Capteurs CCD des scanneurs et appareils photos numériques

Dans presque tous les scanneurs á lit plat, scanneurs films et appareils photos numériques interviennent les capteurs CCD soit en forme de lignes CCD ou bien de puces CCD. On comprend meilleurement son scanneur ou son appareil photo numérique, si on se confronte avec leurs parties essentielles. Le chapitre suivant vous donne un aperçu détaillé sur la construction et le mode de fonctionnement essentiel des éléments CCD.

Les trois premiers sous-chapitres sur les semi-conducteurs et l'effet photoélectrique sont trés théoriques et seulement d'importance pour celui, qui veut observer profondement dans l'intérieur d'un élément CCD. Le chapitre sur le transformateur A/D m'est trés important, car il éclairsit la liaison essentielle entre la transformation A/D et la profondeur correspondante de couleur. Le chapitre suivant montre á la fin en détail, comment est construite une ligne CCD dans un scanneur ou une puce CCD dans une appareil photo numérique.

Semi-conducteur - fondement et dotation

Semi-conducteur sont des matériaux, oú leur conductivité se trouve entre le métalles conductibles et les isolateurs. Pour influencer ou contrôler les conductivités des semi-conducteurs ils seront contaminés; dans le langage technique on parle de dotation. Lors de la dotation, les atomes étrangers de différentes valeurs seront transformés en une structure solide de cristal.

Un atome comporte un centre atomique solide, dans lequel se trouve un certain nombre de protons chargés positivement et des neutrons neutrals, et une enveloppe atomique, dans laquelle se trouve des électrons chargés négativement ainsi que les protons centrals. A partir de cela sera un atom toujours neutral. Quand je parlerai suivamment des éléments de silicium (Si), Phosphore (P) et Bore (B) il s'agira des atomes chargés neutralement, c'est á dire pas des ions positifs ou négatifs. Dans le systéme périodique des éléments se trouve silicium dans le quatriéme groupe, c.á.d. silicium posséde 4 éléctrons dans son enveloppe électronique extérieure. Phosphore se situe dans le cinquiéme groupe, posséde ainsi 5 électrons dans l'enveloppe extérieure; und Bore se situe dans le troisiéme groupe, alors un élément avec 3 électrons dans l'enveloppe extérieure.

Le fondement de beaucoup de semi-conducteur repose sur silicium. Dans un silicium cristal régne une structure solide des différents silicium atomes. Chaque atome posséde 4 électrons dans son enveloppe extérieure électronique, qu'on définie comme électrons de valence. Sur chaque côté de l'atome (clairement dit) se relie l'électron de valence avec l'électron correspondant de l'élément voisin et forme avec celui-ci une liaison électronique fixe. Sur cette maniére forme chaque atome quatre liaisons électroniques fixes avec son atome voisin.

n-dotation

Si on contamine un cristalle de silicium avec élément de cinquiéme valeur comme Phosphore, ainsi pourra l'atome de phosphore s'arranger sans probléme dans la structure de cristalle du silicium. Cependant posséde un atome de phosphore 5 électrons de valence, desquels forment seulement 4 une liaison électronique fixe de couple avec les atomes de silicium avoisinants. Il reste ainsi un électron, qui bourdonne librement de façon perplexe, car il ne trouve aucun partenaire.

L'atome de phophore, qui a été pressé dans le cristalle de silicium, forme ainsi une sorte de perturbation avec son électron excédentaire. La position de dérrangement sera définie comme donatrice, elle donne volontier un électron. Le semi-conducteur doté négativement s'appelle un n-semi-conducteur. Dans la pratique apparaît par exemple cette structure, comme si un atome de phosphore vient sur un million d'atomes de silicium. La contamination du silicium á partir du phosphore est ainsi trés faible.

p-dotation

Lors de la p-dotation sera un cristalle de silicium contaminé á partir d'un élement trivalent comme bore. Un atome de bore posséde trois électrons dans son couloir extérieur d'électron, nécessite toutefois quatre électron pour former avec ses quatres élements voisins une liaison électronique fixe. Dit en revanche facilement que trois électrons de l'élement bore se disputent en faveur des quatres électrons partenairs de l'atome de silicium. Dans un côté reste un trou, oú il manque un électron.

A cause de ce trou électronique sera ce cristal contaminé définit comme un p-semi-conducteur. Ces trous électroniques peuvent attirer volontiérement un électron, pour se neutraliser. C'est pourquoi on définit les côtés de dérrangement de bore comme accepteurs.

Semi-conducteur - p/n-passage et redresseur

Qu'est ce qui se passera, quand on relie un semi-conducteur doté-p avec un semi-conducteur doté-n ou bien une partie du cristal du silicium dotée avec phosphore et une autre avec bore, pour avoir une transition p/n? Dans les semi-conducteurs dotés-n sont á disposition des électrons excédentaires; Dans le semi-conducteur doté-p sont á disposition des trous électroniques (positivement chargés). Car les atomes séparés ont la tendance, de remplir leurs nuages électroniques avec 4 électrons, se transportent les électrons excédentaires de la couche n vers les trous électroniques de la couche p. On parle ainsi d'une migration électronique, il se coule en un peu de temps un courant court.

Quand maintenant le semi-conducteur n donne des électrons au semi-conducteur p, sera le bilan électronique des liaisons atomiques certes correct sur les deux côtés, mais il manquera en totalité au cristalle n des électrons et celui qui est doté p possédera plusieurs dans son bilan total. Ainsi se chargera le semi-conducteur n positivement tandis que le semi-conducteur p négativement.

Qu'est ce qui se passe? D'une partie seront les électrons exédentaires du semi-conducteur n attirés de la part des parties de dérrangement positivement chargées du semi-conducteur p. D'une autre partie repousse le semi-conducteur chargé négativement les électrons, car le négatif ne supporte pas le négatif. Ainsi se paralysera la transition des électrons. Sur le côté de contact des couches p et n se forme une couche limite, et l'équilibre sera atteint.

L'image illustre la formation de la couche limite. L'un des électrons exédentaires sera transporté de la couche dotée n (á gauche) vers les trous électronique de la couche dotée p (á droite rechts) (les électrons bleus du phosphore vers ceux du bore rouges). Dans la couche limite se forme une structure atomique nette, de maniére que chaque électron crée quatres liaisons électroniques couplées avec son atome voisin. Sur la gauche de la couche limite on voit l'atome de dérrangement du phosphore avec des électrons exédentaires et sur la droite de cette couche limite on trouve d'autres atomes bore avec des trous électroniques libres. Car la couche gauchére se chargera positivement á cause des électrons donnés á la couche limite et la couche droitiére se chargera négativement á cause des trous d'électrons donnés vers la couche limite, les électrons libres sur la couche gauchére ne réussissent pas le saut vers la couche limite. Celui-lá représente l'état d'équilibre, de sorte que la transition électronique s'arrête.

Aménagement d'une tension

Qu'est ce qui se passe, quand on aménage une tension dans une transition p-n, dans laquelle s'est déjá ajustée une couche limite? Si on relie le pôle positif á un semi-conducteur n chargé positivement et le pôle négatif á un semi-conducteur p chargé négativement á une source du courant, ainsi se déplacent les électrons exédentaires du semi-conducteur doté n dans les trous électroniques du doté p á travers la source du courant. A cause de cela s'intensifie la couche limite et il ne se coule aucun courant á travers le cristalle du silicium.

Si au contraire on met la source du courant á gauche du pôle négatif et á droite du pôle positif, ainsi obtient la couche doté n plusiuers électrons de la source du courant et des électrons seront retirés de la couche dotée p, de sorte qu'il se trouve plus d'électrons á gauche et á droite plus de trous électroniques. A partir de cela disparait complétement la couche de dérrangement et coulera un courant. La transition p/n fonctionne ainsi comme redresseur (Diode), qui ne laisse couler le courant que dans une direction et bloque le coulement du courant dans l'autre direction.

Une autre indication: La dotation du cristalle du silicium avec des atomes de phosphore ou bore n'est représentée que schématiquement dans l'image ci-dessus. Pour être équitable á la pratique, je devrais dessiner de millions d'atomes de silicium, qui seront contaminés d'un unique atome de phosphore ou bore.

L'effet photoélectrique

Dans une photodiode sera utilisée une couche diélectrique-effet photo, pour transformer la lumiére en énergie électrique. La lumiére des côtés se trouve dans une couche trés fine dotée n, notamment une couche p extrénement grasse. Entre ses deux couches se forme comme il est déjá évoqué une couche limite. La couche n du semi-conducteur est mesurée trés finement, de sorte que la lumiére incidente rencontre exactement la couche limite.

Le rayon lumineux tend avec son énergie á tirer un électron de la couche limite. Car il a chargé négativement la couche dotée n lors de la formation de la couche limite (voir au dessus), il repousse l'électron, et celui-ci se rétrograde volontiérement dans la couche n chargée positivement. Plus la lumiére rencontre la couche limite plus les électrons seront centrifugés et rassemblés dans la couche dotée n. De cette maniére on relie la couche n avec la couche p, il se coulerait un courant, c.á.d que les électrons se déplacent á l'aide d'un circuit électrique de la couche n vers la couche p. De la lumiére sera ainsi un courant électrique.

Comment réussit un rayon lumineux, á attirer des électrons d´une enveloppe électronique stabile? Sera la lumiére selon Max Planck interprétée comme un faisceau de Photons isolés, ainsi posséde un photon une énergie de E = h • f, oú h représente la quantité d'impact de planck. Cette énergie doit selon la phrase de conservation d'énergie suffir, pour effectuer le travail necéssaire de retrait en distribuant une certaine énergie nécessaire cinétique pour l'atome.

L'équation ci-dessus démontre, que l'énergie d'un photon ne dépend que de la fréquence, alors la couleur de la lumiére. Le nombre des électrons attirés dépend de l'intensité de la lumiére.

Redresseur A/D: De la lumiére á travers le courant vers le pixel numérique

Dans le chapitre antécédent on a appris, qu'une cellule photoélectrique transforme la lumiére en énergie électrique. Exprimer tout simplement on peut dire, que le courant ne circule pas dans l'obscurité mais pendant la clarté un courant trés élevé. Entre cela il y a plusieurs gradations. Dans les images suivantes sera enregistrée la tension du courant á partir de la clarté de la lumiére, pour une compréhension simple j'ai utilisé une échelle de niveaux grises á travers les différents tonalités grises du noir jusqu'au blanc. La couleur vient seulement dans le chapitre suivant.

Grâce á mes enregistrements j'ai supposé, que l'intensité du courant s'éléve linéarement en fonction de la clarté. Il ne doit pas être comme ceci, car la ligne droite peut être en vérité une courbe complexe déformée, elle joue toutefois dans l'explication suivante aucun rôle.

Aprés que la lumiére a été transformée en un courant électrique, comment on obtiendra une information d'image numérique? Maintenant vient un redresseur A/D (redresseur analogique/numérique), qui transforme le courant analogique en un signal numérique. A présent il est le moment, d'insérer la notion plusieurement utilisée dans le secteur d'Imaging numérique profondeur de couleurs. Un redresseur A/D travaille avec une cetraine largeur de bit, c.á.d. un nombre de bits, qui donne le nombre des différentes mesures.

A partir d'un 3-Bit redresseur A/D peuvent être gagné 2³=8 gradations á partir du signal de courant analogique, chez un 4-Bit redresseur de façon analogue 2⁴=16. Ces deux cas sont représentés dans les dessins de dessus. Pendant qu'un rayon lumineux et également un signal de courant analogique possédent des infinités de gradations de la valeur tonale, restent seulement aprés la transformation A/D un nombre final de gradations, qui se laissent calculer á partir de la largeur bit du redresseur AD.

Ainsi il est clair, qu'on obtient plus de gradations de couleurs, plus on posséde de plusieurs bits du redresseur A/D. Un scanneur film avec un redresseur A/D de 36 Bit (12 Bit par canal de couleur) peut ainsi différencier théoriquement 4096 de valeur tonale par canal de couleur; chez un redresseur A/D de 48 Bit (16 Bit par canal) s'éléve ce nombre á 65.536. La largeur bit du redresseur A/D sera donnée dans les scanneurs films comme profondeur de couleur. Elle donne ainsi le nombre maximal théorique de tons de couleurs, qui sont á concevoir avec un redresseur A/D incorporé. Avec les couleurs effectives posséde ce nombre aucune dépendance. Ce point m'est important, que je veux l'évoquer supplémentairement:

Les données de la profondeur de couleur chez les scanneurs films se référe la plupart du temps sur la largeur bit du redresseur A/D incorporé. Elle ne donne pas le nombre réel des couleurs crées mais seulement une valeur théorique, qui se calcule á partir de la largeur bit du redresseur A/D.

Ainsi il sera également clair, qu'un redresseur A/D ou bien l'électronique compléte jouent un rôle important dans une appareil de photo numérique ou un scanneur film. Le redresseur A/D ne doit pas seulement exploré le signal analogique finement mais aussi précisément. Le traitement du signal a une influence importante sur la qualité d'image.

Systémes de filtration d'image

Maintenant on apporte la couleur dans le jeu. Dans le chapitre précédent on a appris, comment un redresseur A/D crée des valeurs numériques dans le secteur noir/blanc á partir de la lumiére ou bien signal de courant. Une cellule photoélectrique ne reconnaît naturellement pas de couleurs, elle est presque daltonienne. Comment on réussit maintenant,á fractionner la lumiére incidente selon un modéle de couleur additif dans trois couleurs basiques comportant du rouge, vert et bleu?

La solution est trés simple: On met en marche le filtre de couleur devant la cellule photoélectrique, respectivement un pour le rouge, vert et bleu. Lors de la réalisation technique peut être seulement installé un seul filtre devant l'élément photo.

Chez les scanneurs Three-Pass sera la partie fonctionnelle trois fois explorée; En dépit de cela, un autre élément de filtre sera lors de chaque passage inséré avant les éléments CCD (voir le graphique dans le dessin). Cette méthode est certes réalisable à un prix avantageux, mais elle est trés lente et munie des erreurs, car le moteur de développement d'un scanneur ne peut pas régler successivement á 100% les trois passages; C'est pourquoi il se forme des décalages de couleurs laids.

Chez les scanneurs Single-Pass seront utilisés au même temps pour chaque pixel trois éléments CCD (voir le graphique droitier dans le dessin ci-dessus). Chaque élément CCD posséde des filtres de couleur fixes et pas mobiles (rouge, vert ou bleu). Naturellement un capteur est coûteux dans la fabriquation, le seul avantage se trouve toutefois dans la vitesse de scannage.

Lignes CCD chez les scanneurs

Dans le chapitre précédent a été déjá évoquée la différence entre les scanneurs Three-Pass et ceux de Single-Pass. Les scanneurs Three-Pass appartiennent en faite au passé. Les moderns scanneurs et scanneurs films travaillent seulement selon la méthode de Single-Pass.

La ligne CCD-Zeile d'un scanneur comporte en effet trois lignes avec de différents filtres de couleurs (rouge, vert et bleu). Pour chaque point d'image il y a en conséquence trois éléments CCD, devant lesquels se trouvent respectivement les filtres de couleurs rouges, verts et bleus. Le nombre des éléments CCD mis de front dans la ligne du capteur définie en définitive la résolution optique du scanneur. Toutefois joue la largeur de la partie fonctionnelle un rôle important.

On suppose, qu'il y a dans notre ligne CCD 4000 cellules mises côte á côte, alors le scanneur pourra édifier 4000 pixels pour chaque ligne. Dans un scanneur film de 35mm suffit une largeur de ligne de 2,5 cm, ce qui correspond presque á une largeur d'une petite image. Car 2,5 cm correspondent á un pouce produit cette ligne CCD un scan d'environ 4000 dpi. Cela correspond á la résolution optique d'un scanneur.

La résolution dans la direction longitudinale se résulte de l'incrément du moteur de transport, qui déplace la ligne du capteur aprés chaque scannage de ligne vers l'avant. Chez les scanneurs á lit plat sera la résolution mentionnée avec des valeurs comme 3000 x 6000 dpi. Ici signifie le premier nombre la résolution optique pendant que le deuxiéme l'incrément du moteur. Déterminant est seulement le premier nombre, car il doit être déjá interpolé chez un scanne de 6000 dpi.

La résolution optique d'un scanneur se résulte du nombre des éléments sur la ligne CCD et de la largeur de la partie fonctionnelle.

La ligne CCD ne doit pas être exactement large comme la partie fonctionnelle. La ligne CCD décrite ci-dessus avec les 4000 éléments peut être également installée avec son format compacte de (2,5 cm) dans un scanneur á lit plat, qui scanne des présentations jusqu'á 20 cm de largeur. Un systéme de lentilles optique projéte alors les présentations de 20 cm de largeur sur un capteur de 2,5 cm. La résolution se diminue d'un facteur 8 vers 500 dpi.

