(qui a un balayage progressif), l'image entrée par la caméra entrelacée alors que l'objet d'observation est en mouvement provoque un effet visuel désagréable de dédoublement.

Toutes les méthodes permettant de remédier à cette lacune conduisent à une détérioration de la résolution verticale. La seule façon de surmonter cette lacune et d'obtenir une résolution de type CCD est de passer au balayage progressif dans le CCD. Les fabricants de CCD produisent de telles matrices, mais en raison de la petite production en série, le prix de ces matrices et caméras est beaucoup plus élevé que celui des matrices conventionnelles. Par exemple, le prix d'une matrice SONY à balayage progressif ICX074 est 3 fois plus élevé que celui d'ICX039 (balayage entrelacé).

Autres options de caméra

Ces autres incluent un paramètre tel que « floraison », c'est-à-dire charge se propageant sur la surface de la matrice lorsque ses éléments individuels sont surexposés. En pratique, un tel cas peut se produire, par exemple, lors de l'observation d'objets éblouis. Il s'agit d'un effet plutôt désagréable des CCD, car quelques points lumineux peuvent déformer l'ensemble de l'image. Heureusement, de nombreuses matrices modernes contiennent des dispositifs anti-éclosion. Ainsi, dans les descriptions de certaines des dernières matrices SONY, nous avons trouvé 2000, qui caractérise la surcharge lumineuse admissible des cellules individuelles, qui ne conduit pas encore à une répartition des charges. Il s'agit d'une valeur assez élevée, d'autant plus que, comme notre expérience l'a montré, ce résultat ne peut être obtenu qu'avec un réglage particulier des pilotes qui contrôlent directement la matrice et le canal de préamplification du signal vidéo. De plus, la lentille contribue également à la "diffusion" des points lumineux, car avec des surcharges lumineuses aussi importantes, même une petite diffusion en dehors du point principal donne un support lumineux notable aux éléments voisins.

Il convient également de noter ici que, selon certaines données que nous n'avons pas vérifiées nous-mêmes, les matrices avec anti-blooming auraient une efficacité quantique 2 fois inférieure aux matrices sans anti-blooming. À cet égard, dans les systèmes nécessitant une très haute sensibilité, il peut être judicieux d'utiliser des matrices sans anti-blooming (il s'agit généralement de tâches spéciales telles que des tâches astronomiques).

À propos des caméras couleur

Les matériaux de cette section dépassent quelque peu le cadre de la prise en compte des systèmes de mesure que nous avons établis, néanmoins, l'utilisation généralisée des caméras couleur (encore plus que celles en noir et blanc) nous oblige à clarifier cette question, d'autant plus que les clients tentent souvent de utilisez nos capteurs d'images noir et blanc, utilisez des caméras TV couleur, et ils sont très surpris lorsqu'ils trouvent des stries sur les images reçues, et la résolution des images s'avère insuffisante. Expliquons ce qui se passe ici.

Il existe 2 manières de générer un signal de couleur :

• 1. en utilisant une caméra à capteur unique.
• 2. utiliser un système de 3 matrices CCD avec une tête de séparation des couleurs pour obtenir les composantes du signal de couleur R, V, B sur ces matrices.

La deuxième méthode offre la meilleure qualité et elle seule permet d'obtenir des systèmes de mesure, cependant, les caméras fonctionnant selon ce principe sont assez chères (plus de 3 000 $).

Dans la plupart des cas, des caméras CCD à matrice unique sont utilisées. Considérez leur principe de fonctionnement.

Comme le montrent clairement les caractéristiques spectrales assez larges de la matrice CCD, elle ne peut pas déterminer la « couleur » d'un photon qui frappe la surface. Par conséquent, pour entrer image en couleur Un filtre de lumière est installé devant chaque élément de la matrice CCD. Où nombre total les éléments de la matrice restent les mêmes. SONY, par exemple, produit exactement les mêmes matrices CCD pour les versions noir et blanc et couleur, qui ne diffèrent que par la présence d'une grille de filtres lumineux appliqués directement sur les zones sensibles de la matrice couleur. Il existe plusieurs schémas pour colorer les matrices. Voici l'un d'entre eux.

4 filtres différents sont utilisés ici (voir fig. 4 et fig. 5).

Fig 4. Répartition des filtres de lumière sur les éléments de la matrice CCD

Figure 5. Sensibilité spectrale des éléments CCD avec différents filtres de lumière.

