Qu’est-ce qu’un CCD (Charge-Coupled Device) et comment est-il utilisé ?

Pour prendre une photo numériquement, un appareil photo moderne doit capter la lumière et la convertir en information numérique. Pour ce faire, une caméra nécessiterait un capteur qui enregistre avec précision et rapidité les photons de l’environnement.

Vous connaissez probablement déjà le capteur CMOS utilisé dans les smartphones et les appareils photo numériques grand public. Mais saviez-vous qu’il existe un autre type de capteur qui offre des niveaux de détail et une plage dynamique plus élevés ? Ces capteurs de caméra sont connus sous le nom de CCD.

Alors, que sont exactement les CCD ? Comment ça marche, et comment est-il utilisé ? Parlons-en.

Qu’est-ce qu’un CCD (Charge-Coupled Device) ?

Un CCD, ou dispositif à couplage de charge, est un capteur électronique qui convertit la lumière en signaux numériques grâce à des charges générées par des photons rebondissant sur une fine tranche de silicium.

Les CCD étaient la référence en matière de capteurs de caméra du début des années 80 à la fin des années 2000. En effet, vers 2010, les capteurs CMOS ont acquis d’importantes innovations technologiques qui les rendraient moins chers à fabriquer en tant que système sur puce (SoC) tout en ayant une qualité d’image comparable à celle d’un capteur CCD.

Depuis que le CMOS a gagné en popularité, il est devenu rare de voir des capteurs CCD sur les smartphones et les appareils photo au cours de la dernière décennie. Cependant, les capteurs CCD ne sont pas exactement obsolètes. Bien qu’ils aient peut-être été éliminés du marché des appareils photo grand public, les capteurs CCD restent le capteur préféré utilisé dans certains domaines de la photographie.

Applications de la technologie CCD en photographie

En plus d’être coûteux à fabriquer, le CCD a également eu d’autres problèmes qui l’ont amené à être éliminé du marché grand public. Cela inclurait son exigence de puissance élevée, qui est 100 fois supérieure à ce que le CMOS utiliserait, et le traitement d’image lent, ce qui est un problème lors de la prise de photos en rafale et de la prise de vue vidéo.

Malgré tous ces inconvénients, les CCD continuent de prospérer dans diverses applications industrielles et scientifiques nécessitant une vision artificielle. En effet, les CCD fournissent toujours des images à faible bruit de meilleure qualité que ces domaines de la photographie spécialisée exigent. De plus, le coût d’achat et de fonctionnement des caméras CCD n’est pas vraiment un problème pour les institutions et les entreprises bien financées.

Alors, quels sont exactement ces domaines spécialisés de la photographie qui utilisent encore le CCD ? Découvrons ci-dessous :

Microscopie optique

Les CCD sont utilisés dans diverses applications de microscopie pour observer l’alimentation, la chimie, l’ingénierie et d’autres applications où des images claires d’objets microscopiques sont nécessaires. Un CCD est choisi pour la microscopie optique car il peut enregistrer des objets de plus de 10 pixels avec une sensibilité élevée et de faibles taux de bruit.

Photographie de l’espace

Il est préférable de prendre des photos de l’espace avec des caméras CCD. En effet, les capteurs CCD ont les rendements quantiques les plus élevés, ce qui se traduit par un faible bruit, une plage dynamique élevée et une meilleure uniformité, tous des aspects critiques de la photographie spatiale.

Imagerie proche infrarouge

Les CCD sont utilisés dans diverses applications d’imagerie industrielle, dont l’une est l’imagerie proche infrarouge. Un capteur doit avoir une absorption de photons très efficace pour faire de l’imagerie dans le proche infrarouge, car les photons infrarouges sont moins visibles que les photons régulièrement visibles. Étant donné que les CCD fournissent des capteurs très sensibles capables de mieux capturer les photons infrarouges, ils sont toujours utilisés dans ces applications.

Les CCD prospèrent dans l’espace de la photographie scientifique, industrielle et médicale principalement en raison de leur efficacité quantique élevée, de leur imagerie à faible bruit et de leur haut niveau d’uniformité. Mais comment exactement les capteurs CCD offrent-ils de telles qualités ? Vous devrez d’abord apprendre comment fonctionnent les capteurs CCD pour mieux comprendre cela.

Comment fonctionne un système CCD ?

Le CCD n’est qu’un des différents types de capteurs de caméra. Et tout comme les autres capteurs de caméra, les CCD capturent la lumière et la convertissent en signaux numériques, qui sont ensuite traités et affichés sous forme de pixels lorsqu’ils sont visualisés sur un écran électronique tel qu’un moniteur.

Bien que tous les capteurs d’imagerie aient la même tâche de capturer l’analogique pour produire des signaux numériques, le mode ou le processus nécessaire pour accomplir ces tâches serait différent des autres capteurs.

Pour qu’un capteur CCD capture des images, il passe par un processus en cinq étapes, en commençant par la conversion lumière-charge, l’accumulation de charge, le transfert de charge, la conversion charge-tension, puis l’amplification du signal. Passons en revue le processus étape par étape :

Étape 1 : conversion de la lumière à la charge

Un capteur CCD capte la lumière en permettant aux photons (énergie de la lumière) de rebondir sur une fine tranche de silicium qui libère alors un électron. Un minuscule condensateur chargé positivement agit alors comme un seau qui collecte et stocke les électrons libérés. Une unité de cette tranche de silicium mince au-dessus d’un minuscule condensateur est connue sous le nom de photosite.

Étapes 2 et 3 : Accumulation de charge et transfert de charge

Un capteur CCD continue de collecter et de stocker ces électrons jusqu’à ce que l’obturateur de la caméra se ferme. Tous les électrons stockés du condensateur sont ce qui fait la charge.

Lorsque l’obturateur de l’appareil photo se ferme, toute la charge des photosites est transférée à un circuit de condensateur de détection. Le transfert se fait en déplaçant les charges horizontalement vers le bord du capteur puis verticalement jusqu’à ce que chaque charge soit envoyée au circuit du condensateur de détection.

Les capteurs CCD utilisent ce mécanisme de registre à décalage pour transférer la charge, tandis que les capteurs CMOS utilisent la conversion de tension locale et l’amplification du signal. Bien que cela fasse du CMOS le capteur le plus rapide, cela rend également leur sortie assez bruyante car le grand nombre d’amplificateurs locaux crée du bruit ou des artefacts dans une image. En revanche, un CCD n’utilise qu’un seul circuit amplificateur pour amplifier les signaux.

Un autre inconvénient de l’utilisation d’une amplification locale à des vitesses élevées est qu’elle provoque des irrégularités dans l’imagerie. Les capteurs CCD n’ont pas de tels problèmes en raison de leur processus linéaire lors du traitement des charges dans chaque photosite.

Étapes 4 et 5 : conversion charge-tension et amplification du signal

Les charges analogiques envoyées au condensateur de détection sont automatiquement converties en tensions, ce qui rend les données numériques brutes utilisées pour créer des images. Après la conversion charge-tension, les signaux numériques sont encore trop faibles pour être utilisés par un processeur.

Pour amplifier les signaux numériques, un amplificateur de signal est utilisé. Ce signal amplifié est ensuite envoyé à un processeur d’image qui assemble ensuite l’image.

Les CCD sont là pour rester

Autrefois l’étalon-or pour les capteurs d’appareils photo numériques, les CCD ne sont désormais plus utilisés par les consommateurs. Mais avec leurs rendements quantiques élevés, leur imagerie à faible bruit, leur plage dynamique plus élevée et leur excellente uniformité, les CCD sont toujours utilisés dans de nombreuses applications scientifiques et industrielles.

Et bien qu’il soit peu probable que les fabricants ramènent des caméras CCD de qualité grand public dans un proche avenir, les CCD continueront d’être un incontournable de la recherche scientifique.