GEII S3 - P3
Physique des capteurs - CCD
Syst`mes de transmission
e
F. Morain-Nicolier
http://pixel-shaker.fr
frederic.nicolier@univ-reims.fr
CRESTIC - URCA/IUT Troyes
12 octobre 2009
1

Prix Nobel de Physique - 2009
Les maˆ
ıtres de la lumi`re
e
Charles K. Kao Willard S. Boyle George E. Smith
2 2/30

Charles K. Kao
R´alisations concernant la transmission de la lumi`re dans des fibres pour la
e e
communication optique.
3 3/30

Willard S. Boyle & George E. Smith
L’invention d’un circuit semi-conducteur destin´ ` l’imagerie, le capteur CCD.
ea
4 4/30

Applications
cam´ra num´rique
e e
scanners
APN (et t´l´phones portables)
ee
astrophotographie
5 5/30

Applications
cam´ra num´rique
e e
scanners
APN (et t´l´phones portables)
ee
astrophotographie
6 5/30

Applications
cam´ra num´rique
e e
scanners
APN (et t´l´phones portables)
ee
astrophotographie
7 5/30

Applications
cam´ra num´rique
e e
scanners
APN (et t´l´phones portables)
ee
astrophotographie
8 5/30

Vikink Lander 1 : premi`re photo prise ` la surface de mars - 20 juillet 1970. ˜
e a 4500
clich´s, certains encore exploit´s aujourd’hui.
e e
9 6/30

A quoi ressemble la puce ?
Ouvrons un t´l´phone portable
ee
10 7/30

CCD
1970 : CCD = Charge Coupled Device
⇒ Syst`me ` transfert de charges
e a
1984 : premi`re cam´ra CCD professionnelle
e e
couleur.
groupe de cellules juxtapos´es qui
e
communiquent entre elles,
⇒ une cellule se charge, puis se vide dans sa
voisine.
cellule = photocapacit´ MOS.
e
11 8/30

La photocapacit´ MOS
e
12 9/30

La photocapacit´ MOS
e
m´tal
e
oxyde
/

s.-c. dop´ P
e
)
13 9/30

La photocapacit´ MOS : polarisation
e
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
14 10/30

La photocapacit´ MOS : polarisation
e
+
+ + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
15 11/30

La photocapacit´ MOS : polarisation
e
++
+ +
+ + + +
+ + + + + + +
16 12/30

La photocapacit´ MOS : accumulation
e
hν
+ -f
f ++
~
+ +
+ + + +
+ + + + + + +
17 13/30

La photocapacit´ MOS : accumulation
e
+ -f
f  ++
+ +
+ +
+ +
+ + + + + + +
18 14/30

La photocapacit´ MOS : accumulation
e
-f -f -f -f -f -f
-ff f f f -f
-f -f -f -f ++
+ --f--f--f--f +
+ + + +
+ + + + + + +
19 15/30

CCD : principe
il faut transmettre les charges pour lib´rer la cellule pour qu’un nouveau cycle
e
puisse commencer.
20 16/30

CCD : principe
il faut transmettre les charges pour lib´rer la cellule pour qu’un nouveau cycle
e
puisse commencer.
21 16/30

CCD : principe
il faut transmettre les charges pour lib´rer la cellule pour qu’un nouveau cycle
e
puisse commencer.
22 16/30

CCD : principe
23 17/30

CCD : principe
24 17/30

Types de CCD
R´tines CCD ` transfert int´gral de trame « FULL FRAME » (FFT CCD).
e a e
R´tines CCD ` transfert de trame (FT CCD)
e a
R´tines CCD « interligne ».
e
25 18/30

Capteur Full Frame Transfert
Les lignes Lignes CCD
verticales jouent ` la fois le
a
rˆle de capteurs de lumi`re
o e
et de moyen de
transmission des charges.
Grand rendement, fill factor
100%
obturation optique pendant
le transfert de charge.
26 19/30

Capteur Frame Transfert
second jeu de lignes CCD,
masqu´es par une couche
e
m´tallique opaque.
e
le transfert est rapide.
Pas d’obturation optique
n´cessaire.
e
fill factor 100%
27 20/30

Capteur Interligned
des cellules aveugles sont
intercal´es entre les rang´es
e e
verticales
fill factor baisse
sensiblement
Plusieurs r´solutions
e
possibles.
28 21/30

CCD : acquisition de la couleur
29 22/30

CCD : acquisition de la couleur
30 22/30

Filtre de Bayer
Respecte la sensiblit´ de l’oeil.
e
31 23/30

Filtre de Bayer
filtrage compos´ de 50% de vert, 25% de rouge et 25% de bleu qui donne son
e
nom au codage obtenu « 4 :2 :2 :RGB »
32 24/30

acquisition de la couleur : tri-CCD et Fov´on
e
Principe du prisme
33 25/30

acquisition de la couleur : tri-CCD et Fov´on
e
Principe du prisme
Fov´on
e
34 25/30

Caract´ristiques principales des CCDs
e
35 26/30

Caract´ristiques principales des CCDs
e
200nm ` 1200nm (environ), max dans le bleu-vert
a
36 Sensibilit´ dans l’infrarouge suit l’´paisseur de la zone photosensible
e e 27/30

Non Uniformit´ de la r´ponse photonique des pixels
e e
37 28/30

Courant d’obscurit´
e
38 29/30

CCD : smearing
39 30/30

CCD : smearing
40 30/30

Biblio
Ouvrages
“Acquisition et visualisation des images” A. Marion, Eyrolles
,
“Les secrets de l’image vid´o” P. Bella¨
e , ıche, Eyrolles
41 31/30