Les capteurs CCD

Les capteurs CCD
Introduction:
•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 :
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.
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)
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.
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.
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.
3 Capteurs CCD + Utilisation d’un
système optique complexe et précis
à base de prismes
> Très onéreux
>Solution peu coûteuse.
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 :
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
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.
Structure de la rétine:
•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
Le Cerveau
Le Module de traitement
(CPU)
Le Visible : 387 à 750
nm
Le visible + les infrarouges:
420 à 1200 nm
Interprétation de
l’image
Spectre
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: