laboratoire pierre aigrain
électronique et photonique quantiques
 
laboratoire pierre aigrain
 

Electronique

Fonctionnement des detecteurs CCD.

Présentation rapide du fonctionnement général d’un detecteur CCD


Aujourd’hui, parmi les meilleurs détecteurs de photons 2D, on trouve des dispositifs dits CCD (Charged Coupled Device). Une autre technologie, dite CMOS, a fait de gros progrès ces dernières années et tend à la détrôner.
Les CCD permettent la détection d’une grande fraction (en général >50%) de photons depuis les rayons X jusqu’au proche infrarouge. En comparaison, la plupart des appareils photographiques classiques (argentiques) arrivent seulement à détecter de l’ordre de 2 à 3 % de photons entrants en y ajoutant le fait qu’ils ont une plus petite gamme de longueurs d’onde.

La manière dont fonctionne un CCD est très simple dans son principe. Une très belle analogie est souvent utilisée (voir la figure ci-dessous) : On peut imaginer un réseau de seaux distribués régulièrement sur une grande surface. Après une forte averse, les seaux remplis d’eau sont transportés sur des tapis roulants jusqu’à une station où la quantité d’eau qui est tombée dans un seau (et donc sur le terrain correspondant) sera mesurée avec une grande précision. Par conséquent, il devient possible de déterminer la quantité totale de pluie qui est tombée sur le terrain ainsi que sa distribution spatiale.
Un détecteur CCD travaille avec les mêmes principes : les gouttes de pluie sont remplacées par les photons, les seaux par les pixels.

Pour produire une image on doit donc :

  1. generer des photoelectrons
  2. collecter les electrons
  3. transferer les electrons
  4. lire les charges

La première étape est basée sur l’effet photoélectrique. L’absorption de la lumière dans le réseau silicium de la CCD génère des "photoelectrons" en proportion du nombre de photons incidents. Ces derniers sont immédiatement recueillis dans les pixels (i.e les seaux), où les photons sont tombés sur la puce. Ces pixels sont définis par le biais d’un réseau d’électrodes qui couvre la surface du capteur CCD. Les électrodes forment des puits potentiels pour empêcher les photoélectrons collectés de s’échapper. Ensuite de proche en proche les électrodes changent de potentiel afin de décaler les puits et donc les "photoelectrons" (c’est le principe du tapis roulant voir l’animation ci dessous).