Les capteurs TC 255P et TC237

 

 

Texas produit deux capteurs CCD particulièrement attractifs par leur prix et leur caractéristiques (figure 1: capteur TC237). Ce sont tous deux des capteurs à transfert de Trame, c'est à dire dotés d'un obturateur électronique sur la puce. Par rapport à leurs concurrents, ils sont imbattables sur deux points: le prix de vente et la simplicité du pilotage. Ces capteurs ont en commun les caractéristiques suivantes:

  • capacité de transfert d'image à vitesse élevée (obturation électronique rapide)
  • technologie à phases virtuelles, permettant la réduction du nombre de broches de contrôle sur le chip (ils se contentent de boîtiers DIL à 8 et 12 broches !).
  • antiblooming intégré (mais débrayable).
  • dynamique >66db (...et jusqu'à 70db pour le TC 237) à 25°C.
  • pixels carrés (l'image est affichée sur un moniteur VGA sans déformations géométriques, ce qui évite d'utiliser une fonction logicielle de correction ratiométrique).
  • tensions de polarisation et de contrôle facilement réalisables en positif:
    polarisation du substrat: +10V

    polarisation de l'étage de sortie: +22V

    horloges de contrôle: 0V à +12V

 

Figure 1: CAPTEUR MATRICIEL TC237

(Zone utile de 650 x 490 pixels)

 

Obturation électronique sur un CCD

 Dans une matrice CCD, les pixels sont organisés en lignes et colonnes de plusieurs centaines d'éléments. Différentes techniques sont utilisées pour effectuer la lecture de ces matrices, dont certaines sont dotées d'un "obturateur électronique" situé directement sur le CCD.

 

 Capteur à transfert INTERLIGNE:

 

Chaque colonne photosensible est associée à un registre à décalage (de même nature, mais dont la surface est optiquement protégée par un masque en aluminium, comme indiqué en figure 2a). Quand les charges se sont accumulées dans la zone photosensible, il suffit d'une impulsion d'horloge pour obtenir le transfert de tous les pixels dans la zone protégée, en quelques microsecondes seulement. Chaque ligne est ensuite transférée dans le registre horizontal, qui assure la sortie des pixels séquentiellement vers l'extérieur du composant.

L'obturation quasi-instantannée est le principal avantage de cette technique, mise en oeuvre dans la plupart des caméras ou camescopes grand-public. Par contre, la sensibilité du capteur est réduite par l'imbrication d'une zone de stockage dans la zone photosensible (moins de 50% par optimisation du masque). Certaines informations ponctuelles dans l'image pourraient tomber sur la zone protégée, et passer inaperçu.

 

Capteur à transfert de TRAME

 

Sur cette matrice, la zone image bénéficie d'une surface photosensible à 100%, car la zone protégée est déportée (on notera la présence d'une zone mémoire supplémentaire, conformément à la figure 2b).

Pour assurer le transfert entre les deux zones, les photosites sont organisés en registres verticaux. Le transfert est obtenu après l'application sur les deux zones d'une série d'impulsions d'horloge (autant que de lignes à transférer). Ensuite, les transferts de la zone mémoire vers le registre horizontal et du registre vers la sortie s'effectuent comme précédemment.

Ce capteur assure une excellente sensibilité à la lumière (100% de la surface d'acquisition). Cependant, le temps de pose doit être très supérieur au temps de transfert dans la zone mémoire pour éviter un effet de flou dans le sens vertical. Ce phénomène est perceptible lors de la présence de sources lumineuses puissantes qui impriment la surface sensible pendant le transfert ("smearing" en anglais).

A titre d'exemple, une phase de transfert sur le capteur TH7863 de Thomson dure au minimum 300µs environ, contre 30µs pour le TC255P de Texas-Instruments (valeurs typiques). En ce qui concerne le smearing, le capteur de Texas donnera une image dotée d'un meilleur contraste.

 

 

Capteur pleine TRAME

 

C'est le cas notamment du capteur KAF-0400 de Kodak. Comme on peut le constater sur la figure 2c, la pastille de silicium ne contient qu'une zone photosensible associée à un registre horizontal de sortie: il est donc nécessaire de recourir à un obturateur électromécanique pour exploiter correctement le capteur (comme pour une pellicule 24x36 sur un appareil photographique). Après une période d'exposition (ouverture de l'obturateur, pose, puis fermeture), la zone photosensible est maintenue dans l'obscurité: les opérations de transfert peuvent se faire en toute sécurité, selon le même protocole que pour la zone mémoire d'un capteur à transfert de trame. A surface optique égale, un capteur pleine trame coûte deux fois moins cher en silicium qu'un capteur à transfert de trame.

 

 Inefficacité de transfert

Le transfert des charges ne s'opère pas sans quelques pertes, pour deux raisons principales:

- pendant la période d'intégration de la lumière, une fraction de la charge reste piègée dans l'interface isolant/semiconducteur de CCD, et ne peut plus se déplacer.

- Si la fréquence des horloges de transfert est trop élevé, ou si les horloges ne respectent pas rigoureusement les conditions de pilotage proposées par le constructeur, certaines charges resteront en retrait, et seront comptabilisées avec les charges des photosites adjacents.

On a donc introduit un paramètre caractérisant l'inefficacité de transfert, e. e représente le rapport entre les charges non transférées et la totalité des charges à transférer. Les constructeurs indiquent dans leurs documentations le paramètre complémentaire (1-e), représentant l'efficacité de transfert (Le constructeur indique une valeur typique de 0,9995 pour le TC255P et une valeur typique de 0,99995 pour le TC237).

 

Pour fixer les idées, analysons le cas du transfert de la charge la plus éloignée de la sortie vidéo:

Pour le TC255, qui contient au total 336x245 pixels, cette charge doit traverser:

toute la zone image (moins son propre emplacement d'origine), soit 244 photosites,

toute la zone mémoire, soit 245 éléments,

tout le registre de sortie, soit 336 pixels.

 

Ainsi, on arrive à un total de 825 transferts. Avec la valeur typique indiquée par le constructeur, le pourcentage de charge résiduel qui apparaît en sortie n'est plus que de 0,9995 élevé à la puissance 825, soit environ 66%. Le même calcul conduit à 88% pour le pixel le plus proche de la sortie.

Pour le TC237, qui contient au total 680x500 pixels, cette charge doit traverser:

toute la zone image (moins son propre emplacement d'origine), soit 499 photosites,

toute la zone mémoire, soit 500 éléments,

tout le registre de sortie, soit 680 pixels.

 

Ainsi, on arrive à un total de 1679 transferts. Avec la valeur typique indiquée par le constructeur, le pourcentage de charge résiduel qui apparaît en sortie n'est plus que de 0,99995 élevé à la puissance 1679, soit environ 92%. Le même calcul conduit à 97% pour le pixel le plus proche de la sortie.

Les performances du TC237 sont donc nettement supérieures au TC255 sur ce point. Evidemment, ces calculs sont purement théoriques, et il est probable que l'inefficacité de transfert ne s'applique qu'à la zone photosensible du CCD!.

  

Problèmes liés à l'agitation thermique dans le silicium:

Un autre défaut est lié à la température: l'apparition de courants dûs à l'agitation thermique dans le silicium impose une limitation de la durée des temps de pose. En effet, ces électrons mobiles vont être rapidement piégés par les photosites et les rendre inutilisables (à température ambiante, soit 25°C environ, un capteur standard est saturé en moins de 10 secondes dans l'obscurité!). On parle également de "courant d'obscurité" pour qualifier ce phénomène. Une technologie récente (utilisant le mode MPP pour Multi-Pinned Phase) permet de diviser le courant d'obscurité d'un facteur 50 à température ambiante!.

Cependant, si on s'intéresse à l'acquisition d'objets de faible luminosité (comme le ciel profond en imagerie astronomique), il faudra envisager de refroidir le capteur CCD pour bénéficier de longues périodes d'exposition. Globalement, le bruit est divisé par deux à chaque baisse de température de 6°C environ (cette valeur varie sensiblement en fonction du fabriquant). Différentes techniques ont été mises en oeuvre avec succès, de la circulation d'azote liquide aux modules à effets Peltier.

 

Organisation géométrique du capteur TC255P

L'illustration de la figure 3 (ci-dessous) met en évidence les fonctionnalités du capteur. TC255P.

 

La zone image est pilotée par deux horloges IAG1 et IAG2 (Image Area Gate). IAG1 assure la commande des lignes impaires de cette zone, tandis que IAG2 est affecté aux lignes paires. Cette particularité permet de réaliser un binning vertical, c'est à dire d'additionner deux lignes adjacentes avant leur transfert vers la sortie. En jouant sur les signaux de commande de la zone image, il est possible de créer un signal vidéo à trames entrelacées, destiné à l'affichage des images sur un moniteur au standard TV (PAL, Sécam ou NTSC).

La commande d'antiblooming ABG permet, si elle est utilisée, d'éliminer les charges excédentaires produites lors d'un fort éclairement local. En l'absence de cette fonction, la saturation d'un photosite entraine rapidement son débordement vers les photosites adjacents. Un tel phénomène se traduit par des trainées blanches sur l'image finale (blooming = éblouissement).

 

En raison de la géométrie des électrodes implantées dans la zone photosensible, l'éblouissement a lieu préférentiellement dans le sens vertical. Cependant, le dispositif d'antiblooming ne représente pas une solution miracle, comme on pourra le constater sur la figure 4:

 

La caractéristique de transfert n'est plus linéaire au delà de 50% de la capacité des photosites, et l'action de l'antiblooming se limite en fait à reculer le seuil de la saturation.

La zone mémoire du CCD est pilotée par la broche de contrôle SAG (Storage Area Gate) qui fonctionne comme les lignes IAG1 et IAG2. Une ligne d'effacement a été implantée entre les deux matrices, afin de vider rapidement le contenu de la zone image avant une pose sans polluer la zone de stockage.

Enfin, le registre horizontal de sortie est piloté par SRG (Serial Register Gate), et la polarisation de l'amplificateur de sortie est assurée par les broches d'alimentation ADB et SUB. L'amplitude maximale du signal vidéo est de l'ordre de 600mV.

 Les cellules photosensibles de TEXAS

  Rappelons qu'un photosite est une capacité MOS sensible à la lumière, constituée par un substrat semi-conducteur dopé P, associé à une couche d'oxyde de silicium (SIO2) sur laquelle est déposée une électrode métallique (la grille, polarisée positivement). L'énergie d'un groupe de photons qui pénètrent dans le silicium libère une quantité proportionnelle d'électrons, qui restent piégés au voisinage de l'électrode la plus proche. Lorsque la phase d'intégration de la lumière est terminée, on procède au transfert des paquets de charges vers la sortie.

  L'illustration de la figure 5 (ci-contre) présente les deux types de cellules rencontrées sur les capteurs CCD de Texas-Instruments. Texas utilise une technologie qu'il a nommé "à phase virtuelle".

Cette technologie consiste à intercaler, entre les électrodes actives, des électrodes non pilotées maintenues à un potentiel intermédiaire. Ces dernières délimitent ainsi une cellule dite "virtuelle". Il suffit alors aux électrodes actives d'évoluer de part et d'autre du potentiel de ce photosite virtuel, pour permettre aux charges photoniques de se déplacer d'une cellule à l'autre vers la sortie. La zone image fait appel à des cellules dotées d'une électrode d'antiblooming, placée sur l'électrode virtuelle. L'antiblooming, dont le fonctionnement est assez déroutant, est activé par l'application d'un signal rectangulaire de fréquence élevée. Les cellules de la zone de stockage, protégées de la lumière, sont évidemment dépourvues de l'électrode d'antiblooming.

 

Pixels actifs et pixels de référence

En vidéo classique, le repérage du niveau du noir optique est indispensable pour recaler le signal vidéo sur le niveau de noir électrique, avant de l'envoyer sur le tube cathodique. Cette opération est toujours effectuée au début de chaque ligne, d'après le niveau moyen des pixels situés après l'impulsion de synchronisation ligne.

Ceci explique la présence, sur le TC255P, de 12 pixels masqués au début de chaque ligne, comme on peut le constater sur la figure 6. Il reste donc 324 pixels photosensibles sur chaque ligne de la zone image, suivis d'un pixel inactif utilisé en barrière de potentiel.

La dernière ligne active de la matrice est suivie d'une ligne masquée, prévue essentiellement pour tenir compte de la tolérance de placement du masque d'occultation sur la zone mémoire.

En fin de compte, la zone photosensible est limitée à 324 x 243 pixels sur le capteur CCD.

Le registre horizontal de sortie possède donc au minimum une capacité de [12+324 +1] pixels.

On remarquera la présence de deux cellules supplémentaires, inactives, qui ont un rôle d'isolation entre la zone de stockage et l'amplificateur de sortie. Par ce moyen, le constructeur a limité le risque de transfert de bruit vers les cellules les plus proches de la matrice.

La capacité totale du registre horizontal passe alors à 339 pixels.

 

L'électronique de sortie d'un capteur CCD de chez Texas (cas du TC255P)

 

 

L'étage de sortie, dont le schéma est indiqué en figure 7, assure la conversion des charges en signal vidéo.

Avant chaque transfert de charge, l'entrée en conduction de TR (transistor de Reset) assure la précharge de la diode à partir du générateur de référence réalisé autour de T0 et T1. Cette phase donne naissance à un potentiel positif proche de la tension ADB sur la grille de T3.

Lorsqu'une charge issue d'un photosite est transférée dans la diode, le potentiel à ses bornes va diminuer proportionnellement à la quantité de charges transférées (rappelons que les électrons sont des charges négatives).

  

Le contrôle du transfert de charges est assuré par SRG, conformément aux chronogrammes indiqués en figure 8. Si on se contente d'utiliser un signal à deux niveaux pour SRG (comme indiqué sur la figure 8a), le signal vidéo récupéré sur la sortie sera uniquement référencé par rapport au palier positif généré pendant la phase de Reset. Cette technique de commande, simple à réaliser, présente toutefois un inconvénient: le transistor de reset génère un bruit de commutation (ou bruit de reset), qui se traduit par un apport de charges alléatoires au niveau de la diode de détection. Pour contourner ce désagrément, le constructeur préconise d'utiliser un signal de commande SRG à trois niveaux, comme indiqué sur le chronogramme de la figure 8b. Le niveau intermédiaire de SRG ainsi créé est suffisamment faible pour inhiber la fonction de reset, mais encore trop élevé pour autoriser le transfert des charges photoniques dans la diode de détection. La sortie vidéo externe fournit alors un palier supplémentaire (qui est proportionnel au bruit de reset), utilisable comme référence précise du noir optique.

Le facteur de conversion de l'étage de sortie est de 12µV/électron environ pour le TC255. La capacité des photosites étant en moyenne de 50000 électrons, l'amplitude crête à crête du signal vidéo utile sera limitée autour de 600mV.

   

Extraction de l'information photonique en sortie du CCD

 En raison du principe de fonctionnement évoqué précédemment, le signal obtenu en sortie du capteur est en vidéo inverse et doté d'une composante continue non négligeable. Dans le cas du pilotage de SRG avec une horloge à deux niveaux, un simple montage inverseur à AOP permet de rétablir la polarité du signal. Ensuite, il suffit d'ajuster sa composante continue de façon à faire correspondre le niveau du noir avec la masse. Cette procédure est cependant à réserver à une numérisation à faible résolution (8 bits au maximum). En effet, le niveau du noir varie pour chaque pixel en fonction du bruit de reset et de la température du CCD. D'autres techniques sont alors requises pour récupérer l'information photonique avec le maximum de fidélité: le clampage (ou "clamping"), le double échantillonnage analogique (A.CDS) ou le double échantillonnage numérique (D.CDS).

 

Le schéma de la figure 9a illustre la technique du clampage, très courante en vidéo. Après inversion du signal vidéo avec un inverseur, un interrupteur force la sortie à la masse pendant la phase de transfert du niveau du noir. Le condensateur se charge alors avec la tension différentielle [Vnm]. Lors de l'apparition du signal utile, l'écart entre le niveau de sortie et la masse correspond exactement à l'information photonique, ou presque: La commutation de l'interrupteur génère également du bruit, dont l"effet doit être atténué par l'amplification préalable du signal avec IC1 (R2 > R1).

La conversion analogique/numérique doit être assez rapide pour éviter au condensateur de modifier sa charge de plus de 0,5 LSB pendant la durée de conversion (1 LSB = pas minimal de quantification du convertisseur). L'impédance d'entrée de IC2 doit être suffisamment élevée pour les mêmes raisons.

 

Le schéma de la figure 9b illustre la technique couramment utilisée sur la plupart des capteurs CCD: le double échantillonnage analogique. Une impulsion d'horloge H1 provoque la mémorisation temporaire du niveau du noir lors de son apparition. Pendant la phase suivante, l'étage soustracteur reçoit sur son entrée positive le niveau du noir et sur son entrée négative le signal CCD (qui représente la somme du niveau du noir et de l'information photonique). Le convertisseur ne reçoit donc que l'information photonique par rapport la masse.

Cependant la commande de l'échantillonneur-bloqueur génère du bruit, et ce composant doit être choisi en fonction de la résolution du convertisseur (la dépense étant proportionnelle à la résolution souhaitée. La vitesse de l'échantillonneur-bloqueur doit être suffisante pour que le temps d'acquisition soit inférieur à H1, à moins de maintenir assez longtemps le palier du noir pendant la durée d'acquisition.

 

La technique du double échantillonnage numérique est la plus simple à mettre en oeuvre, comme l'indique le schéma de la figure 9c, mais c'est aussi la plus lente. La seule précaution consiste à maintenir l'écart maximal entre le palier du noir et la vidéo dans la plage de fonctionnement du CAN. L'extraction de l'information photonique s'effectue en trois temps:

1. conversion et stockage du niveau du noir;

2. conversion et stockage du niveau de la vidéo;

3. soustraction logicielle de [ N - V }.

 

C'est une technique à réserver à des résolutions de conversion élevées (12 à 16 bits).

 

Pilotage du capteur CCD

 Il est temps de rentrer dans le vif du sujet. Les chronogrammes de pilotage du capteur proposés par le constructeur sont indiqués ci-dessous. S'il est utilisé, l'antiblooming doit être désactivé pendant les phases de transfert verticales et horizontales. Ceci afin d'éviter d'injecter du bruit supplémentaire dans nos précieuses charges photoniques dirigées vers la sortie. Une phase de transfert verticale (ou parallèle), présentée à droite du chronogramme, utilise exactement 244 périodes d'horloges pour le TC255P (500 pour le TC237). Le détail de cette phase de transfert nous indique que les horloges IAG et SAG doivent être en opposition de phase, et d'une durée de cycle minimale de 80ns (ce qui correspond à une fréquence de transfert maximale de 12,5MHz). Dans ces conditions, une séquence d'obturation électronique pourrait être envisagée en moins de 20ms. En ce qui concerne le transfert d'une ligne vers le registre horizontal, un détail des chronogrammes nous indique qu'il suffit simplement de fournir une période de SAG en quadrature avec SRG. Le vidage complet de la zone de stockage sera obtenu après 244 procédures identiques. chacun de ces transferts doit être suivi de 339 cycles de SRG pour évacuer une ligne complète du registre horizontal (TC255P).

 

 

 

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