Willard S. Boyle

Physique condensée de matière, cristaux, aimants, supraconducteurs, semi-conducteurs

Co-inventeur du capteur photographique

"Sachez juger quand il faut persévérer et quand il faut s’arrêter. Si vous faites quelque chose, faites-le bien. Il n’est pas nécessaire d’être le meilleur de tous, mais vous devriez faire du mieux que vous pouvez."

La branche de Boyle de la science s'appelle physique solide ou la physique condensée de matière, et elle comporte le comportement des matériaux qui sont pleins - des choses telles que des cristaux, des métaux et des roches. En particulier, il a travaillé aux matériaux semi-conducteurs tels que le silicium d'élément. Il a inventé beaucoup de choses tandis qu'aux laboratoires de Bell, mais son invention plus célèbre était le dispositif ou le CCD à couplage de charge.

How a CCD (Charge Coupled Device) works. Click to enlarge.

1. Au cœur de nombreuses caméras et appareils photos (de type digital) on trouve un dcc, qui mesure en général un centimètre carré.

2. La lumière pénètre par la lentille de la caméra sous la forme de photons, et elle tombe sur la surface de la puce dcc, souvent après être passée par une série de filtres couleurs. Ce processus génère l’apparition d’électrons libres dans le silicium du dcc; plus la lumière est forte plus les électrons sont nombreux, plus la lumière et faible plus leur quantité diminue. Ces électrons se rassemblent en petits paquets générés par la géométrie du silicium et de la circuiterie électrique qui l’entoure, alignés sur une grille à deux dimensions placée sur la puce. Les puces de dcc typiques possèdent de un à cinq millions de ce type de paquets de charge, qu’on peut aussi s’imaginer sous la forme de seaux placés sur un tapis roulant, servant à ramasser la pluie (c'est-à-dire les photons de lumière.)

3. Le dcc fonctionne selon le principe du couplage de charge. Le paquet d’électrons chargés peut être déplacé une rangée à la fois, en modifiant le voltage des rangées adjacentes, et en créant de ce fait un puit de potentiel qui accouple deux rangées et fait passer la charge de l’une à l’autre.

4. Chaque seau (paquet) contient une quantité d’eau différente (charge), selon la quantité de pluie est tombée sur cette partie du réseau de filtres. Les seaux sont déplacés de manière ordonnée vers une rangée de collecte, puis vers un appareil de mesure final à l’avant. De cette façon la quantité d’eau dans chaque seau est comptée. Dans un dcc typique, ce processus peut être très rapide : environ 30 fois par seconde pour chacun des millions de « seaux » sur le dcc.

Les dccs modernes disposent de filtres de couleur (rouge, vert, bleu) arrangé selon un dessin au dessus de la puce, afin que les images en couleur puissent être collectées. Le produit du dcc est une chaîne de nombres qui définit l’intensité et la couleur de la lumière sur la totalité de l’image. Un ordinateur ou une caméra vidéo peuvent stocker ces nombres ou les utiliser pour recréer l’image sur n’importe quel écran de visionnage ou sur une imprimante. For more on how a CCD works visit the Molecular Expressions website.

Ces dernières années, des systèmes imageurs complémentaires utilisant un semi conducteur metal oxide (cmos) remplacent les puces dcc dans certains appareils d’imagerie. Ces systèmes ne sont pas basés sur la technologie du dcc mais sont des réseaux rectangulaires de pixels adressables individuellement. Ce système cmos est la technologie dominante dans l’ensemble de la fabrication de puces, c’est pourquoi les capteurs d’images basés sur ce principe sont moins chers à fabriquer. De plus, un circuit d'assistance peut être incorporé sur le même appareil en un seul processus de fabrication. Les capteurs cmos ont aussi l’avantage de consommer moins d’énergie et possèdent une plus grande sensibilité à l’infrarouge (ou imagerie par chaleur) que les dccs. Cependant, pour les appareils photo et caméras haut de gamme, on préfère toujours utiliser un dcc parce qu’il permet d’obtenir des images plus nettes et plus « propres » dans la plupart des applications photographiques.


ACTIVITé

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MYSTèRE

Boyle s’attend à ce que de nombreux mystères cosmologiques soient résolus grâce à la puissance supérieure d’imagerie des dccs, qui sont maintenant utilisés dans la plupart des télescopes. « Nous allons assister à une bien plus grande compréhension de l’origine de notre univers, en ayant la possibilité de voir des choses éloignées de huit milliards d'années lumière » déclare t’il. « Le plus grand de tous les mystères est celui de l’origine de notre univers. »

Pour en savoir plus

James R. Janesick, Scientific Charge-Coupled Devices, SPIE Press Monograph, vol. PM83, 2001.

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