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.

Introduction:

Photo d’un capteur CCD :

Le principe du capteur CCD

•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 uneimpulsion 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.

Anatomie d’un capteur CCD et de sa chaîne de capture :

Le principe du capteur CCD

• 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 4x4photosites (cas extrême)

Échantillonnage :

Le principe du capteur CCD

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.

La couleur :

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:

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.

Filtre colonne Filtre de Bayer Filtre de Rockwell

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 :

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

Mono-CCD Tri-CCD

Résolution Chaque pixel de l’image est rendu par 4 photosites d’un même capteur.

La résolution est le nombre de photosites du capteur CCD divisé par 4.

Chaque pixel de l’image est rendu par 3 photosites de 3 capteurs CCD différents.

La résolution est égale au nombre de photosites d’un capteur.

Couleurs Les trois cellules utilisées pour définir la couleur d’un point ne sont pas au même endroit.

> Aberrations chromatiques.

Les trois composantes Rouge ,Vert, Bleu proviennent du même point de l’image.

> Pas d’aberrations chromatiques

Prix Utilisation d’un capteur CCD + d’un filtre de Bayer.

>Solution peu coûteuse.

3 Capteurs CCD + Utilisation d’un système optique complexe et précis à base de prismes

> Très onéreux

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 CCDInconvénient:-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 :

L’ŒIL : un capteur naturel

Structure de l’œil :

Œil Caméra

Cristallin Lentille

Iris Diaphragme

Rétine Capteur CCD

Analogie entre un œil et une caméra numérique équipée d’un capteur CCD :

La rétine

Structure de 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).

Ces 2 types de cellules transforment les photons qu’elle reçoivent en impulsion électriques nerveuses interprétées par le cerveau qui reconstitue l’image.

Comparaison Rétine/CDD Rétine Capteur CDD

Vision des formes, des intensités de lumière

Les bâtonnets Les photosites

Vision des couleurs

Les cônes Les filtres de Bayer

Interprétation de l’image

Le Cerveau Le Module de traitement

(CPU)

Spectre Le Visible : 387 à 750 nm

Le visible + les infrarouges:

420 à 1200 nm

Applications des capteurs CCD

•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.

On utilise des capteurs CCD dans :

Lunettes infrarouge: