CAPTEURS ET PIXELS

2/5/2004

Un CCD est constitué par l'association de photo-capteurs (pixels) et de registres à décalages analogiques.

Chaque photo-capteur possède un condensateur dont la charge est directement proportionnelle à la valeur de l'intensité lumineuse reçue, cette information est purement analogique. Pour collecter toutes les informations, on utilise des registres à décalages analogique (Dispostifs à Transfert de Charges ou CCD). Par abus de langage, l'ensemble "capteurs + CCD" prend le nom de CCD.

On distingue les camescopes couleur tri CCD et mono CCD (Charge Coupled Device) ou en français DTC (Dispositif à transfert de charges)..

Le tri CCD :
Beaucoup plus cher à construire et plus lourd, le sytème triCCD est réservé aux camescopes professionnels ou haut de gamme pour amateurs. Il comprend trois prismes munis de filtres colorés (dichroïques) et 3 capteurs monochromes de 450 kpixels (sauf Panasonic NV-MX500 à 800 kpixels et Sony TRV950 à 1070 kp pour exploiter de meilleures photos)

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Les rayons pénétrant dans le séparateur traversent le premier prisme et sont filtrés à sa sortie par le miroir dichroïque bleu. Celui-ci va réfléchir seulement les rayons bleus et laisser passer les autres. Les rayons bleus vont alors être réfléchis par le miroir semi-transparent vers le capteur CCD bleu. Il va de même dans le deuxième prisme pour les rayons rouges. Ne restent plus que les rayons verts qui traversent les trois prismes sans être perturbés.

On peut observer le filtrage de rayon par les miroirs dichroïques grâce aux courbes ci-dessous.

La définition d'une image vidéo PAL DV étant 720x576 = 414 kpixels est largement couverte avec des capteurs à 550 kpixels. Les pixels supplémentaires peuvent servir aux stabilisateurs numériques d'images ou sont exploités en mode photo.

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Le mono CCD:

Le capteur unique est recouvert d'un filtre coloré de Bayer (du nom de l'inventeur B. Bayer - rien à voir avec Bayer AG)

type Bayer (KODAK) ou modifié Sony:

Il en existe d'autres (voir http://www.photozone.de/7Digital/digital_3.htm)

Il y a autant de carrés colorés qu'il y a de sites photosensibles (photodiodes créant une tension d'autant plus élevée qu'elles ont reçu plus de lumière)..

Ci dessus à gauche : transfert de charges (voir http://www.lycee-hautil.net/Tpe/photo_num/gaetan.htm ) Chaque ligne est lue point par point, puis est remplacée par la suivante etc...d'où le nom de registre à décalage.

à droite: CCD HAD de Sony : http://products.sel.sony.com/semi/PDF/ICX279AK.pdf

La lecture des tensions de chaque photosite est faite ligne par ligne à travers un registre horizontal et un registre vertical à la cadence de 25 images/s. Le résultat est une courbe analogique, qui est amplifiée (gain) avant d'être convertie d'analogique en digital (DSP = digital signal processing, processeur de signaux en temps réel) voir : http://dspvillage.ti.com/

Un processeur d'images (DSP + Circuit de contrôle) est associé au CCD. Il a principalement pour rôle :
- de synthétiser les signaux des horloges d'acquisition et de transfert du CCD (temps de pose, vitesse de transfert).
- de faire une correction individuelle du gain des photo-capteurs (ils n'ont pas tous la même réponse). Un étalonnage est nécessaire, les paramètres de correction sont stockés dans une mémoire.
- de faire un double échantillonnage corrélé des signaux des capteurs afin de réduire le bruit ; le résultat est spectaculaire.
- d'assurer la conversion analogique-numérique du signal issu du CCD.
- de calculer les valeurs de luminance Y et de chrominance R, G , B

Les valeurs de luminance Y et de chrominance R, G , B (rouge - vert - bleu) sont calculées dans le DSP en combinant les résultats de sites voisins
(voir http://www.fillfactory.com/htm/technology/htm/rgbfaq.htm )

Y = .299 R + .587 G + .114 B
R-Y = .701 R - .587 G - .114 B
B-Y = -.299 R - .587 G + .886 B

Ici entre une notion un peu délicate : à concevoir: un pixel est le résultat de l'interpolation des valeurs des 4 photosites (cas BAYER: 2V+1B+1R) qui l'entourent. Il y a autant de pixels que de photosites 'en négligeant les bords du capteur qui ne sont de toute façon pas utilisés).

Il y a deux fois plus de zones filtrées en Vert qu'en Rouge et Bleu, pour tenir compte de la moindre sensibilté de l'oeil au vert. Dans le modèle Sony un filtre vert sur deux est remplacé par un filtre cyan (vert+bleu) dont il est tenu compte dans le calcul permettant la reconstitution de la luminance Y et de la chroma (différences de couleur)

Quelques données sur les capteurs:

Les photosites occupent 90 % de la surface du capteur. Si leur nombre passe à 4 millions pour la même surface leur taille va passer à 0.84*0.63 µm, entraînant des problèmes de sensibilité et de smear (lignes de registres saturées).