vignette|Capteur photographique CCD pour l'imagerie astronomique. Un capteur photographique CCD est un capteur photographique basé sur un dispositif à transfert de charges (, CCD). Dans les scanners de documents et beaucoup d'autres applications similaires, les dispositifs sont linéaires ; ils passent transversalement sur l'objet à explorer. Dans les appareils photographiques et les caméras vidéo numériques, les capteurs sont regroupés sur une surface rectangulaire, où chaque CCD forme une ligne, souvent dans la plus petite dimension de l'image.
Chaque élément photosensible charge un des éléments du CCD proportionnellement à son illumination. L'insolation est ensuite suspendue pendant qu'un signal d'horloge provoque le transfert de la charge à l'élément voisin, effectuant en bout de ligne une sérialisation des informations.
Principe vignette|Le capteur CCD d'une webcam. Les capteurs d'image CCD consistent en une matrice de photodiodes qui peuvent être indifféremment carrées, rectangulaires, ou polygonales, d'un diamètre caractéristique allant de à plus de . L'efficacité d'un élément capteur s'exprime en électrons produits par photon reçu. Plus la surface d'un élément est importante, plus il reçoit de photons, et donc plus la sensibilité lumineuse et la gamme dynamique du CCD sont élevées, mais comme le nombre d'éléments diminue pour une même longueur, il faut un capteur plus grand et un objectif de plus longue focale pour maintenir le pouvoir de résolution.
La plupart des CCD exploitent un effet de champ : un film diélectrique recouvre la couche dopée, et des électrodes transparentes sont connectées à ce film. Les porteurs de charges (le plus souvent des électrons, mais parfois aussi des « trous ») s'accumulent sur le film. Une autre fine couche conductrice est parfois interposée entre les pixels pour améliorer le contraste et décharger électriquement les pixels sur-éclairés.
La lumière incidente transfère par effet photoélectrique interne son énergie aux électrons du semi-conducteur. Cet apport libère des électrons (de charge négative) et des « trous » (de charge positive), qui se repoussent lorsqu'une tension électrique est appliquée. Contrairement à ce qui se passe avec une photodiode, les charges ne sont pas immédiatement évacuées, mais s'accumulent dans une cellule mémoire, un puits de potentiel, qui fonctionne comme un condensateur. Si elle est décodée à temps, avant saturation en tension de la photodiode, la charge totale emmagasinée est proportionnelle à l'exposition.
En cas de surexposition, les charges d'une cellule mémoire peuvent influencer celles d'une cellule voisine ; un « circuit anti-blooming » qui fonctionne comme un évacuateur et écrête les surplus d'énergie peut réduire ou éliminer cet effet. Pour des longs temps de pause, le signal de sortie n'est plus proportionnel à l'exposition ; c'est pourquoi on évite cette pratique dans les applications scientifiques des capteurs CCD.
Après l'exposition, le dispositif de transfert de charges fonctionne comme une chaîne à godets, jusqu'au filtre de sortie. Le signal de sortie du capteur est transmis en série : les charges de chacun des pixels l'une après l'autre, alors que la lumière incidente les a chargés simultanément, « en parallèle », lors de l'exposition.
Types Géométrie du réseau : lignes et points vignette|capteur CCD « décodeur de ligne » d'un fax.
La plupart des capteurs CCD sont des plaquettes destinées à enregistrer des images. Pour le décodage du capteur, la charge des photodiodes est copiée dans une série de CCD verticaux (registres à décalage vertical), puis recodée à la fréquence de balayage vertical. Elles chargent simultanément les cellules d'un CCD horizontal, qui les retransmet immédiatement (fréquence de pixel, qui détermine la bande passante vidéo). Le signal en sortie de ce registre à décalage est transmis au filtre-amplificateur (convertisseur courant-tension et convertisseur d’impédanceD'après la brochure d'utilisation DTE-145 The CCD Image Sensor, Thomson-CSF Division Silicon.).