Y=(Cy+G)+(Oui+Mg)

Dans la ligne A1, le signal de différence de couleur « rouge » est obtenu comme suit :

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

et sur la ligne A2, ils reçoivent un signal de différence de couleur "bleu":

-(B-Y)=(G+Oui)-(Mg+Cy)

De là, il est clair que la résolution spatiale d'une matrice CCD couleur par rapport à la même matrice noir et blanc est généralement 1,3 à 1,5 fois moins bonne horizontalement et verticalement. En raison de l'utilisation de filtres de lumière, la sensibilité d'un CCD couleur est également pire que celle d'un CCD noir et blanc. Ainsi, nous pouvons dire que s'il existe un récepteur monomatrice 1000 * 800, alors vous pouvez en réalité obtenir environ 700 * 550 pour le signal de luminosité et 500 * 400 (700 * 400 est possible) pour le signal de couleur.

En nous détournant des problèmes techniques, je voudrais souligner qu'à des fins publicitaires, de nombreux fabricants d'appareils photo électroniques rapportent des données totalement incompréhensibles sur leur technologie. Par exemple, Kodak annonce la résolution de son appareil photo électronique DC120 à 1200*1000 avec une matrice de 850x984 pixels. Mais messieurs, les informations provenant d'un endroit vide n'apparaissent pas, même si visuellement elles ont l'air bien !

Concernant la résolution spatiale d'un signal couleur (un signal qui transporte des informations sur la couleur d'une image), on peut dire qu'elle est au moins 2 fois moins bonne que la résolution d'un signal noir et blanc. De plus, la couleur « calculée » du pixel de sortie n'est pas la couleur de l'élément correspondant de l'image source, mais uniquement le résultat du traitement de la luminosité des différents éléments de l'image source. En gros, en raison d'une forte différence de luminosité des éléments adjacents de l'objet, une couleur qui n'est pas du tout ici peut être calculée, tandis qu'un léger décalage de la caméra entraînera un changement brusque de la couleur de sortie. Par exemple : la bordure d'un champ gris foncé et gris clair ressemblera à des carrés multicolores.

Tous ces arguments concernent uniquement le principe physique d'obtention d'informations sur les matrices CCD couleur, alors qu'il faut tenir compte du fait qu'habituellement le signal vidéo à la sortie des caméras couleur est présenté dans l'un des standards PAL, NTSC, et moins souvent S- formats vidéo.

Les formats PAL et NTSC sont bons car ils peuvent être immédiatement lus sur des moniteurs standards avec une entrée vidéo, mais il ne faut pas oublier que ces normes prévoient une bande nettement plus étroite pour le signal de couleur, il est donc plus correct de parler de couleur. image ici, et non sur une image couleur. Une autre caractéristique désagréable des caméras dont les signaux vidéo comportent une composante couleur est l'apparition des stries mentionnées ci-dessus dans l'image obtenue par les cartes d'acquisition en noir et blanc. Et le fait est que le signal de couleur est situé presque au milieu de la bande du signal vidéo, créant des interférences lors de l'entrée dans le cadre de l'image. Nous ne voyons pas cette interférence sur un écran de télévision car la phase de cette « interférence » change après quatre images et est moyennée par l'œil. D'où la perplexité du Client, qui reçoit une image avec des interférences qu'il ne voit pas.

Il s'ensuit que si vous devez effectuer certaines mesures ou déchiffrer des objets par couleur, cette question doit être abordée en tenant compte à la fois des caractéristiques ci-dessus et d'autres caractéristiques de votre tâche.

À propos des capteurs CMOS

Dans le monde de l'électronique, tout évolue très rapidement et, bien que le domaine des photodétecteurs soit l'un des plus conservateurs, de nouvelles technologies sont récemment apparues. Tout d'abord, cela fait référence à l'apparition des matrices de télévision CMOS.

En effet, le silicium est un élément photosensible et n’importe quel produit semi-conducteur peut être utilisé comme capteur. L'utilisation de la technologie CMOS offre plusieurs avantages évidents par rapport à la technologie traditionnelle.

Premièrement, la technologie CMOS est bien maîtrisée et permet de produire des cellules avec un rendement élevé en bons produits.

Deuxièmement, la technologie CMOS permet de placer sur la matrice en plus de la zone photosensible et divers appareils cadres (jusqu'à l'ADC), qui étaient auparavant installés "à l'extérieur". Cela permet la production de caméras avec sortie numérique "sur une seule puce".

