Capteur photographique

Un capteur photographique est un composant électronique photosensible permettant de convertir un rayonnement électromagnétique en un signal électrique analogique.



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  • Capteurs CCD : Un capteur photographique est un composant électronique... à chaque élément actif (photosite) d'une matrice de capteurs élémentaires... (source : pagesperso-orange)
Des capteurs identiques sont utilisés dans différents équipements : caméras diverses, caméscope, scanner surtout. Cet article est consacré à ceux utilisés pour la photographie.

Un capteur photographique est un composant électronique photosensible permettant de convertir un rayonnement électromagnétique (UV, visible ou IR) en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite augmenté, puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Le capteur est par conséquent le composant de base des appareils photo numériques, l'équivalent du film en photographie argentique.

Le capteur photographique met à profit l'effet photoélectrique, qui permet aux photons incidents d'arracher des électrons à chaque élément actif (photosite) d'une matrice de capteurs élémentaires constitués de photodiodes. 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 à peu près 5 % de photons qui révèlent le grain photosensible de la pellicule, d'où son essor d'origine en astrophotographie.

Deux grandes familles de capteurs sont disponibles : les CCD et les CMOS.

Les CCD sont en particulier utilisés dans les appareils compact et de plus en plus délaissés dans les reflex. Les appareils reflex quant à eux, utilisent surtout des capteurs CMOS (en 2009).

Les capteurs CCD

Un capteur CCD

Le CCD (Charge-Coupled Device, ou système à transfert de charge) est le plus simple à fabriquer, a une bonne sensibilité, mais, du fait de son principe, le transfert de charge, est assez lent. Découvert par George E. Smith et Willard Boyle dans les Laboratoires Bell en 1969 (cette invention leur rapportera le Prix Nobel de physique en 2009), il a rapidement été adopté pour des applications de pointe (imagerie astronomique) puis popularisé sur les caméras et appareils photo.

Principe

CCD «à transfert interligne», transfert de charge suivant la flèche verte

Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit en paires électron-trou par effet photoélectrique dans le substrat semi-conducteur, puis collecte les électrons dans le puits de potentiel maintenu à chaque photosite. 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 appliquées aux grilles (bandes conductrices horizontales, isolées entre elles par une couche de SiO2) jusqu'au registre horizontal (Lancer une animation).

Elles sont transformées en tension, proportionnelle au nombre d'électrons, dans la capacité d'une diode «flottante». Ce signal sera, hors du CCD, filtré par un circuit à «double échantillonnage corrélé» avant d'être augmenté et numérisé.

Ces électrodes sont isolées par une couche de SiO2, complétée par l'action d'une fine zone dopée «n», le «canal enterré» (buried channel), du substrat de type «p».

Plein Cadre

Trois types de CCD se sont succédé et cœxistent toujours :

On sait actuellement (2009) fabriquer des CCD «plein cadre» de 50 mégapixels (surface utile de 40 × 54 mm).

Interligne

On sait actuellement (2009) fabriquer des CCD interlignes de 20 mégapixels (surface utile de 24 × 36 mm).

Dans l'ensemble des CCD, le bruit (électrons parasites) augmente particulièrement fortement avec la température : il double l'ensemble des 6 à 8 °C. C'est pourquoi on doit refroidir les CCD pour l'astrophotographie utilisant de très longs temps de pose. Dans les photoscopes le temps d'exposition utilisable à température ambiante est de l'ordre de la minute, un photosite se remplissant par le jeu des diverses fuites en 5 à 10 minutes.

Couleurs

Filtre de Bayer RGB

Naturellement, ces capteurs sont sensibles à la totalité du spectre de la lumière visible. Grâce à un filtre, dit de Bayer, constitué de cellules colorées des couleurs primaires, chaque photosite du capteur ne voit qu'une seule couleur : rouge, vert ou bleu. Sur chaque groupe de quatre photosites on trouve un pour le bleu, un pour le rouge et deux pour le vert ; cette répartition correspond à la sensibilité de notre vision.

Du fait de la précision requise, les pastilles colorées du filtre sont déposées directement sur le capteur avec une technologie proche de la photolithographie des circuits intégrés, de même que le réseau de micro-lentilles.

C'est le logiciel du photoscope qui va recréer les couleurs, en tenant compte des courbes de réponse spectrale pour un résultat final en trichromie ; un des problèmes est de limiter le bruit électronique qui se traduit par des effets de moiré sur les zones de faible lumière par de judicieux compromis lors du traitement d'image (interpolation, filtrage : voir Traitement du signal).

Une innovation visant à perfectionner le rendu des couleurs a été introduite par Sony début 2004, le filtre 4 couleurs RGBE (R = red/rouge, G = green/vert, B = blue/bleu, + E pour emerald, équivalent au Cyan). Elle a été utilisée dans l'appareil DSC-F828.

Progrès constants

Amélioration des capteurs CCD

Des améliorations sont régulièrement apportées aux capteurs CCD de manière à en perfectionner la sensibilité en augmentant la surface active :

Les capteurs Foveon

Le capteur X3 met à profit le fait que les grandes longueurs d'onde de la lumière pénètrent plus profondément dans le silicium.

Ce capteur permet la capture des trois couleurs rouge, vert et bleu par un seul photosite, au moyen de trois couches de silicium recouverte de photosites et disposées en sandwich et filtrées chacune par un filtre bleu, vert ou rouge; Chacune des couches de photo-récepteurs est exactement espacée assez aux longueurs d'onde bleue, verte, rouge de la lumière visible. Pour simplifier nous pourrons dire qu'en recevant un rayon incident la couche superficielle du silicium arrête le bleu, que la couche médiane arrête le vert et enfin que le rouge est stoppé par la couche inférieure, comme l'illustre la figure ci-contre.

