Le CDD Thomson TH7852

3. Le CCD Thomson TH7852

Ce CCD possède un mode de transfert biphasé ce qui simplifie notablement la mise en œuvre par rapport à des modèles à 3 ou 4 phases. En contre partie la rétine photosensible est de petites dimensions: 6,2 x 4,3 mm.

Détail d'un photosite de la matrice TH7852

Le CCD TH7852 est du type à transfert de trame à canal enterré. Il est muni d'un dispositif anti-éblouissement. Dans la notice technique du composant on peut lire qu'il comporte 288 lignes et 208 colonnes utiles.
En réalité, cette résolution est indiquée dans le cas d'un fonctionnement dit à deux trames entrelacées pour les applications télévision. Dans ce mode, on sélectionne une trame ou l'autre en alternant à chaque intégration les niveaux hauts des phases Æ1P et Æ2P qui agissent sui la zone image.
Cette technique permet de doubler "artificiellement" la résolution verticale de la matrice.
Pour des soucis de programmation nous utiliserons le mode où une seule trame est acquise pour former l'image finale (fonctionnement en mode monocoup). Dans ce cas, lors de l'intégration, la même phase est toujours mise au niveau haut, soit Æ1P ou Æ2P.
Le nombre de lignes réellement utiles s'élève alors à 144.
Malgré tout il est important de voir que l'intégralité du pixel constitué d'un couple d'électrodes Æ1P et Æ2P est utilisée pour recevoir les photons et que seule la zone de collecte maximale des charges se trouve décalée d'un demi-pixel.

Vue de dessus d'un pixel. La partie sensible est en gris.

La distance inter-pixel est de 30x28 microns, cependant à cause de la présence du drain anti-éblouissernent la surface utile d'un pixel est d'environ 3Oxl9 microns.

Structure générale de la matrice CCD

La matrice TH7852 comporte un certain nombre de lignes et de colonnes qui sont non connectées électriquement ou masquées de la lumière. Elles servent, soit à isoler la partie photosensible du CCD des zones extérieures de la puce, soit de référence d'obscurité. Compte tenu de ces lignes et colonnes supplémentaires la matrice TH7852 possède 145x218 pixels. Le détecteur se présente mécaniquement sous la forme d'un boîtier en céramique DIL de 24 broches. La lumière traverse une fenêtre en verre pour parvenir jusqu'à la cible. Cette dernière est contenue dans une enceinte scellée remplie d'un gaz inerte. Le pas des broches (2,54 mm) et l'écartement des deux rangées de 12 broches (15,24 mm) sont tels que la matrice peut être montée sur un support de circuit intégré standard (ce n'est pas le cas pour tous les CCD).

4. Le chronogramme

Chronogramme de la matrice TH7852

Le chronogramme est la succession des ordres qu'il faut envoyer au CCD pour réaliser les étapes d'intégration et de lecture. Le chronogramme est représenté graphiquement par une succession de niveaux hauts et bas des horloges en fonction du temps.

Avant toute chose il faut donc interpréter le chronogramme fourni par le constructeur dans la notice technique du composant. Il faut produire quatre groupes d'horloges pour faire fonctionner le CCD TH7852:

- Horloges Æ1P et Æ2P. Ces phases agissent sur la zone image. Durant la période d'intégration, l'une d'elles est maintenue à un niveau bas alors que l'autre est au niveau haut. Dans le mode entrelacé utilisé en télévision, ces deux horloges sont inversées à chaque intégration. Entre la lecture d'une trame paire et d'une trame impaire, le centre de gravité des zones de collection des charges est ainsi décalé d'un demi-pixel. Dans notre cas on maintiendra toujours la même phase à un niveau haut pour toutes les poses. Après l'intégration et lors du transfert de la zone image à la zone mémoire, les phases Æ1P et Æ2P sont mises à l'état haut et bas successivement 145 fois. Cette opération est réalisée le plus rapidement possible afin d'éviter au maximum le phénomène de smearing. Ce phénomène se caractérise par une traînée sur l'image qui correspond à un mauvais transfert des charges dans la matrice.

