Pour prendre une photo numérique, un appareil photo moderne doit capturer la lumière et la convertir en informations numériques. Pour ce faire, un appareil photo a besoin d’un capteur qui enregistre avec précision et rapidité les photons de l’environnement.
Vous connaissez probablement déjà le capteur CMOS utilisé dans les smartphones et les appareils photo numériques grand public. Mais saviez-vous qu’il existe un autre type de capteur qui offre des niveaux de détail et une plage dynamique plus élevés ? Ces capteurs de caméra sont connus sous le nom de CCD.
Alors, que sont exactement les CCD ? Comment fonctionne-t-il, et comment est-il utilisé ? Parlons-en.
Qu’est-ce qu’un CCD (Charge-Coupled Device) ?
Un CCD, ou dispositif à couplage de charge, est un capteur électronique qui convertit la lumière en signaux numériques grâce aux charges générées par le rebond des photons sur une fine tranche de silicium.
Les CCD ont été l’étalon-or des capteurs de caméra du début des années 80 à la fin des années 2000. En effet, vers 2010, les capteurs CMOS ont bénéficié d’innovations technologiques importantes qui les rendaient moins chers à fabriquer sous forme de système sur puce (SoC) tout en ayant une qualité d’image comparable à celle d’un capteur CCD.
Depuis que le CMOS a gagné en popularité, il est devenu rare de voir des capteurs CCD sur les smartphones et les appareils photo au cours de la dernière décennie. Cependant, les capteurs CCD ne sont pas exactement obsolètes. Bien qu’ils aient été progressivement éliminés du marché des appareils photo grand public, les capteurs CCD restent le capteur préféré dans certains domaines de la photographie.
Applications de la technologie CCD en photographie
En plus d’être coûteux à fabriquer, le CCD présentait également d’autres problèmes qui ont entraîné son retrait progressif du marché grand public. Il s’agit notamment de sa consommation d’énergie élevée, qui est 100 fois supérieure à celle du CMOS, et de la lenteur du traitement des images, qui pose problème lors de la prise de photos en rafale et de la réalisation de vidéos.
Malgré tous ces inconvénients, les CCD sont toujours en plein essor dans diverses applications industrielles et scientifiques qui ont besoin de vision industrielle. Cela s’explique par le fait que les CCD fournissent toujours des images de meilleure qualité et à faible bruit que ces domaines de la photographie spécialisée exigent. De plus, le coût d’achat et de fonctionnement des caméras CCD n’est pas vraiment un problème pour les institutions et les entreprises bien financées.
Alors, quels sont exactement ces domaines spécialisés de la photographie qui utilisent encore le CCD ? Nous allons le découvrir ci-dessous :
Microscopie optique
Les CCD sont utilisés dans diverses applications de microscopie pour observer les aliments, la chimie, l’ingénierie et d’autres applications où des visuels clairs d’objets microscopiques sont nécessaires. Un CCD est choisi pour la microscopie optique car il peut enregistrer des objets de plus de 10 pixels avec une sensibilité élevée et un faible taux de bruit.
Photographie de l’espace
La photographie de l’espace est mieux réalisée avec des caméras CCD. En effet, les capteurs CCD présentent les rendements quantiques les plus élevés, ce qui se traduit par un faible bruit, une plage dynamique élevée et une meilleure uniformité, autant d’aspects essentiels de la photographie spatiale.
Imagerie dans le proche infrarouge
Les CCD sont utilisés dans diverses applications industrielles d’imagerie, dont l’imagerie dans le proche infrarouge. Un capteur doit avoir une absorption de photons très efficace pour faire de l’imagerie dans le proche infrarouge, car les photons infrarouges sont moins visibles que les photons régulièrement visibles. Les CCD étant des capteurs très sensibles qui peuvent mieux capter les photons infrarouges, ils sont toujours utilisés dans ces applications.
Les CCD prospèrent dans le domaine de la photographie scientifique, industrielle et médicale principalement en raison de leur rendement quantique élevé, de leur faible niveau de bruit et de leur grande uniformité. Mais comment les capteurs CCD fournissent-ils de telles qualités ? Pour mieux comprendre, vous devez d’abord apprendre comment fonctionnent les capteurs CCD.
Comment fonctionne un système CCD ?
Le CCD n’est qu’un des différents types de capteurs de caméra. Et tout comme les autres capteurs d’appareil photo, les CCD capturent la lumière et la convertissent en signaux numériques, qui sont ensuite traités et affichés sous forme de pixels sur un écran électronique tel qu’un moniteur.
Bien que tous les capteurs d’images aient la même tâche de capturer l’analogique pour en faire des signaux numériques, le mode ou le processus qu’ils utilisent pour accomplir lesdites tâches serait différent des autres capteurs.
Pour qu’un capteur CCD capture des images, il passe par un processus en cinq étapes, commençant par la conversion de la lumière en charge, l’accumulation de la charge, le transfert de la charge, la conversion de la charge en tension, puis l’amplification du signal. Parcourons ce processus étape par étape :
Étape 1 : Conversion de la lumière en charge
Un capteur CCD capture la lumière en permettant aux photons (énergie de la lumière) de rebondir sur une fine tranche de silicium qui libère alors un électron. Un minuscule condensateur chargé positivement agit alors comme un seau qui recueille et stocke les électrons libérés. Une unité de cette fine tranche de silicium surmontant un minuscule condensateur est appelée photosite.
Étapes 2 et 3 : Accumulation et transfert de charges
Un capteur CCD continue à collecter et à stocker ces électrons jusqu’à ce que l’obturateur de l’appareil photo se ferme. Ce sont tous les électrons stockés par le condensateur qui constituent la charge.
Lorsque l’obturateur de l’appareil photo se ferme, toute la charge des photosites est transférée à un circuit de condensateurs de détection. Le transfert s’effectue en déplaçant les charges horizontalement vers le bord du capteur, puis verticalement jusqu’à ce que chaque charge soit envoyée vers le circuit du condensateur de détection.
Les capteurs CCD utilisent ce mécanisme de registre à décalage pour transférer les charges, tandis que les capteurs CMOS utilisent une conversion de tension locale et une amplification du signal. Bien que les CMOS soient les capteurs les plus rapides, leur sortie est assez bruyante car le nombre important d’amplificateurs locaux crée du bruit ou des artefacts dans une image. En revanche, un CCD n’utilise qu’un seul circuit amplificateur pour amplifier les signaux.
Un autre inconvénient de l’utilisation de l’amplification locale à des vitesses élevées est qu’elle provoque des irrégularités dans l’imagerie. Les capteurs CCD n’ont pas de tels problèmes en raison de leur processus linéaire lors du traitement des charges dans chaque photosite.
Etapes 4 et 5 : Conversion charge-tension et amplification du signal
Les charges analogiques envoyées au condensateur de détection sont automatiquement converties en tensions qui constituent les données numériques brutes utilisées pour réaliser les images. Après la conversion charge-tension, les signaux numériques sont encore trop faibles pour qu’un processeur puisse les utiliser.
Pour amplifier les signaux numériques, on utilise un amplificateur de signal. Ce signal amplifié est ensuite envoyé à un processeur d’image qui assemble ensuite l’image.
Les CCD sont là pour rester
Autrefois l’étalon-or des capteurs des appareils photo numériques, les CCD ne sont plus utilisés par le grand public. Mais grâce à leur efficacité quantique élevée, leur faible bruit d’imagerie, leur gamme dynamique supérieure et leur excellente uniformité, les CCD sont toujours utilisés dans de nombreuses applications scientifiques et industrielles.
Et bien qu’il soit peu probable que les fabricants fassent revenir les caméras CCD grand public dans un avenir proche, les CCD continueront d’être un élément essentiel de la recherche scientifique.
