Comment charger

Les années 60 et 70 ont été des années remplies de découvertes brillantes, d'inventions et de progrès technologiques, en particulier les technologies de la mémoire. L'une des principales découvertes à l'époque a été faite par Willard Boyle et George Smith, alors qu'ils exploraient l'application de la technologie métal-oxyde-semi-conducteur (MOS) pour le développement d'une mémoire à «bulles» à semi-conducteurs.

L'équipe a découvert qu'une charge électrique pouvait être stockée sur un petit condensateur MOS, qui pouvait être connecté de manière à ce que la charge puisse passer d'un condensateur à l'autre. Cette découverte a conduit à l'invention de dispositifs à couplage de charge (CCD), qui étaient à l'origine conçus pour servir des applications de mémoire, mais qui sont maintenant devenus des composants importants des systèmes d'imagerie avancés.

Un CCD (Charge Coupled Devices) est un détecteur de photons très sensible utilisé pour déplacer des charges de l'intérieur d'un appareil vers une zone où il peut être interprété ou traité comme une information (par exemple conversion en une valeur numérique).

Dans l'article d'aujourd'hui, nous examinerons le fonctionnement des CCD, les applications dans lesquelles ils sont déployés et leurs avantages comparatifs par rapport à d'autres technologies.

Qu'est-ce qu'un appareil à couplage de charge?

En termes simples, les dispositifs à charge contrôlée peuvent être définis comme des circuits intégrés contenant un réseau d'éléments de stockage de charge liés ou couplés (bacs capacitifs), conçus de telle manière que sous le contrôle d'un circuit externe, la charge électrique stockée dans chaque condensateur peut être déplacé vers un condensateur voisin. Les condensateurs métal-oxyde-semiconducteur (condensateurs MOS) sont généralement utilisés dans les CCD, et en appliquant une tension externe aux plaques supérieures de la structure MOS, des charges (électrons (e-) ou trous (h +)) peuvent être stockées dans le potentiel. Ces charges peuvent ensuite être décalées d'un condensateur à un autre par des impulsions numériques appliquées aux plaques supérieures (grilles) et peuvent être transférées ligne par ligne vers un registre de sortie série.

Fonctionnement du dispositif à couplage de charge

Le fonctionnement d'un CCD comporte trois étapes et comme l'application la plus populaire ces derniers temps est l'imagerie, il est préférable d'expliquer ces étapes par rapport à l'imagerie. Les trois étapes comprennent;

1. Induction / collecte de charge
2. Pointage de charge
3. Mesure de charge

Induction de charge / collecte / stockage:

Comme mentionné ci-dessus, les CCD sont constitués d'éléments de stockage de charge et le type d'élément de stockage et la méthode d'induction / de dépôt de charge dépendent de l'application. En imagerie, le CCD est constitué d'un grand nombre de matériaux photosensibles divisés en petites zones (pixels) et sont utilisés pour construire une image de la scène d'intérêt. Lorsque la lumière projetée sur la scène est réfléchie sur le CCD, un photon de lumière qui tombe dans la zone définie par l'un des pixels sera converti en un (ou plusieurs) électrons, dont le nombre est directement proportionnel à l'intensité du scène à chaque pixel, de sorte que lorsque le CCD est cadencé, le nombre d'électrons dans chaque pixel est mesuré et la scène peut être reconstruite.

La figure ci-dessous montre une coupe transversale très simplifiée à travers un CCD.

D'après l'image ci-dessus, on peut voir que les pixels sont définis par la position des électrodes au-dessus du CCD. De telle sorte que si une tension positive est appliquée à l'électrode, le potentiel positif attirera tous les électrons chargés négativement à proximité de la zone sous l'électrode. De plus, tout trou chargé positivement sera repoussé de la zone autour de l'électrode et cela conduira au développement d'un «puits de potentiel» où tous les électrons produits par les photons entrants seront stockés.

