qu’est-ce qu’un capteur CCD?

Les caméras CCD refroidies ont longtemps été à la pointe de l’Astrophotographie. Mais qu’est-ce que la technologie des capteurs CCD, et comment l’utilisons-nous pour créer de superbes images du ciel nocturne?

nous avons pensé qu’il pourrait être utile de jeter un oeil à certains des différents aspects des capteurs CCD pour aider à mieux comprendre ce qui se passe à la surface de votre caméra pendant que vous êtes occupé à photographier l’univers.,

Nous avons rassemblé quelques vidéos dans cette série que nous publierons au cours des prochaines semaines, y compris un regard sur les différents types de bruit associés aux capteurs CCD et comment nous allons le minimiser. Mais commençons par le début et jetons un coup d’œil à ce QU’est réellement un CCD – ou un appareil couplé à une charge.

qu’est Ce qu’un capteur CCD? – Transcription

Bonjour.

ce que j’aimerais faire aujourd’hui, c’est parler un peu des CCD eux-mêmes., Les CCD ont évidemment été très importants pour l’Astrophotographie au cours des dix ou vingt dernières années-la plupart des très belles images du ciel nocturne ont été prises avec la technologie des capteurs CCD. Donc, ce que nous allons faire ici, c’est profiter de l’occasion pour parler un peu des capteurs eux-mêmes. Espérons que ce sera informatif, il peut être divertissant. Cela ne sera probablement pas particulièrement utile pour vous aider à prendre une photo du ciel nocturne, mais lorsque vous voulez avoir une idée de ce qui se passe réellement sur l’appareil photo lui-même, cela peut être utile.,

Ok, donc c’est un capteur. C’est en fait l’un des capteurs Kodak onze mégapixels, et il ressemble à certains des capteurs Sony, dans la mesure où nous avons un morceau de verre transparent couvrant un morceau de puce de silicium lui – même et nous avons un certain nombre de broches le long du côté – ou il peut s’agir d’un réseau de grille de broches-pour

capteur Kodak 11mp tableau de grille de broches

la première chose à noter est que c’est un morceau de silicium., Alors pourquoi diable avons-nous un morceau de puce de silicium en dessous? Pourquoi avons-nous choisi de l’utiliser, pourquoi n’avons-nous pas choisi d’utiliser un morceau d’acier, ou un morceau de charbon, ou de plastique – pourquoi le silicium? Et la réponse se résume vraiment à une propriété très intéressante du silicium et pour vous parler de cela, il est utile de parler d’un certain nombre de différents types de composés et de leurs propriétés électroniques.,

types de composés et leurs propriétés électroniques

un isolant est un matériau où tous les électrons sont dans la bande de valence, donc ils sont liés étroitement aux atomes parents et ils ne peuvent pas du tout se déplacer autour du matériau. Les électrons délocalisés qui peuvent se déplacer sont ce qu’on appelle dans la bande de conductance. Les isolateurs ont une bande de conductance, mais leur énergie est tellement supérieure à la bande de valence qu’il est très, très rare qu’un électron soit promu dans la bande de conductance, puis il aura tendance à revenir directement à son atome parent et à être lié., Donc, les isolateurs – très pauvres à conduire l’électricité.

dans les métaux, nous avons la situation inverse où les énergies de la bande de valence et de la bande de conductance se chevauchent réellement. Nous avons donc cette mer d’électrons délocalisés dans le métal et cela l’aide à conduire l’électricité, et cela peut le faire sans ajouter d’énergie dans le métal lui-même.,

notre troisième type de matériau, le semi-conducteur, a cette propriété intéressante où la bande de conductance n’est que légèrement au-dessus de la bande de valence, nous devons donc ajouter une quantité d’énergie relativement faible afin de promouvoir les électrons dans la bande de conductance. Pour le silicium, cette énergie est de 1,14 électron-volts et la propriété intéressante qu’il y a correspond à la quantité d’énergie qu’un photon a entre 300-1000 nanomètres., Cette énergie peut être utilisée si un photon tombe sur le silicium, puis elle peut être utilisée pour promouvoir un électron dans la bande de conductance et là, une fois qu’il est dans la bande de conductance, nous pouvons alors le déplacer autour du silicium et le mesurer.

Création d’un Silicium du Capteur

d’Accord, donc maintenant je voudrais examiner comment nous avons fait la conception d’un capteur d’image autour d’un morceau de puce de silicium. Donc, ici, je viens d’avoir ceci à l’écran représentant un morceau carré de silicium. Je vais couper cela en neuf zones qui deviennent neuf pixels., La première chose à faire est de séparer les colonnes, donc nous mettons ces arrêts entre les colonnes et ce sont essentiellement de petites électrodes qui traversent la surface de la puce et elles portent une charge négative, ou nous leur donnons un potentiel négatif et cela arrête les électrons qui sont tombés dans ces trois zones différentes qui migrent maintenant à gauche et à droite à travers le capteur.

Morceau de Silicium Ajouter des pixels Ajouter des électrodes

Donc c’est limité à droite ou à gauche., Nous devons également les contraindre de haut en bas et nous utilisons ces horloges verticales pour ce faire. Donc ici, ils fonctionnent par groupes de trois, donc trois horloges par pixel, et pour le moment j’ai la centrale avec un potentiel positif, et les deux extérieures avec un potentiel négatif.

donc, ce qui se passe maintenant, c’est que si un photon tombe sur l’un de ces pixels, il va générer et libérer un électron et cet électron va vouloir se déplacer pour qu’il soit sous le potentiel positif de l’horloge positive., C’est ainsi qu’il accumule une image, donc pendant le temps d’exposition, nous avons des photons qui tombent sur le capteur d’image et ils sont contraints dans le pixel par les électrodes verticales et ces horloges verticales à fonctionnement horizontal.

Vertical Horloges

la Lecture d’une Image

Ensuite, nous voulons à la lecture de cette image. La façon dont nous le faisons est en chronométrant ces horloges verticales.,

Si nous déplaçons le potentiel des horloges vers le bas un, si le potentiel positif a déplacé vers le bas une horloge, ce qu’il a tendance à faire alors est de déplacer, ou de demander, l’électron de migrer une étape à la fois. Et encore une fois, nous le faisons en déplaçant la phase positive vers le bas d’un et les électrons migrent lentement vers le bas du CCD lui-même.

nous continuons à le faire jusqu’à ce que les électrons, ou le pixel, se transfèrent dans l’étage inférieur qui est ce registre de lecture horizontal., C’est exactement le même genre de chose, mais cette fois les horloges elles-mêmes fonctionnent verticalement et permettent donc de déplacer les électrons de gauche à droite. Donc, dans ce cas, nous les déplaçons vers la gauche et dans la phase finale. Et une fois qu’ils sont dans cette étape, nous utilisons un amplificateur et l’amplificateur mesure essentiellement le nombre de photons qui étaient lâches dans le pixel et le convertit en tension, et cette tension apparaît ensuite sur l’une des broches de cette puce elle-même. Sur celui – ci, je pense que c’est un de la fin-donc les horloges verticales d’un côté et les horloges horizontales d’un côté.,

ensuite, lorsque nous avons fini de mesurer cela, ou de numériser cette tension particulière à partir de ce pixel, nous utilisons le commutateur dans l’étage de sortie pour effacer toute la charge de ce pixel et horloge un autre des registres horizontaux dans la porte de sortie.

lire un CCD

donc, un système très typique pour lire un CCD est tout d’abord, une ligne à la fois dans le registre de lecture horizontal, puis déplacer ce pixel à la fois dans l’étage de sortie. Et cela décrit vraiment ce qui est un capteur de zone très classique pour CCDs., C’est une technologie assez ancienne, une façon assez ancienne de manipuler, ou d’utiliser du silicium, pour devenir un imageur. Il a besoin d’un obturateur mécanique, donc pendant la phase de lecture, le tout est toujours sensible à la lumière, donc pour que lorsque vous commencez à déplacer une image vers le bas du capteur, vous ne traînez pas, vous devez utiliser un obturateur mécanique.

