Récepteurs à transferts de charge (CCD)
Le détecteur CCD, pour l'anglais charge coupled device, assure la conversion d'un signal lumineux en un signal électrique. Cette technique introduite en 1969 est en usage en astronomie depuis la fin des années 70, fournissant des détecteurs pour les domaines visible, infrarouge et proche UV.
Le fonctionnement d'un détecteur CCD peut être ainsi résumé :
- Chaque pixel de la matrice CCD correspond à un élément semi-conducteur
en sandwich dans un condensateur électrique.
- Un photon incident crée un photo-électron, lorsqu'il apporte à un électron du matériau semi-conducteur l'énergie nécessaire pour franchir le seuil énergétique (gap).
- Les photo-électrons sont stockés dans le puits de potentiel qu'est le pixel convenablement polarisé.
- La lecture de ces photo-électrons est commandée par polarisation via des
transistors à effet de champ. Elle a lieu soit directement, un obturateur cachant la source, soit par transfert de trame. Dans ce dernier cas, une moitié de la surface du CCD est réservée à la collecte du signal; l'autre moitié n'est jamais éclairée, mais recueille les photo-électrons de la partie réceptrice, avant la lecture complète et le transfert des charges vers l'étage d'amplification.
Les colonnes de la galette CCD sont définies en dur dans le silicium par des rangées dopées p (en bleu foncé) ; les lignes sont créés par une différence de potentiel (les zones de potentiel bas, en rouge, font fuir les électrons). Le registre de lecture (en violet) équivaut à une ligne de la galette.
Crédit :
ASM
Définition des pixels
Une caméra CCD comprend des lignes et des colonnes, définissant les pixels. Le principe de lecture d'une CCD conduit à définir les bornes des colonnes par un dopage p gravé dans le silicium. En revanche, les bornes des lignes sont définies par une polarisation commandée. Le puits de potentiel qu'est un pixel est statique dans la phase d'acquisition du signal scientifique, puis variable pendant la lecture des pixels.
Principe
Comment, dans un détecteur CCD, un photon éveille un photo-électron, et comment celui-ci devient signal.
Principe de détection
Processus d'acquisition : pose, transfert dans le registre et lecture du registre.
Crédit :
ASM
Processus de lecture
Les étapes de l'enregistrement et de la lecture d'une image CCD sont décrites dans l'animation ci-jointe :
- Durant la pose, les pixels se remplissent peu à peu en photo-électrons. .
- La variation du potentiel définissant les lignes du CCD conduit au transfert, ligne par ligne, vers le registre (grisé).
- Le registre transfère les photoélectrons vers la zone de lecture (gris foncé), pour charger un condensateur. La tension aux bornes du condensateur est ensuite amplifiée et numérisée.