Au fur et à mesure que la lumière tombe sur le CCD, le «puits de potentiel» devient plus fort et attire plus d'électrons jusqu'à ce que la «pleine capacité du puits» (le nombre d'électrons pouvant être stockés sous un pixel) soit atteinte. Pour s'assurer qu'une image correcte est capturée, un obturateur par exemple est utilisé dans les caméras pour contrôler l'éclairage de manière chronométrée afin que le puits de potentiel soit rempli mais que sa capacité ne soit pas dépassée car cela pourrait être contre-productif.

Charge en sortie:

La topologie MOS utilisée dans la fabrication du CCD limite la quantité de conditionnement et de traitement du signal pouvant être effectué sur puce. Ainsi, les charges doivent généralement être synchronisées vers un circuit de conditionnement externe où le traitement est effectué.

Chaque pixel dans une rangée d'un CCD est généralement équipé de 3 électrodes comme illustré dans l'image ci-dessous:

L'une des électrodes est utilisée dans la création du puits de potentiel pour le stockage de charge tandis que les deux autres sont utilisées dans le cadencement des charges.

Disons qu'une charge est collectée sous l'une des électrodes, comme illustré dans l'image ci-dessous:

Pour synchroniser la charge hors du CCD, un nouveau puits de potentiel est induit en maintenant IØ3 haut, ce qui oblige la charge à être partagée entre IØ2 et IØ3 comme illustré dans l'image ci-dessous.

Ensuite, IØ2 est pris au niveau bas, ce qui conduit à un transfert complet de la charge vers l'électrode IØ3.

Le processus de pointage se poursuit en prenant IØ1 haut, ce qui garantit que la charge est partagée entre IØ1 et IØ3, et finalement en prenant IØ3 bas afin que la charge soit complètement déplacée sous les électrodes IØ1.

Selon la disposition / l'orientation des électrodes dans le CCD, ce processus se poursuivra et la charge se déplacera soit vers le bas de la colonne, soit à travers la rangée jusqu'à ce qu'elle atteigne la dernière rangée, généralement appelée registre de lecture.

Mesure de charge:

A la fin du registre de lecture, un circuit amplificateur connecté est utilisé pour mesurer la valeur de chaque charge et la convertit en une tension avec un facteur de conversion typique d'environ 5-10 µV par électron. Dans les applications d'imagerie, une caméra à base de CCD sera livrée avec la puce CCD avec d'autres composants électroniques associés, mais surtout l'amplificateur, qui, en convertissant la charge en tension, aide à numériser les pixels sous une forme qui peut être traitée par le logiciel, pour obtenir l'image capturée.

Propriétés du CCD

Certaines des propriétés utilisées pour décrire les performances / la qualité / la qualité des capteurs CCD sont:

1. Efficacité quantique:

L'efficacité quantique fait référence à l'efficacité avec laquelle un CCD acquiert / stocke une charge.

En imagerie, tous les photons tombant sur les plans de pixels ne sont pas détectés et convertis en une charge électrique. Le pourcentage de photos détectées et converties avec succès est connu sous le nom d'efficacité quantique. Les meilleurs CCD peuvent atteindre un QE d'environ 80%. Pour le contexte, l'efficacité quantique de l'œil humain est d'environ 20%.

2. Gamme de longueurs d'onde:

Les CCD ont généralement une large gamme de longueurs d'onde, d'environ 400 nm (bleu) à environ 1050 nm (infrarouge) avec une sensibilité de crête à environ 700 nm. Cependant, des processus tels que l'amincissement arrière peuvent être utilisés pour étendre la gamme de longueurs d'onde d'un CCD.

