Les capteurs CCD et Cmos

Les capteurs CCD (Charge Coupled device ou détecteur à couplage de phase) et Cmos (Complementary metal oxide semi-conductor) sont des capteurs qui transforme un signal lumineux en un signal électrique.
Ces capteurs sont constitué d'une matrice d'éléments actif sur laquelle les photons incidents viennent arracher des électrons.



Les capteurs CCD:

Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit en paire électron-trou par effet photoélectrique* dans le substrat semi-conducteur, puis collecte les électrons dans le puits de potentiel maintenu à chaque photosite*. Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue.
A la fin de l'exposition, les charges sont transférées de photosite en photosite jusqu'au registre horizontal.
Elles sont ensuite transformées en tension proportionnelle au nombre d'électrons. Ce signal sera, à l'extérieur du CCD, filtré par un circuit avant d'être amplifié et numérisé.

Il existe trois types de technologies CCD:

• Le CCD pleine trame:

En technologie pleine trame (full-frame CCD), la construction est assez simple puisque les lignes CCD verticales jouent à la fois le rôle de capteur de lumière et de moyen de transmission des charges.
L'avantage est un rendement global intéressant, puisque presque toute la surface est sensible. Mais il est nécessaire d'avoir un obturateur optique externe pour fixer précisément le temps d'intégration et éliminer toute lumière incidente pendant le transfert des charges.

• Le CCD à transfert de trame:

La rétine CCD à transfert de trames (full-frame transfer CCD) est similaire, mais elle utilise en plus un second jeu de lignes CCD verticales, masquées par une couche métallique opaque. A la fin du temps de pose, on transfère très rapidement l'image électronique acquise dans la matrice photosensible vers la matrice aveugle. Cela permet ensuite de recommencer une acquisition, pendant que la matrice aveugle transmet l'image vers la sortie au rythme normal.

• Le CCD interligne

Dans le capteur interligne, les CCD verticaux aveugles ne sont pas disposés sous la forme d'une matrice compacte comme dans la technique précédente, mais sont intercalés entre les sites photosensibles disposés en rangées verticales. L'efficacité diminue puisque le facteur de remplissage baisse sensiblement dans cet arrangement.


Les capteurs Cmos:

Les rétines CCD nécessitent la mise en œuvre d'un process de fabrication particulier et imposent un adressage séquentiel de l'ensemble des points de l'image. La conversion charge-tension et l'amplification du photosignal se fait juste avant la sortie.
Au contraire, les capteurs Cmos utilisent une méthode de traitement décentralisé au niveau de chaque photosite, mettent en œuvre un process standard et autorisent l'accès aléatoire à chaque point de l'image, ainsi que l'intégration de fonctions de haut niveau. Le concept de base est celui de "pixel actif" qui associe au sein de chaque photosite au minimum un capteur de lumière et un amplificateur. Une matrice de commutation répartie sur l'ensemble de la puce permet d'accéder à chaque point.

les rétines Cmos ont des avantages déterminants: outre l'intégration possible de l'ensemble des fonctions d'une caméra dans un seul boîtier, ils ont un coût très favorable et des résolutions potentiellement très élevées. Des capteurs intelligents irréalisable avec la technologie CCD, rendent des services considérables en vision artificielle. Néanmoins, leur gros inconvénient est d'avoir un facteur de remplissage d'emblée inférieur à celui des CCD. Il en résulte qu'ils sont moins adpatés pour les applications scientifiques et industrielles délicates en faible lumière.



* photoélectrique: Un matériau est dit photoélectrique s'il émet des électrons lorsque qu'il est soumis à un rayonnement lumineux ou à un rayonnement électromagnétique.

** photosite: Il s'agit du plus petit élément réagissant à la lumière, l'ensemble de ceux-ci constituant le capteur.