Ce document traite des réalisations de Charles K. Kao sur la transmission de la lumière dans les fibres pour la communication optique et de l'invention des capteurs CCD par Willard S. Boyle et George E. Smith. Il présente également les applications des caméras numériques, les principes de fonctionnement des capteurs CCD, leur conception ainsi que les méthodes d'acquisition des couleurs. Enfin, il aborde les caractéristiques principales des CCD et les défis techniques associés.

1. 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

2. 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

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

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

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

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

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

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

9. 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

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

11. 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

12. La photocapacit´ MOS
e
12 9/30

13. La photocapacit´ MOS
e
m´tal
e
oxyde
/
s.-c. dop´ P
e
)
13 9/30

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

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

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

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

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

19. 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

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

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

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

23. CCD : principe
23 17/30

24. CCD : principe
24 17/30

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. CCD : acquisition de la couleur
29 22/30

30. CCD : acquisition de la couleur
30 22/30

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

32. 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

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

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

35. Caract´ristiques principales des CCDs
e
35 26/30

36. 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

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

38. Courant d’obscurit´
e
38 29/30

39. CCD : smearing
39 30/30

40. CCD : smearing
40 30/30

41. 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