(Charged Coupled Device ou en français Dispositif de Transfert de Charges)
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| Willard Boyle Ingénieur physicien canadien 1924 - 2011 et George Smith Ingénieur docteur américain né en 1930 en 1974 co lauréats du prix Nobel de physique en 2009 pour leur invention des CCD | Michael Tompsett ingénieur anglais qui après avoir travaillé et conçu des matériels pour la vision de nuit s'est consacré à l'imagerie à base de CCD aux Laboratoires BELL dont il revendique l'invention (voir le document ci dessous) |
La
paternité des CCD est discutée .
Le prix Nobel de physique 2009 a été attribué à W
Boyle et G Smith , photo
ci-dessus pour avoir inventé en 1969 les CCD or
M Tompsett estime que ce prix est
usurpé car il a déposé le premier brevet .
L'histoire des CCD commence en 1969 aux laboratoires
de Philips Research en Angleterre. F Sangster
et K Teer travaillent sur une ligne à
retard analogique qu'ils appelleront BBD Bucked-Brigade Device (par analogie
avec une chaine de personnes se passant des seaux d'eau pour éteindre un
incendie). Le principe est une série de capacités, contenant diverses
charges qui se transfèrent leurs charges de proche en proche à chaque
impulsion d'horloge.
En 1969 Willard Boyle et George Smith ou Michael Tompsett inventent le dispositif à transfert de charges appliqué à l'imagerie. On voit sur la photo de gauche Boyle et Smith en 1974 faisant une démonstration de leur matériel, à droite , Michael Tompsett affirmant que la caméra était sa réalisation. Les trois chercheurs travaillaient aux laboratoires BELL
En décembre 1975
Steven Sasson aux Laboratoires Kodak
(photo de droite) réalise le premier appareil photo numérique . Il est très
loin des appareils actuels. Il a employé un capteur CCD 100x100
l'enregistrement en noir et blanc s'effectue sur une bande magnétique, il
dure 23 seconde et il peut être lu à la même vitesse sur un écran de
télévision.
Principe des CCD employés dans l'imagerie.
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La capacité MOS: La capacité MOS est constituée : – d’un substrat
semi-conducteur dopé (en général P : les trous y sont donc majoritaires), –
recouvert d’une couche isolante (le diélectrique) d’oxyde de silicium SiO2
(de quelques dixièmes de microns d’épaisseur), – et sur laquelle on trouve
une électrode métallique (dépôt d’aluminium ou de silicium fortement dopé
pour être rendu conducteur) appelée «grille». Diagramme des potentiels de
surface dans une cellule MOS lorsque la grille est polarisée positivement.
Lorsqu’un photon d’énergie suffisante pénètre dans le silicium il y a
formation d’une paire électron-trou (dans la suite de l’exposé seuls les
électrons seront pris en considération).
Un puits de potentiel (quelques microns de profondeur) est créé sous
l’électrode dans le substrat dopé P quand celle-ci est soumise à une tension
Vg > 0. Les porteurs majoritaires (les trous) sont repoussés loin de
l’interface SiO2/Si dans le substrat. Les électrons créés (porteurs
minoritaires), sont donc regroupés près de l’interface SiO2/Si (Zone dite
d’inversion). La charge ainsi créée par effet photoélectronique demeure
piégée tant que la polarisation positive (quelques dizaines de volts) de
grille Vg est maintenue. La couche d’inversion ainsi produite est donc le
véhicule de l’information acquise. La charge étant proportionnelle à la
quantité de lumière (nombre de photons reçus), elle va donc constituer la
grandeur analogique de référence du système (les électrons thermiques devant
rester négligeables devant ceux créés par effet photoélectrique) !