Grâce à ces avantages, la production de caméras de télévision beaucoup moins chères devient possible. En outre, l'éventail des entreprises productrices de matrices s'élargit considérablement.

À l'heure actuelle, la sortie de matrices de télévision et de caméras basées sur la technologie CMOS ne fait que s'améliorer. Les informations sur les paramètres de ces appareils sont très rares. On peut seulement constater que les paramètres de ces matrices ne dépassent pas ceux obtenus actuellement, quant au prix, alors leurs avantages sont indéniables.

Permettez-moi de donner à titre d'exemple une caméra couleur monopuce de Photobit PB-159. La caméra est réalisée sur une seule puce et possède les paramètres techniques suivants :

• résolution - 512*384 ;
• taille des pixels - 7,9 μm * 7,9 μm ;
• sensibilité - 1lux;
• sortie - SRGB numérique 8 bits ;
• corps - 44 pieds PLCC.

Ainsi, la caméra perd en sensibilité d'un facteur quatre. De plus, d'après les informations d'une autre caméra, il est clair que cette technologie a des problèmes avec un courant d'obscurité relativement important.

À propos des appareils photo numériques

DANS Ces derniers temps un nouveau segment de marché est apparu et connaît une croissance rapide, utilisant les CCD et Capteurs CMOS- Caméras digitales. De plus, on constate actuellement une forte augmentation de la qualité de ces produits simultanément à une forte baisse des prix. En effet, il y a 2 ans, seule une matrice avec une résolution de 1024 * 1024 coûtait environ 3 000 à 7 000 $, et maintenant des appareils photo avec de telles matrices et un tas de fonctionnalités (écran LCD, mémoire, objectif zoom, boîtier pratique, etc. ) peut être acheté pour moins de 1 000 $ . Cela ne peut s’expliquer que par le passage à une production de matrices à grande échelle.

Puisque ces caméras sont basées sur des matrices CCD et CMOS, tous les arguments de cet article sur la sensibilité, sur les principes de formation du signal de couleur sont également valables pour elles.

Au lieu d'une conclusion

Notre expérience pratique nous permet de tirer les conclusions suivantes :

• La technologie de fabrication des CCD en termes de sensibilité et de bruit est très proche des limites physiques ;
• sur le marché des caméras de télévision, on peut trouver des caméras de qualité acceptable, bien qu'un ajustement puisse être nécessaire pour atteindre des paramètres plus élevés ;
• il ne faut pas se laisser tromper par les chiffres de haute sensibilité donnés dans les prospectus des appareils photo ;
• et pourtant, les prix d'appareils photo absolument identiques et même des mêmes appareils photo de différents vendeurs peuvent différer de plus de deux fois !

(langage : 'ru')

Je continue ce que j'ai commencé publication précédente parler de l'appareil.

L'un des principaux éléments appareil photo numérique ce qui le distingue des appareils photo argentiques est un élément photosensible, appelé tube intensificateur d'image ou photosensible appareil photo numérique. Nous avons déjà parlé des matrices de caméras, mais regardons maintenant de plus près le dispositif et le principe de fonctionnement de la matrice, quoique assez superficiellement pour ne pas trop fatiguer le lecteur.

De nos jours, la plupart des appareils photo numériques sont équipés de Matrices CCD.

Matrice CCD. Appareil. Principe d'opération.

Jetons un coup d'oeil à l'appareil Capteurs CCD.

On sait que les semi-conducteurs sont divisés en semi-conducteurs de type N et de type P. Dans un semi-conducteur de type n il y a un excès d’électrons libres, et dans un semi-conducteur de type p il y a un excès de charges positives, des « trous » (et donc un manque d’électrons). Toute la microélectronique repose sur l’interaction de ces deux types de semi-conducteurs.

Donc l'élément Capteurs CCD d'un appareil photo numérique disposés comme suit. Voir Fig.1 :

Fig. 1

Si vous n'entrez pas dans les détails, alors un élément CCD ou dispositif à couplage de charge, en transcription anglaise : charge-coupled-device - CCD, est un condensateur MIS (metal-dielectric-semiconductor). Il se compose d'un substrat de type P : une couche de silicium, un isolant en dioxyde de silicium et des plaques d'électrode. Lorsqu'un potentiel positif est appliqué à l'une des électrodes, une zone dépourvue des principaux porteurs - trous, se forme en dessous, car ils sont repoussés par le champ électrique de l'électrode profondément dans le substrat. Ainsi, un puits de potentiel se forme sous cette électrode, c'est-à-dire une zone d'énergie favorable au mouvement des porteurs minoritaires, les électrons. Ce puits accumule une charge négative. Il peut être stocké dans ce puits pendant une longue période en raison de l'absence de trous et, par conséquent, des raisons de la recombinaison des électrons.