Au contraire peut être naturellement inséré un capteur CCD de 20 cm de largeur dans un scanneur á lit plat, qui scanne des présentations de 20 cm de largeur (environ DIN A4) avec 600 dpi, en liaison avec un dispositif de transparance également les films de 35mm, quand la largeur d'une petite image de 2,5 cm sera projectée sur une largeur d'une ligne CCD de 20cm. La résolution croît pour cela vers 4800 dpi. Il est clair que la qualité souffrera lors de ces projections semblables.

Puces CCD dans les appareils de photos numériques

Oú se situe la différence importante entre un scanneur film et une appareil photo numérique? Le fait que, chez un scanneur film l'image existe ne fait aucune importante différence dans l'optique vis á vis du motif d'image libre dans la nature. La différence principale entre les deux systémes consiste, dans le fait qu'un scanneur film explore l'image dans toute tranquilité ligne par ligne, pendant que chez les appareils photos numériques sont prioritaires d'une courte durée d'exposition et un courte détection instantanée de l'image compléte.

Pour numériser une image de 35mm d'une grandeur de 24 x 36 mm il suffit un scanneur film comme il est déjá décrit dans le chapitre précédent avec un capteur delargeur de ligne de 2,5 cm avec 4000 éléments et un moteur exacte de pas á pas. Ainsi il résulte environ d'une présentation de 35mm 4000 x 6000 pixels, alors plus que 20 mégapixels. La procédure du scannage de ligne par ligne dure selon le scanneur entre une demi-heure et plusieurs minutes.

Pour édifier une image compléte avec une appareil photo numérique dans un temps d'exposition de 1/60 s ne peut pas être accomplit d'une ligne CCD avec un moteur de pas á pas mais seulement avec une puce CCD, sur laquelle sont disponibles les propres éléments de capteur pour de telles pixels d'images. Une puce CCD se compose d'une matrix d'éléments de capteur, en relation de laquelle on obtient la résolution de l'appareil photo numérique. Certain pouvait se souvenir exactement de l'image d'une puce CCD, de sorte qu'il copie succéssivement les lignes CCD affichées dans le chapitre précédent. Mais quelque chose manque encore, car maintenant viennent les singularités de l'appareil photo numérique.

Sur une puce CCD d'une appareil photo numérique ne se trouve pas des éléments CCD de couleur rouge, vert et bleu pour chaque tiers ligne par ligne. Beaucoup plus sont les éléments de filtre ordonnés en carreau, de sorte que le nombre des éléments verts s'éléve á 50%, pendant que ceux des éléments rouges et bleus ne représentent que 25%. La raison pour cette répartition inégale se trouve dans la perception de couleur de l'oeil humain. Maintenant nous venons á un gros paradoxe chez les appareils photos numériques, ce qui correspond á leur résolution. Comme exemple on prendra une appareil photo numérique de 4 millions de pixels.

Dans le chapitre précédent on a appris, qu'on aura besoin de 12 millions d'éléments de capteur pour la production de 4 millions de points d'image, c'est á dire 4 millions correspondamment aux couleurs de filtres rouge, vert et bleu. Sur la puce CCD d'une appareil photo nume´rique se trouve au total 4 millions d'éléments de capteur, desquels 1 millions rouges, 1 millions bleus et 2 millions verts. Pour le processeur dans l'appareil photo numérique représente ce morcellement et répartition des différentes couleurs aucun probléme, il se paye une image claire. Pour l'utilisateur signifie cette répartition de couleur rien, mais qu'il ne fait pas en réalité des images de 4 mégapixels, mais en principe de seulement 1,33 millions saisis en forme de valeurs d'image de 3 couleurs, qui se calculeront á travers une interpolation á 4 millions de pixels. Détenir cela m'est important:

Chez une appareil photo numérique signifie le nombre de mégapixels le nombre des éléments CCD selon le filtre de couleurs placé devant. La vraie résolution est de facteur 3 inférieure comparée avec celle des scanneurs films.

Capteur Foveon

Chez les capteurs Foveon se trouve les trois couches de couleur l'une au dessus de l'autre; Elles sont sensibilisées respectivement pour un certain secteur de longueur d'ondes de la la lumiére. C'est pourquoi sera une image édifiée sans interpolation de calcul chez une puce Faveon, car une valeur de couleur sera mesurée pour chaque pixel. Une puce Faveon avec 3 mégapixels produit ainsi trois millions de vrais points d'images, c'est pourquoi les fabriquants des appareils photos numériques avec le puce Faveon donnent la résolution totale analogue aux fausses résolutions des concurrents en forme de 3 x 3 mégapixels.

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