3. Plage dynamique:

La plage dynamique d'un CCD fait référence au nombre minimum et maximum d'électrons qui peuvent être stockés dans le puits de potentiel. Dans les CCD typiques, le nombre maximum d'électrons est généralement d'environ 150 000, alors que le minimum peut en fait être inférieur à un électron dans la plupart des contextes. Le concept de plage dynamique peut être mieux expliqué en termes d'imagerie. Comme nous l'avons mentionné précédemment, lorsque la lumière tombe sur un CCD, les photons sont convertis en électrons et sont aspirés dans le puits de potentiel qui à un moment donné devient saturé. La quantité d'électrons résultant de la conversion des photons dépend généralement de l'intensité des sources, en tant que telle, la plage dynamique est également utilisée pour décrire la plage entre la source la plus brillante et la plus faible possible qui peut être imagée par un CCD.

4. Linéarité:

Une considération importante dans la sélection du CCD est généralement sa capacité à répondre de manière linéaire sur une large gamme d'entrées. En imagerie, par exemple, si un CCD détecte 100 photons et les convertit en 100 électrons (par exemple, en supposant que le QE est de 100%), alors pour des raisons de linéarité, il devrait générer 10000 électrons s'il détecte 10000 photons. La valeur de la linéarité dans les CCD réside dans la complexité réduite des techniques de traitement utilisées pour peser et amplifier les signaux. Si le CCD est linéaire, un moindre conditionnement du signal est nécessaire.

5. Puissance:

Selon l'application, la puissance est une considération importante pour tout appareil, et l'utilisation d'un composant de faible puissance est généralement une décision intelligente. C'est l'une des choses que les CCD apportent aux applications. Alors que les circuits qui les entourent peuvent consommer une quantité importante d'énergie, les CCD eux-mêmes sont de faible puissance, avec des valeurs de consommation typiques d'environ 50 mW.

6. Bruit:

Les CCD, comme tous les appareils analogiques, sont sensibles au bruit, en tant que tel, l'une des principales propriétés pour l'évaluation de leurs performances et de leur capacité est la façon dont ils gèrent le bruit. L'élément de bruit ultime rencontré dans le CCD est le bruit de lecture. C'est un produit des électrons au processus de conversion de tension et un facteur contribuant à l'estimation de la plage dynamique du CCD.

Applications des CCD

Les dispositifs à couplage de charge trouvent des applications dans différents domaines, notamment;

1. Sciences de la vie:

Les détecteurs et caméras à CCD sont utilisés dans diverses applications et systèmes d'imagerie dans les sciences de la vie et le domaine médical. Les applications dans ce domaine sont trop vastes pour les mentionner toutes, mais certains exemples spécifiques incluent la possibilité de prendre des images de cellules avec des améliorations de contraste appliquées, la capacité de collecter des échantillons d'images qui ont été dopés avec des fluorophores (qui provoquent la fluorescence de l'échantillon) et utilisation dans des systèmes de tomographie à rayons X avancés pour imager des structures osseuses et des échantillons de tissus mous.

2. Microscopie optique:

Bien que les applications des sciences de la vie incluent l'utilisation dans les microscopes, il est important de noter que les applications de la microscopie ne sont pas limitées au domaine des sciences de la vie. Les microscopes optiques de divers types sont utilisés dans d'autres domaines convaincants comme; génie des nanotechnologies, science alimentaire et chimie.

Dans la plupart des applications de microscopie, les CCD sont utilisés en raison du faible rapport de bruit, de la sensibilité élevée, de la résolution spatiale élevée et de l'imagerie rapide des échantillons, ce qui est important pour l'analyse des réactions se produisant à des niveaux microscopiques.

3. Astronomie:

Avec la microscopie, les capteurs CCD sont utilisés pour imager des éléments minuscules, mais en astronomie, ils sont utilisés pour focaliser les images d'objets grands et éloignés. L'astronomie est l'une des premières applications des CCD et des objets allant des étoiles, des planètes, des météores, etc. ont tous été imagés avec des systèmes basés sur CCD.

4. Caméras commerciales:

Les capteurs d'image CCD à faible coût sont utilisés dans les caméras commerciales. Les CCD sont généralement de qualité et de performances inférieures à celles utilisées en astronomie et en sciences de la vie en raison des exigences de faible coût des caméras commerciales.