En photosensible matrices les électrodes sont des films de silicium polycristallin, transparents dans le domaine visible du spectre.

Les photons de lumière incidents sur la matrice pénètrent dans le substrat de silicium, y formant une paire trou-électron. Les trous, comme mentionné ci-dessus, sont déplacés profondément dans le substrat et les électrons s'accumulent dans le puits de potentiel.

La charge accumulée est proportionnelle au nombre de photons incidents sur l'élément, c'est-à-dire à l'intensité du flux lumineux. Ainsi, un soulagement de charge est créé sur la matrice, correspondant à l'image optique.

Mouvement des charges dans un réseau CCD.

Chaque élément CCD possède plusieurs électrodes auxquelles sont appliqués différents potentiels.

Lorsqu'un potentiel supérieur à celui de l'électrode donnée est appliqué à l'électrode voisine (voir Fig. 3), un puits de potentiel plus profond se forme en dessous, dans lequel la charge se déplace depuis le premier puits de potentiel. De cette manière, la charge peut passer d’une cellule CCD à une autre. L'élément CCD représenté sur la figure 3 est appelé triphasé, il existe également des éléments quadriphasés.

Figure 4. Schéma de fonctionnement d'un dispositif triphasé à couplage de charge - un registre à décalage.

Pour convertir les charges en impulsions de courant (photocourant), des registres à décalage série sont utilisés (voir Fig. 4). Un tel registre à décalage est une chaîne d'éléments CCD. L'amplitude des impulsions de courant est proportionnelle à l'ampleur de la charge transférée, et est donc proportionnelle à l'incident. flux lumineux. La séquence d'impulsions de courant générée par la lecture de la séquence de charges est ensuite appliquée à l'entrée de l'amplificateur.

Des lignes d'éléments CCD étroitement espacés sont combinées en CCD. Le fonctionnement d'une telle matrice repose sur la création et le transfert d'une charge locale dans des puits de potentiel créés par un champ électrique.

Figure 5.

Les charges de tous les éléments CCD du registre sont déplacées de manière synchrone vers les éléments CCD voisins. La charge qui se trouvait dans la dernière cellule va à la sortie du registre, puis à l'entrée de l'amplificateur.

L'entrée d'un registre à décalage série correspond aux charges des registres à décalage perpendiculaires, collectivement appelés registre à décalage parallèle. Les registres à décalage parallèle et série constituent la matrice CCD (voir Fig. 4).

Les registres à décalage perpendiculaires au registre série sont appelés colonnes.

Le mouvement des charges du registre parallèle est strictement synchronisé. Toutes les charges d'une rangée sont transférées simultanément vers la suivante. Les charges de la dernière rangée entrent dans le registre sériel. Ainsi, au cours d'un cycle de travail, une rangée de charges du registre parallèle entre dans l'entrée du registre série, laissant la place aux charges nouvellement formées.

Le fonctionnement des registres série et parallèle est synchronisé par le générateur d'horloge. Partie capteurs d'appareil photo numérique comprend également un microcircuit qui fournit des potentiels aux électrodes de transfert de registre et contrôle leur fonctionnement.

Un tube intensificateur d'image de ce type est appelé matrice plein format (matrice CCD plein format). Pour son fonctionnement, il est nécessaire de disposer d'un couvercle opaque, qui ouvre d'abord le tube intensificateur d'image pour l'exposition à la lumière, puis, lorsque le nombre de photons nécessaires à l'accumulation d'une charge suffisante dans les éléments matriciels, le frappe, le ferme. de la lumière. Un tel couvercle est un obturateur mécanique, comme dans les appareils photo argentiques. L'absence d'un tel obturateur conduit au fait que lorsque les charges se déplacent dans le registre à décalage, les cellules continuent d'être irradiées par la lumière, ajoutant des électrons supplémentaires à la charge de chaque pixel, qui ne correspondent pas au flux lumineux d'un point donné. . Cela conduit à un "maculage" de la charge, respectivement à une distorsion de l'image résultante.