- Horloges Æ1M et Æ2M. Ces phases agissent sur la zone mémoire. Lors du transfert des lignes de la zone image vers la zone mémoire, les phases Æ1P et Æ1M sont identiques, ainsi que Æ2P et Æ2M. Le temps d'intégration est occupé à déplacer le contenu de la zone mémoire, ligne après ligne, dans le registre à décalage horizontal. Lorsqu'une commande ÆM est envoyée, les charges contenues dans la dernière ligne de la zone mémoire sont déversées d'un coup dans le registre horizontal. En même temps toutes les autres lignes de la zone mémoire sont décalées d'un cran vers le bas. Dans notre cas, la TH7852, la zone mémoire est protégée de la lumière incidente par un masque d'aluminium, ce qui permet une lecture relativement lente de cette partie de la matrice.

- Horloges Æ1L et Æ2L. Ces horloges réalisent le transfert des paquets de charges séquentiellement dans le registre horizontal jusqu'à l'étage de sortie. Entre deux coups d'horloge ÆM il faut envoyer au moins 218 cycles d'horloge ÆL pour lire l'intégralité du registre. Un nombre plus grand ne nuit pas au fonctionnement du CCD, au contraire même car si les points supplémentaires lus ne contiennent pas d'information utile, en revanche le registre est mieux nettoyé avant de recevoir la ligne suivante.

- Horloge ÆR. Cette horloge commande la précharge de la diode de sortie. Elle est synchronisée avec ÆL. Dans un souci de simplification, le fabricant suggère de faire ÆR=Æ2L, mais il est préférable de réaliser ces deux horloges séparément. L'impulsion positive de la phase ÆR est produite au front montant de Æ2L. La durée du niveau haut de ÆR est toujours inférieur à la durée du niveau haut de Æ2L

On remarque que les horloges vont par paires symétriques. C'est une caractéristique du transfert biphasé.

Dans le mode de lecture monocoup il peut s'écouler beaucoup de temps entre deux poses successives. Le détecteur reçoit de la lumière et accumule des charges d'obscurité durant cette période. Aussi, il est indispensable de nettoyer soigneusement la cible avant d'entreprendre une pose. Pour cela, la matrice est lue entièrement à plusieurs reprises à haute cadence juste avant l'intégration de l'image afin de ne pas laisser de charges indésirables. Le chronogramme peut être amélioré, ainsi juste après l'intégration et avant le transfert de la zone image à la zone mémoire, cette dernière peut être lue rapidement pour tirer les charges thermiques qui s'y sont accumulées durant la pose.

5. Le signal vidéo

Les 8 premiers points d'une ligne correspondent à des colonnes masquées de la lumière par le dépôt d'aluminium. Ces points constituent des références d'obscurité, on trouve ensuite 208 points contenant l'information d'image proprement dite, les deux derniers points correspondent à nouveau à deux colonnes masquées. La première ligne d'une trame ne contient pas d'information utile et on a donc 144 lignes effectives.

Allure du signal vidéo

On remarque la synchronisation du signal vidéo avec les horloges. Ce sont elles qui vont permettre de mettre en forme le signal vidéo. Celui-ci est référencé par rapport à une tension continue d'environ 9V. Chaque point image comporte:

- Un palier de Reset correspondant à la précharge de la diode de sortie. La précharge est commandée par un front montant de ÆR et est pratiquement instantanée (quelques dizaine de nanosecondes suffisent).

- Un palier de référence correspondant à la fin de charge de la capacité de sortie. La différence d'amplitude entre le palier de Reset et le palier de référence s'explique par un couplage parasite lors de l'ouverture du transistor isolant la diode de sa source de charge (front descendant de ÆR).

- Un palier de signal (ou palier vidéo) correspondant à l'arrivée du paquet de charges dans la capacité de sortie. Celle-ci subit une décharge proportionnelle au nombre d'électrons contenus dans le paquet. Le palier de signal a donc une amplitude toujours inférieure ou égale au palier de référence. La différence entre ces deux niveaux est d'autant plus marquée que le flux lumineux croit. Nous voyons que l'injection des charges dans la diode de sortie est réalisée au front montant de Æ1L.