1.4. Mécanisme du transfert de charges Le mécanisme du transfert de charges
est en fait assez simple : – lorsque deux capacités MOS sont assez proches
l’une de l’autre, leurs puits de potentiel peuvent communiquer (suppression
de la barrière de potentiel) et le transfert de charge entre les deux puits
voisins peut ainsi être réalisé, – il suffit donc d’appliquer des tensions
croissantes sur l’électrode voisine pour transférer de proche en proche des
paquets de charges le long de la structure (les charges sont transférées
d’un puits dans un plus profond)
Jacques CAZENOVE
Les capteurs CCD Initiation à la théorie et à la pratique
BULLETIN DE L’UNION DES PHYSICIENS
.http://www.udppc.asso.fr/bupdoc/consultation/article-bup.php?ID_fiche=2045
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Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit sur
l'électrode semi-transparente en électron par effet
photoélectrique, puis collecte les électrons dans la zone
désertée. Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue. À la fin de l'exposition, les charges sont transférées de photosite en photosite par le jeu de variations de potentiel cycliques provenant d'une horloge externe. Puis elles sont envoyées dans un registre de sortie. Enfin les charges sont transformées en tension proportionnelle au nombre d'électrons. Ce signal sera, à l'extérieur du CCD, amplifié et numérisé.
Jérôme Six, Léo Meignan université de Lille |
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SCHEMA D'ENSEMBLE D'UN CAPTEUR CCD LINEAIRE L'ensemble du capteur est réalisé sur une plaquette de silicium recouverte d'une couche isolante. Une barrette CCD comprend tout d'abord une série d'électrodes transparentes (notées F sur la figure) reliées électriquement entre elles. Pendant le temps d'exposition, elles sont portées à un potentiel Vf positif, tandis que les électrodes T voisines le sont à un potentiel Vt nul. Les électrons créés par effet photoélectrique dans le matériau restent donc localisés sous les électrodes F. vue du dessus Sur la plaquette est également implanté un registre constitué par une ligne d'électrodes P, qui sont commandées par trois tensions V0 V1 et V2. Il est en effet nécessaire de disposer de trois tensions de commandes pour pouvoir déplacer des paquets de charges dans un sens défini le long du registre P. À la fin de l'exposition, les charges Q accumulées sous F sont transférées sous les électrodes de transfert T en permutant les valeurs Vf et Vt comme expliqué précédemment. En modifiant ensuite Vt et V0, les charges sont alors transférées sous les électrodes P qui sont en regard des électrodes T. La dernière opération consiste à transférer de proche en proche les charges le long du registre, en jouant sur les tensions de commande V0 V1 et V2. À l'extrémité du registre, un dispositif ad hoc recueille ainsi un signal dont la variation temporelle reflète la variation spatiale des charges à la fin de l'exposition. |
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Philippe Lorenzini
Polytech'Nice Sophia |
pas de nom d'auteur https://www.u-picardie.fr/~dellis/SystemesDeMesure/TravauxPratiquesCCD.pdf |
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Pour réaliser des images en couleur, plusieurs techniques
sont possibles. Des filtres sélectionnant les 3 couleurs fondamentales
peuvent être disposés sur les CCD , de nouveaux processus emploi des
capteurs qui joue sur la différence de pénétration des différentes longueurs
d'onde de la lumière incidente. C'est l'invention de Carver Mead
ingénieur
physicien qui crée la société Foveon |
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| Ci dessus le filtre Bayer qui est encore (?) très employé en imagerie numérique . Chaque pavé de couleur recouvre une cellule CCD , le nombre des filtres de chaque couleur tient compte de la sensibilité oculaire pour ces couleurs. L'inconvénient de ce filtre divise par 3 le nombre de pixel puisqu'il faut les 3 couleurs pour un pixel | L'image de gauche ci dessus montre la pénétration de la lumière dans le silicium . On peut voir que la couche superficielle absorbe le bleu puis plus profondément le vert et en dessous d'un certain niveau il ne reste plus que le rayonnement rouge. Cette propriété donne lieu à un capteur réalisé par la société Foveon . Peu d'informations sur ce capteur sinon qu'il évite la division par 3 donc augmente le nombre de pixel mais comment se fait la capture des charges électriques ? A droite la photo de Carver Mead l'inventeur de ce capteur. | |
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Madame Margaret Tompsett épouse de Michael Tompsett image captée en 1972 |
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