بسم الله الرحمن الرحيم Le capteur ccd Dirigé par :amaid soufain بسم الله الرحمن الرحيم Le capteur ccd Dirigé par :amaid soufain Réalisées par : Kahoul kenza

Introduction • Les CCDs (Charge Coupled Devices) ont ete inventees au laboratoire Bell en 1969 par George Smith and Willard Boyle (prix Nobel de physique 2009). • A l’origine, analogue a une memoire magnetique (magnetic bubble memory), mais a base d’un semi-conducteur (Silicium). Le CCD n’est pas un bon support memoire a cause du courant d’obscurite (bruit thermique). • Le CCD presente de part son design des avantages certains pour faire des videos ou des images. • Explosions commerciales a partir des annees 80 (CCD type n).

Un capteur photographique est un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique (UV, visible ou IR) en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuiteamplifié, puis numérisé par un convertisseur analogique- numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Le capteur est donc le composant de base des appareils photo et des caméras numériques, l'équivalent du film (ou pellicule) en photographie argentique. Le capteur photographique met à profit l'effet photoélectrique1,2, qui permet aux photons incidents d'arracher des électrons à chaque élément actif (photosite) d'une matrice de capteurs élémentaires constitués dephotodiodes ou photomos. Il est nettement plus efficace que la pellicule : jusqu'à 99 % (en théorie) et près de 50 % (en pratique) des photons reçus permettent de collecter un électron, contre environ 5 % de photons qui révèlent le grain photosensible de la pellicule, d'où son essor initial en astrophotographie

Principe de fonctionnement . Les capteurs appelés CCD (Charged Coupled Device ou en français Dispositif de Transfert de Charges), ceux que l’on trouve sur la plupart des Appareils Photo Numérique (APN) sont des systèmes à transfert de charges. Dans un premier temps nous allons expliquer comment fonctionne un photosite d'un capteur CCD.

Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit sur l'électrode semi-transparente en électron par effet photoélectrique, puis collecte les électrons dans la zone désertée. Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue. À la fin de l'exposition, les charges sont transférées de photosite en photosite par le jeu de variations de potentiel cycliques provenant d'une horloge externe. Puis elles sont envoyées dans un registre de sortie. Enfin les charges sont transformées en tension proportionnelle au nombre d'électrons. Ce signal sera, à l'extérieur du CCD, amplifié et numérisé.

Le transfert de charges - Lecture *Une fois que les charges sont stockees, elles vont etre transferees de photosites en photo-sites jusqu’au noeud de sortie afin de mesurer la charge contenue dans chaque photo-site.

Les electrodes sont couplees d’un photo-site aux autres. • Ex. : pour un CCD 3 phases, la premiere electrode de chaque photo-site d’une colonne est portee a un potentiel V1, la seconde a V2 et la troisieme a V3. • Pour decaler les charges stockees dans le photo-site ligne par ligne, il suffit d’alterner la valeur des potentiels V1, V2 et V3. Les e- sont initialement stockes sous les electrodes 1 et 2

• Le cadensement du basculement des tensions de chaque electrode est controle par des horloges (etat haut – etat bas).  L’ensemble des cadensements des horloges constitue un chronogramme. • Plus la phase est grande, plus la synchronisation des differentes horloges doit etre precise.

Filtre de Bayer • Une mosaique de 4 filtres : 2 verts, 1 rouge et 1 bleu repartie sur 4 pixels. • Ajout de micro-lentilles sur chaque photo-site pour augmenter la fraction de lumiere recue par les photo-sites. • Necessite de disposer d’un algorithme de De mosaiquage pour former l’image en couleur.

Trois types de CCD 1° Le CCD "plein cadre " (full frame): l'ensemble de la surface contribue à la détection

En technologie plein cadre, la construction est assez simple puisque les lignes CCD verticales jouent à la fois le rôle de capteur de lumière et de moyen de transmission des charges. L'avantage est un rendement global intéressant, puisque presque toute la surface est sensible (facteur de remplissage proche de 1). Mais il est nécessaire d'avoir un obturateur optique externe pour fixer précisément le temps d'intégration et éliminer toute lumière incidente pendant le transfert des charges.

Le CCD « à transfert de trame » (full-frame transfer) : il associe deux matrices CCD de même dimension, l'une exposée à la lumière, l'autre masquée.

La rétine CCD à transfert de trames est similaire à la première, mais elle utilise en plus un second jeu de lignes CCD verticales, masquées par une couche métallique opaque. A la fin du temps de pose, on transfère très rapidement l'image électronique acquise dans la matrice photosensible vers la matrice aveugle. Cela permet ensuite de recommencer une acquisition, pendant que la matrice aveugle transmet l'image vers la sortie au rythme normal.

Le CCD « interligne » : plus complexe ; il associe un photosite à chaque cellule CCD.

Dans le capteur interligne, les CCD verticaux aveugles ne sont pas disposés sous la forme d'une matrice copacte comme dans la technique précédente, mais sont intercalés entre les sites photosensibles disposés en rangées verticales. L'efficacité diminue puisque le facteur de remplissage baisse sensiblement dans cet arrangement.

Enfin, voici le fonctionnement général d'une caméra à capteur CCD (CCD de tout type):

Domaine d'utilisation Les capteurs CCD sont à l'origine employés pour toutes les applications nécessitant un haut niveau de précision, pour les systèmes de traitement d’images complexes, les applications scientifiques, pour celles présentant un faible niveau d’éclairage.