Tous les capteurs de ce plateau particulier ne sont pas des capteurs de zone, ils sont en fait tous des capteurs interlignes. Beaucoup de nos produits de la gamme Atik utilisent des capteurs interlignes qui n’ont pas besoin de volets mécaniques., Donc, il vaut probablement la peine de simplement aborder la façon dont nous allons les utiliser.

capteurs CCD Interline

donc, si nous commençons avec exactement le même morceau de silicium à nouveau et cette fois, nous allons en faire un capteur interline, la première chose à faire est vraiment de commencer par faire le même capteur de type zone. Je ne les ai donc pas montrés ici, mais nous allons introduire ces arrêts de colonne verticaux pour arrêter les électrons migrant à gauche et à droite et nous aurons également les horloges verticales qui nous permettent de déplacer la charge de haut en bas du pixel lui-même.,

là où les choses deviennent différentes, c’est que nous mettons ces bandes d’aluminium sur le capteur lui-même. Cela rend essentiellement la zone sous le bouclier lumineux en aluminium insensible à la lumière, donc pendant la phase de lecture, s’il y a des électrons dans cette partie du registre de lecture, alors qu’ils sont déplacés dans la colonne, nous n’avons pas à nous soucier que cette partie du capteur capte d’autres photons et les convertit en électrons – Il y a ce bouclier lumineux au-dessus d’eux.,

capteur avec écrans lumineux en Aluminium

Nous avons également besoin de quelque chose pour être réellement sensible à la lumière. Dans ce cas, ça s’appelle une photodiode, exactement la même idée, c’est un morceau de silicium, sauf que nous avons quelques autres horloges que nous pouvons maintenant utiliser pour contrôler cette photodiode. L’un d’eux, nous pouvons l’utiliser pour effacer la charge de tous les photodiodes d’un seul coup, et qui est généralement utilisé au début de l’exposition, et la seconde est une horloge qui va déplacer la charge de tous les photodiodes vers la gauche., Cela les déplacera ensuite essentiellement sous les boucliers de lumière en aluminium et mettra effectivement fin à l’exposition.

Il s’agit donc essentiellement d’un diagramme de ce à quoi ressemble un capteur interligne, car nous avons une photodiode et nous avons le CCD de lecture verticale sous un bouclier lumineux en aluminium.

là où ce n’est pas très bon, c’est maintenant ce que nous avons fait, c’est que nous avons rendu la zone du capteur elle-même sensible à la lumière qui ne représente qu’environ 25% de la surface de la puce., Nous décririons cela comme ayant un facteur de remplissage d’environ 25%, ce qui est assez mauvais si nous regardons une source de faible luminosité, car 75% des photons tombant sur ce capteur ne seront pas convertis en électrons.

ajout de microlentilles

Voici où les choses redeviennent intelligentes. Les fabricants de puces introduisent cette technologie de microlentille, donc au-dessus de chaque photodiode, nous mettons cette lentille, ou ils mettent la lentille sur le dessus, ce qui signifie que tous les photons qui tombent maintenant sur la lentille se concentrent sur cette photodiode elle-même, et cela améliorera ensuite le facteur de remplissage au-delà de 80%.,

capteur interligne avec microlentilles

la technologie qu’ils utilisent pour produire ces très, très petites lentilles a connu beaucoup de développement et est relativement intéressante en soi. C’est généralement un processus de type jet d’encre, où ces petites lentilles sont repérées une à la fois sur la surface du capteur., Mais ensuite, ils prennent plus d’un tour sphérique de forme lorsque vous le faites, alors effectivement les faire revenir dans une forme de lentille, la puce est contrôlée avec beaucoup d’attention les gradients de température pour obtenir ces boules à l’affaissement dans la forme d’une lentille. Une fois qu’ils ont fait cela, les facteurs de remplissage augmentent efficacement à cause de la microlentification.

D’accord, je pense que c’est donné autant que je veux probablement en parler dans cette petite section sur les CCD., J’espère que cela a été intéressant, et peut-être que la prochaine fois que vous serez en train d’imaginer le ciel, ainsi que de réfléchir aux subtilités des galaxies et des nébuleuses, nous pourrons également commencer à réfléchir à ce qui se passe réellement à la surface du capteur.

je vous Remercie.