Le X3 (nom du capteur) a été développé par la société américaine Fovéon.

Au contraire de un photosite de capteur CCD qui capture uniquement une couleur primaire (rouge, vert ou bleu), un photosite de capteur X3 recueille une composante RVB. Ceci nécessite par conséquent nettement moins d'électronique de calcul, puisque la couleur est directement obtenue sur le photosite et plus après traitement électronique des couleurs de quatre photosites. C'est un avantage en termes de coût de fabrication, mais également en termes de qualité. En effet, l'absence de calculs et d'interpolations nous donne le droit d'espérer des images plus «propres», et permettrait aussi un rythme de prises de vues plus rapide (mode rafale).

Son utilisation est rare (quelques modèles de la marque Sigma).

Les capteurs CMOS

PD = photodiode

Les capteurs CMOS (Complementary metal oxide semi-conductor) sont apparus dans les années 1980, à la suite des matrices de photodiodes comme le résultat de l'intégration de cellule composée d'une photodiode et d'une logique d'augmentcation puis d'obturation. Ils sont plus complexes à fabriquer mais sont produits selon des techniques classiques de micro-électroniques et par conséquent peuvent avoir des dimensions importantes (24 mégapixels). Ils sont aussi largement utilisés pour les capteurs AF des appareils reflex.

De la même façon que énormément de CCD, les capteurs CMOS pour image couleur sont associés à un filtre coloré et un réseau de lentilles, toujours plus indispensable vu la faible surface relative de la photodiode, seule zone sensible.

CMOS ou CCD ?

Jusqu'à il y a peu de temps, les capteurs CCD étaient de loin les plus populaires.

Depuis 2002, les avantages intrinsèques des capteurs CMOS leur permettent de rivaliser :

Ils offrent aussi la possibilité d'une lecture particulièrement rapide d'un sous-ensemble du capteur.

Les capteurs CCD gardent des avantages :

Leurs inconvénients :

Enfin les capteurs CMOS sont moins «transparents» que les CCD, puisque on observe bien un effet de masque, les capteurs HD CCD étant reconnus pour leur meilleur rendu global, et par conséquent sont prisés en astrocam.

Les performances des capteurs

Article connexe : Course aux mégapixels.

La résolution maximale d'un capteur dépend du nombre de photosites qui permettra d'obtenir tout autant de pixels grâce à une interpolation astucieuse. Le CMOS est plus fiable que le CCD. L'efficacité quantique du capteur est définie par le rapport électrons produits/photons incidents (ce qui est un point commun avec le principe de base de la photographie argentique). Elle est en particulier fonction de la taille de la partie active de chaque photosite (c'est-à-dire la surface de capture des photons).

La réduction de la surface des photosites impacte en particulier la dynamique (CCD) et le niveau de bruit (CCD et CMOS) ce qui freine la course aux mégapixels. La dynamique d'un capteur CCD est le plus souvent évaluée par la formule : Dynamique = 20*log\left( \frac{Capa}{Courant+Bruit}\right )
où la dynamique est obtenue en dB (décibels)  ; «Capa» (la capacité de stockage d'un photosite), «Courant» (le courant d'obscurité) et «Bruit» (le bruit de lecture) sont évalués en électrons.

Pour comparer cette sensibilité à la sensibilité nominale des films argentiques, on a défini une sensibilité ISO des dispositifs numériques (voir détermination de la sensibilité ISO, selon la norme internationale ISO 12 232).

Caractéristiques des capteurs pour photoscope

Le tableau ci-après donne les dimensions courantes des capteurs CCD ou CMOS utilisés en 2006 dans les appareils photo numériques accessibles. D'autres dimensions sont disponibles, en plus petit (utilisés surtout dans les téléphones cellulaires ou les Camera web ou en plus grand (appareils photo grand format).

Mpixels Format Ratio L/H Largeur Hauteur Diagonale Surface Rapport
10 1/2, 5" 4 :3 5, 1 3, 8 6, 4 20 6, 8x
12 1/1, 8" 4 :3 7, 1 5, 3 8, 9 39 4, 9x
8 1/1, 7" 4 :3 7, 5 5, 6 9, 4 43 4, 6x
8 1/1, 6" 4 :3 8, 0 6, 0 10, 0 49 4, 3x
12 2/3" 4 :3 8, 8 6, 6 11, 0 59 3, 9x
18 4/3" 4 :3 17, 8 13, 4 22, 3 243 2x
8 22x15 mm 3 :2 22 15 26, 7 329 1, 6x
12, 1 23, 6x15, 8 mm 3 :2 23, 6 15, 8 28, 2 382 1, 5x
10 28, 77 x 18, 7 mm 3 :2 28, 77 18, 7  ? 538 1, 3x
25 36x24 mm 3 :2 36 24 43, 3 900 1x

Les dimensions sont en mm, la surface en mm². Les mégapixels indiqués sont indicatifs des meilleures définitions disponibles dans chaque dimension à mi-2009. Le «rapport», qu'on appelle aussi «cœfficient de multiplication», est le multiplicateur à appliquer à la longueur focale de l'objectif pour obtenir la longueur focale correspondant au même angle de cadrage en 24 x 36.

Les capteurs de plus grande définition équipent l'équivalent des moyen format (6 x 4, 5 ou 6 x 6) et atteignent 39 mégapixels (capteur 37 x 49 mm)  ; quant au prix, il faut multiplier par 25...

Pour l'anecdote, l'habitude de noter les dimensions en fraction de pouce vient des anciens tubes de prise de vue d'un pouce de diamètre dont la diagonale de la zone sensible était de 16 mm. Le format est par conséquent indiqué en fraction (approximative) de cette diagonale.

Voir aussi

Liens externes

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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