Le signal en sortie résultant présente beaucoup de similitude avec le signal des photocapteurs CMOS conventionnels ce qui en a facilité le remplacement. vignette|200px|Quelques types de CCD :L – pixels photosensibles,T – à registre de transfert,A – amplificateur de contraste. Ce principe de base peut être modifié : pour augmenter le temps de réaction, on peut utiliser plusieurs filtre-amplificateurs. Avec deux amplificateurs, par ex., il est possible de transmettre les pixels de rang pair vers un canal, ceux de rang impair sur l'autre. Ils sont ensuite transmis vers deux registres à décalage horizontaux, possédant chacun leur convertisseur courant-tension et leur amplificateur de sortie ; on peut aussi faire l'économie du registre à décalage horizontal et réserver le principe du CCD au transfert de charge vertical. Chaque canal possède dans ce cas son propre convertisseur courant-tension, sollicité à moins haute fréquence ; si l'on étend cette parallélisation au niveau de chaque pixel, il n'est même plus besoin de capteur CCD, puisqu'il n'est plus utile de transférer les charges : de tels capteurs existent, et sont appelés Active Pixel Sensors ; on n'a parfois besoin que d'un capteur détecteur de ligne (soit par la nature de l'application, soit parce que la synthèse bidimensionnelle de l'image est assurée par un procédé mécanique) : les CCD capteurs de ligne se passent de registre à décalage horizontal ; il existe enfin une dernière forme particulière de CCD (Electron Multiplying CCD, en abrégé EMCCD) qui utilise des registres à décalage spéciaux pour amplifier le signal avant décodage : elle est réservée au traitement de très faibles signaux lumineux. Ces EMCCDs peuvent être déclinés en détecteurs de spot lumineux ; mais la plupart des EMCCD sont plutôt des détecteurs d'image et utilisent des registres à décalage « classiques » pour le transfert de charge.
Pour les mesures précises à multi-convertisseurs courant-tension (et convertisseurs analogique-digitaux si nécessaires), chaque composant doit être adapté aux autres afin de compenser les variations relatives de linéarité, de retard et de niveau de bruit ; autrement cela peut entraîner des problèmes comme en spectroscopie.
Transfert de charge : CCD FF, FT, IT ou FIT Aucune charge électrique supplémentaire ne doit être interceptée pendant le transfert de charge. Plusieurs solutions sont mises en œuvre pour cela : le CCD Full-Frame (FF) (avec obturateur mécanique auxiliaire) ; le CCD à transfert segmenté (FT) ; le CCD à transfert par interlignes (IT) et ; le CCD à transfert segmenté par interlignes (FIT). Exposition : incidence directe, rétro-incidence Sur la plupart des puces CCD, c'est la face supérieure de la lamelle de silicium, c'est-à-dire celle sur laquelle on a placé les structures semi-conductrices, qui est éclairée (front-side-illuminated CCD). À la surface se trouvent certaines structures non-photosensibles (par exemple des électrodes en silicium polycristallin) : ce sont surtout les longueurs d'onde courtes (bleues, violettes et ultraviolettes) qui y sont en partie absorbées. Mais cette coupure du spectre est évitée dans les CCD rétro-illuminés : dans ces composants, la face postérieure de la plaquette de silicium est polie et gravée sur une épaisseur de , puis accolée à la face postérieure de la couche photosensible. Cette technique est fort coûteuse : aussi n'y a-t-on recours que pour les ondes courtes nécessitant une haute efficacité quantique, par exemple en spectroscopie ou en astronomie. Un inconvénient des CCD rétro-illuminés est leur inégale sensibilité spectrale pour les longueurs d'onde les plus élevées, car les multiples reflets de la lumière par réflexion totale entre les faces provoque des interférences superficielles (etaloning), exactement comme dans un interféromètre de Fabry-Perot.
Les capteurs couleur : filtres et forme des pixels vignette|Mosaïques chromatiques d'un capteur mono-CCD
Pour la détection d'images en couleur il faut utiliser des capteurs avec des pixels de sélectivités spectrales différentes. Par un post-traitement des signaux des pixels occupant un même secteur de l'image, on peut déterminer des grandeurs macroscopiques comme la teinte ou le contraste.
En 2020, deux principales méthodes sont utilisées : systèmes d'analyse en couleurs primaires par deux miroirs semi-réfléchissants et prismes à réflexion totale, et traitement par trois capteurs spécialisés chacun dans une primaire (capteur à triple CCD) ; vignette|Matrice de Bayer systèmes à un seul capteur (le plus souvent sous forme de matrice de Bayer) muni d'un masque d'absorption chromatique. Les composants exploitant la différence de profondeur de pénétration dans le silicium des photons de longueurs d'onde bleues et rouge (capteur Foveon-X3), ne sont pas utilisés dans les CCD.
Capteurs à triple CCD Les appareils photo numériques milieu de gamme comportent déjà des capteurs à triple CCD. Ce sont des capteurs relativement petits (de 1/6″ pour les appareils amateur, à 2/3″ pour les professionnels). Ils exigent une optique de distance focale élevée, au minimum 1,6 fois la diagonale du capteur, afin de ménager suffisamment de volume pour y loger le prisme dispersif. La lumière emmagasinée y est analysée de façon optimale et même avec une courte diagonale, ces appareils offrent un bon rapport signal-bruit et un excellent rendu des couleurs.
Le prisme se trouve juste derrière l'objectif, et un capteur CCD est appliqué contre chacune des faces d'émergence des rayons lumineux. La préparation de ces prismes équipés de CCD exige la plus grande précision du laboratoire de fabrication, afin d'assurer la couverture de toute la plage chromatique.
Le capteur Bayer
Formes des pixels des capteurs monochromes et couleur vignette|Juxtaposition des différentes géométries de pixel. Les CCD à pixels carrés équipés de filtre couleur RGGB (à matrice de Bayer) ont de loin les plus grosses parts de marché. D'autres formes de pixel (rectangulaire, hexagonal, triangulaire, rhombique, octo-rectangulaire) et d'autres combinaisons de filtres couleur (monochrome, RGGB, RGBW, RGBE, CYGM, CMYW, combinaison Super-CCD-EXR) sont évidemment possibles. Celle du capteur (brevet Fuji) se présente comme un empilement compact en nid d'abeille de pixels octogonaux, et optimise ainsi la densité de surface en cellules. La taille des cellules photosensibles à la surface du capteur peut être hétérogène : cela améliore sa réponse dynamique.
Erreurs de détection Compensation des erreurs systématiques, calibration Différences de contraste Pour compenser les différences de contraste de l'image résultant de la présence d'impuretés à la surface du CCD (poussière), d'une sensibilité hétérogène des pixels, ou des défauts spécifiques de l'optique utilisée (vignettage, enfin des reflets), et pouvoir les masquer, l'image enregistrée est recomposée par déconvolution de son fond clair (correction flat-field) puis multipliée par convolution avec la valeur moyenne de ce fond clair. Pour éliminer le bruit d'image dû au courant d'obscurité, on procède en outre sur les photos à temps de pause (par exemple : en astrophotographie) à une synthèse soustractive avec un fond sombre (Dark-frame subtraction). Le résultat est une image calibrée.
Les images ci-après montrent l'effet de cette calibration dans le cas d'une photo d'astronomie. L'image brute présente une multitude de pixels chauds, c'est-à-dire clairs, correspondant à la variation de sensibilité entre pixels. Ce bruit de fond de l'image masque les étoiles les moins lumineuses. L'empoussièrement de la puce photosensible cause des taches sombres.
Pour calibrer l'image, on utilise deux enregistrements : un noir enregistré à la même température d'ambiance que l'image brute, avec le même temps d'exposition et à obturateur fermé, qui caractérise le courant d'obscurité qui s'établit pendant l'exposition ;