Les capteurs CCD

1. Introduction: Les capteurs CCD • Les capteurs CCD (Charge Coupled Device ou capteur à transfert de charge) sont des composants électroniques semi-conducteurs qui permettent de transformer l’énergie lumineuse des photons en électrons puis en un signal vidéo numérique par l’intermédiaire d’un système de traitement. Photo d’un capteur CCD :

2. Le principe du capteur CCD Anatomie d’un capteur CCD et de sa chaîne de capture : • Un capteur CCD est une matrice constituée par l' assemblage de photosites. • Un photosite est constitué de semi-conducteurs de silicium dont l’ordre de grandeur est le micromètre. • Lorsque la lumière vient frapper un photosite, celui-ci délivre une • impulsion électrique proportionnelle à la quantité de lumière qu'il reçoit. • Cette impulsion analogique est convertie en numérique, on obtient alors une valeur qui correspond à un niveau de gris sur un pixel de l’image.

3. Le principe du capteur CCD Échantillonnage : • La capture d’une image à partir d’un capteur CCD est un échantillonnage de l’image. • La résolution de l’image (l’échantillonnage) dépend du nombre de photosites présents sur le capteur : Image réelle Image capturée avec un capteur CDD 64x64 photosites Image capturée avec un capteur CDD 4x4 photosites (cas extrême)

4. Le principe du capteur CCD La couleur : • Jusqu’à présent on a vu que les CCD captaient simplement une intensité lumineuse reçue et par conséquent l’image rendue était alors en niveaux de gris. • Pour rendre la couleur il existe 2 systèmes: • Le système couleur Mono-CCD: • Le système couleur Tri-CCD.

5. Le principe du capteur CCD Le système Mono-CCD : Les composantes de couleur de la scène sont obtenues en plaçant une mosaïque de filtres colorés par-dessus la matrice de photosites de telle sorte que chaque cellule du capteur CCD ne perçoit qu'une des trois composantes : Rouge, Verte et Bleue. Exemples de filtres: Filtre colonne Filtre de Bayer Filtre de Rockwell Le filtre le plus utilisé est le filtre de Bayer ou les photosites sont regroupés par 4 et chacun est spécialisé dans une composante de couleur: 1 pour le rouge, 2 pour le vert et 1 pour le bleu.A 4 ils donnent les 3 composantes de couleur du pixel de l’image. Il y a plus de vert pour tenir compte du fait que l'oeil humain est plus sensible au vert qu'aux autres couleurs.

6. Le principe du capteur CCD Le système Tri-CCD : Dans ce système on utilise non plus un, mais 3 capteurs CCD. La lumière qui arrive par l’objectif est projetée sur 3 capteurs CCD différents à l’aide d’un système de prismes. Chacun des 3 capteurs est associé à une composante couleur (Rouge ,Vert et Bleu). Les couleurs de chaque pixel de la scène sont obtenues en combinant l’intensité lumineuse reçue sur chacun des 3 capteurs CCD. Système Tri-CCD :

7. Le principe du capteur CCD Comparatif système Mono-CCD/Tri-CCD :

8. Les capteurs concurrents du CCD • Les capteurs CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) :Nouveau type de détecteurs semi-conducteurs. Ce sont de minuscules dispositifs gravés sur des puces de silicium. • Avantages : • -Faible coût car c’est le même procédé de fabrication que pour les puces d'ordinateur.-Faible consommation d'énergie. • -Temps de réponse plus rapide que les CCD • Inconvénient: • -Moins sensibles à la lumière.Peu utilisés. • Les capteurs Super-CCD : • Fuji a conçu un nouveau capteur, appelé capteur Super-CCD, où les photosites ne sont plus rectangulaires, mais hexagonales. • Avantages : • -La forme hexagonale permet de loger plus de photosites dans la même surface. • > Plus de résolution. • Inconvénient: • -L’image doit être interpolée ,doit subir un traitement pour être restituée. Forme des photosites sur CCD classique : Forme des photosites sur Super-CCD :

9. L’ŒIL : un capteur naturel Structure de l’œil : Analogie entre un œil et une caméra numérique équipée d’un capteur CCD :

10. La rétine • La rétine est constituée de 2 types de photorécepteurs : • Les bâtonnets permettent la vision de nuit, ils réagissent aux formes, même à très faible luminosité. • Les cônes qui deviennent actifs pour la vision de jour et, en particulier, la vision des couleurs. • Il existe trois sortes de cônes,  de sensibilité différente qui transmettent, au cerveau, trois sensations différentes : • - sensation de teinte. • - sensation de luminosité (brillance plus ou moins grande). • - sensation de pureté ou "saturation" (plus ou moins vive ou délavée). Structure de la rétine: Ces 2 types de cellules transforment les photons qu’elle reçoivent en impulsion électriques nerveuses interprétées par le cerveau qui reconstitue l’image.

11. Comparaison Rétine/CDD

12. Applications des capteurs CCD On utilise des capteurs CCD dans : • Les appareils d’imagerie grand public : dans les appareils photos numériques, dans caméscopes numériques et dans les téléphones portables. • L’astronomie.Pour observer les étoiles très peu lumineuses on utilise les capteurs CCD avec un temps d’intégration (d’ouverture) de l’ordre d’une seconde pour capter plus de photons. • L’imagerie militaire on utilise le spectre des CCD dans les infrarouges pour créer des appareils de vison nocturne. Lunettes infrarouge: