Photographie/Acquisition des images/Les capteurs d'images
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Fabricants et marques de produits et de matériels Personnalités du monde de la photographie Éditeurs de cartes postales photographiques Thèmes ▪
Bibliographie
■ préface - SOMMAIRE COMPLET ■ notions fondamentales et conseils pour les débutants ■ aspects esthétiques, thèmes photographiques ■ références scientifiques ■ photométrie, colorimétrie, optique ■ appareils, objectifs, éclairage, accessoires, entretien ■ procédés chimiques ■ procédés numériques ■ caractéristiques physiques des images, densité, netteté ■ compléments techniques et pratiques ■ photographie et vie sociale, histoire, enseignement,institutions, droit... | ||||||
Transducteur, capteur, instrument de mesure, etc.
modifierUn appareil photographique numérique a pour mission d'enregistrer aussi fidèlement que possible l'image d'une scène choisie par le photographe. Pour ce faire, il doit fondamentalement mesurer la lumière en de multiples points, plusieurs millions actuellement. En ce sens, il constitue une sorte de chaîne de mesure dont l'un des éléments essentiels est désigné sous le nom de capteur.
Il est important de bien préciser ici quelques éléments de vocabulaire, car la tendance des photographes est d'utiliser un jargon parfois très éloigné du langage habituel des scientifiques et des techniciens.
Chaîne de mesure
modifierUne chaîne de mesure est une succession d'appareils et d'éléments assurant la transmission et la transformation de l'information entre l'élément sensible à la grandeur à mesurer et le résultat de la mesure. Une chaîne de mesure reçoit une grandeur d'entrée, appellée parfois mesurande, et fournit en retour un résultat de mesure.
Transducteur
modifierUn transducteur (transducer) est un élément de liaison entre le monde physique et l'instrumentation proprement dite. Il donne une « image » de la grandeur physique à mesurer sous la forme d'une autre grandeur mesurable, ou à l'inverse, il convertit une grandeur engendrée par le système de mesure en une autre grandeur physique permettant d'agir sur le processus. Le but d'un transducteur n'est pas toujours d'intervenir dans une action de mesurage : dans le cas des amplificateurs ou des atténuateurs, qui sont des transducteurs particuliers, la grandeur de sortie est de même nature que la grandeur d'entrée mais elle prend par définition des valeurs respectivement plus élevées ou plus basses.
Capteur
modifierLe terme capteur (sensor) a un sens très général dans le domaine des mesures physiques. Un capteur est un élément qui intervient dans une opération de mesure, de détection, etc. Lorsqu'il s'agit de mesure, la grandeur physique à mesurer, ou grandeur d'entrée (longueur, température, éclairement, accélération, pression, etc.), est convertie en une autre grandeur dite de sortie, plus facile à utiliser. On peut aussi chercher à détecter la présence d'un objet situé à proximité, d'un gaz, d'une fumée, etc. Dans ce cas le capteur fonctionne par tout ou rien, le basculement entre les deux positions s'effectuant lorsque la grandeur d'entrée atteint un certain niveau.
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un accéléromètre piézoélectrique -
un capteur de niveau magnéto-résistif -
une sonde de température : le gaz contenu dans un « bulbe » se dilate sous lorsque la température augmente et agit sur une membrane reliée à un interrupteur électrique -
un détecteur de présence permet de commander de manière optimale la circulation alternée des véhicules
La grandeur de sortie est en quelque sorte l'« image » de la grandeur d'entrée, elle constitue un signal susceptible d'être lu directement par un observateur humain ou interprété par un autre dispositif. Pour ce faire, un capteur comporte au moins un transducteur, parfois plusieurs. Par exemple, un thermomètre à mercure ou à alcool contient un liquide qui se dilate ou se contracte sous l'effet de la température, laquelle peut être lue directement en observant le niveau de ce fluide pénétrant plus ou moins dans un fin tube calibré. La présence d'une graduation permet de traduire le résultat de l'observation sous la forme d'une valeur numérique. Un thermocouple produit une tension électrique d'autant plus forte que la température est plus élevée, cette tension étant elle-même mesurée par un voltmètre qui la représente sous forme de la rotation d'une aiguille ou d'un nombre affiché sur un écran.
Les capteurs sont utilisés dans un très grand nombre d'objets d'usage courant : appareils électroménagers, ascenseurs, thermostats, automobiles, avions, appareillages médicaux, systèmes robotisés et bien sûr, appareils photographiques numériques. Ces derniers sont tous construits autour d'un capteur d'images, un composant qui regroupe en fait plusieurs millions de petits capteurs élémentaires, ou photosites, dont chacun fournit un signal électrique à partir de la quantité de lumière qu'il reçoit.
Un capteur analogique délivre un signal variable de façon continue, tandis qu'un capteur numérique fournit un signal codé appartenant à un ensemble prédéfini de signaux possibles. Il y a la même différence entre un capteur analogique et un capteur numérique qu'entre un plan incliné et un escalier. Sur le premier, on peut se tenir à n'importe quelle hauteur entre le point le plus bas et le point le plus haut, tandis que sur le second, on ne peut se tenir que sur l'une des marches constituant l'escalier. Il y a donc « discrétisation » de la hauteur, et celle-ci varie de façon d'autant plus « grossière » et brutale que les marches sont moins nombreuses et plus espacées. On peut au contraire imaginer un escalier dont les marches seraient si nombreuses et si basses que l'on ne verrait en pratique plus aucune différence avec un vrai plan incliné.
pour en savoir plus : voir dans ce livre : techniques analogiques et techniques numériques
La confusion des termes transducteur et capteur est assez fréquente, mais fautive ; cependant, elle n'occasionne généralement aucune véritable gêne pour la bonne compréhension des choses.
Instrument de mesure
modifierDans un appareil de mesure, la grandeur d'entrée est la grandeur à mesurer, la grandeur de sortie est directement accessible à l'opérateur : rotation d'une aiguille, niveau de liquide dans un tube calibré, ou de plus en plus souvent un module d'affichage numérique.
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un manomètre avec lecture de la pression sur un cadran -
un anémomètre avec lecture numérique directe de la vitesse du vent -
ce luxmètre comporte au moins deux transducteurs : la sonde fournit une tension électrique variable selon l'éclairement qu'elle reçoit, cette tension est ensuite transformée dans un voltmètre qui affiche le résultat de la mesure. Les appareils anciens comportaient une graduation et une aiguille mobile, les plus récents offrent un affichage numérique direct.
Modèle mathématique
modifierLe modèle mathématique d'un transducteur traduit la loi physique qui relie la grandeur de sortie et à la grandeur d'entrée. L'idéal est que cette relation soit « linéaire », c'est-à-dire que la grandeur de sortie soit proportionnelle à la grandeur d'entrée, mais c'est loin d'être toujours le cas.
Étendue de mesure
modifierL'étendue de mesure représente le domaine des valeurs du mesurande dans lequel le modèle mathématique est valable.
Sensibilité
modifierLa sensibilité caractérise l'ampleur des variations de la grandeur de sortie par rapport à celles de la grandeur d'entrée. Par exemple, un thermomètre à mercure dont la colonne monte de 1 cm à chaque fois que la température augmente de 1°C a une sensibilité de 1 cm/°C. Attention, cette définition est sensiblement différente de la notion de sensibilité d'une émulsion ou de la sensibilité apparente d'un capteur d'images, telle qu'on l'emploie dans le vocabulaire photographique.
Bruit interne
modifierLe bruit interne est un signal aléatoire qui se superpose à l'information pertinente. Il résulte de multiples facteurs, tels que l'agitation thermique dans les résistances, les phénomènes de conduction mal maîtrisés dans les jonctions des semi-conducteurs, etc. Ce bruit est généralement négligeable par rapport au signal pertinent lorsque celui-ci est fort, mais il n'en est pas de même lorsque ce signal est faible.
Dans les capteurs d'images, le bruit se manifeste par l'apparition de pixels colorés de façon aléatoire et qui deviennent particulièrement gênants dans les ombres des images, là où le signal électrique de sortie est faible. Ce bruit peut donc altérer gravement la qualité des images enregistrées et nous lui consacrerons plus loin une étude plus complète.
- pour en savoir plus : voir la page spécialement consacrée au bruit numérique
Les capteurs d'images
modifierHistorique
modifierL'idée d'enregistrer directement les images sous forme électronique plutôt que sous forme chimique date déjà de plusieurs décennies. Les avantages d'une telle solution étaient prévisibles, mais la réalisation pratique de capteurs d'une qualité suffisante a demandé beaucoup de temps et de travail. Il fallait par ailleurs disposer de systèmes performants de mise en mémoire des informations enregistrées, ce qui constituait un autre frein à la généralisation de ces procédés.
En 2009 la grande mutation de l'argentique vers le numérique est en train de s'achever. C'est l'apparition des capteurs électroniques et la multiplication des ordinateurs personnels qui l'ont à la fois provoquée et permise.
Comme chacun le sait, longtemps, le format 24 x 36 a été de loin le plus largement utilisé dans le domaine de la photographie « conventionnelle », aussi bien chez les amateurs que chez les professionnels. En revanche, tout le monde ou presque a oublié que les premiers capteurs utilisés dans les appareils reflex numériques destinés aux professionnels étaient eux aussi au format 24 x 36, ce qui permettait évidemment d'utiliser en partie les structures éprouvées des boîtiers argentiques et leur gamme optique complète ; ces capteurs n'offraient toutefois qu'un nombre finalement très limité de pixels, c'est-à-dire une faible définition d'image, et ceci pour un prix absolument prohibitif.
Très vite, d'autres appareils de type « compact » se sont répandus, avec des capteurs minuscules mais un nombre de pixels qui est passé en peu d'années de quelques centaines de milliers à plusieurs millions. Soit dit en passant, les opticiens ont dû s'adapter et fournir des objectifs très petits, mais dotés d'un pouvoir séparateur très élevé. Très vite aussi, les téléphones mobiles ont été dotés de systèmes photographiques incorporés, avec des capteurs de surface utile limitée à quelques millimètres carrés.
Il a fallu attendre un peu pour voir naître un véritable développement des appareils reflex numériques. Diverses considérations économiques mais aussi techniques, parmi lesquelles la nécessité de réaliser des viseurs suffisamment lumineux, interdisaient de les doter de capteurs aussi petits que leurs cousins compacts. On a donc vu apparaître des formats voisins du 18 x 24 ou « demi-format 24 x 36 » utilisé auparavant par quelques appareils argentiques fabriqués par Canon, Olympus et quelques autres marques. Les capteurs au format DX utilisés par Nikon mesurent 16,7 x 25,1 mm, tandis que les capteurs dits « APS-C » en souvenir du défunt « nouveau format » argentique APS, mesurent en principe 15,1 x 22,7 mm mais parfois un peu plus, jusqu'à environ 17 x 25 mm, selon les marques et les appareils. Le capteur au format « Four-Thirds » lancé par Olympus est encore plus petit, avec 13 x 17,3 mm.
Parallèlement, des appareils reflex de prix plus abordable comportant un capteur de dimensions proches du format 24 x 36, dits « full-frame » ou « plein format » ont fait leur apparition. Le format FX de Nikon correspond à 23,9 x 36 mm. En 2008, ces appareils ont commencé à réaliser une percée qui se confirme en 2012. Si le format des capteurs montés sur les appareils reflex tend à croître, il n'en est pas de même pour les compacts et les bridges qui sont au contraire de plus en plus miniaturisés.
Généralités
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Le capteur d'images est l'organe photosensible de base de tous les appareils numériques. Il fournit des signaux électroniques qui sont convertis en données numériques et traités par un processeur, ce qui permet par la suite d'obtenir une image finale observable par un œil humain.
Les capteurs d'images sont constitués d'un très grand nombre d'éléments sensibles, ou photosites, qui réagissent fondamentalement à la lumière et non aux couleurs. Leur domaine de sensibilité étant beaucoup plus étendu que celui de l'œil humain, il est tout d'abord nécessaire de limiter au domaine visible le rayonnement qu'ils reçoivent en éliminant par un filtrage global les rayonnements invisibles infrarouge et ultraviolet, afin que leur « vision » soit conforme à notre perception des choses. Ensuite, il faut les « spécialiser » en ne leur permettant de recevoir qu'une partie du spectre correspondant à l'une des trois couleurs primaires rouge, vert et bleu.
Il existe toutefois quelques appareils destinés à fournir des images en fausses couleurs utilisant l'infrarouge et/ou l'ultraviolet, dans ce cas les filtres seront bien sûr différents de ceux des appareils ordinaires.
Pour restituer une image conforme autant que possible à la vision humaine, il faut pouvoir enregistrer à la fois les nuances colorées et les luminosités. L'invention déterminante dans ce domaine est due à Bryce Bayer, un chercheur des laboratoires Kodak qui a fait breveter en 1975 le réseau de filtres rouges, verts et bleus qui porte son nom et que l'on trouve, parfois sous une forme un peu différente, dans la quasi totalité des appareils numériques.
Bryce Bayer s'est vu décerner le 17 novembre 2009 le Progress Award de la Royal Photographic Society.
Le filtre de Bayer permet à un simple capteur CCD ou CMOS d'obtenir une image colorée en utilisant une seule surface à la place d'un ensemble cher et compliqué comprenant trois capteurs situés derrière un système de répartition du faisceau lumineux.
Chaque photosite réagit à l'éclairement coloré qu'il reçoit en fournissant un signal électrique d'autant plus intense qu'il reçoit plus de lumière. La combinaison des signaux fournis par un ensemble de photosites voisins sensibles aux trois couleurs rouge, vert et bleu permet par la suite de caractériser la couleur de l'élément d'image correspondant, ou pixel. Dans la matrice de Bayer, ces signaux combinés proviennent d'un photosite sensible au rouge, de deux photosites sensibles au vert et d'un photosite sensible au bleu, il y a donc 4 photosites par pixel. Dans certains capteurs, comme nous le verrons, les pixels sont obtenus à partir d'un nombre plus important de photosites.
Il existe deux principales familles de capteurs : les capteurs CCD (Charge-Coupled Device) et les capteurs CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Les capteurs CCD et CMOS ont des caractéristiques différentes et le choix entre les deux familles dépend des applications envisagées. La fabrication des capteurs CCD repose sur des techniques déjà utilisées dans les années 1960 pour la fabrication de composants informatiques ; les capteurs CMOS sont arrivés plus récemment, la qualité des premières productions était relativement médiocre mais ceux que l'on fabrique actuellement offrent des performances très élevées.
Les divers types de capteur
modifierLes capteurs CCD
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Ils ont été inventés en 1969 dans le laboratoire Bell de Murray Hill (New-Jersey, États-Unis) par William S. Boyle et George E. Smith. Ces deux physiciens ont reçu, à ce titre, deux des prix Nobel de physique 2009.
Ce sont les capteurs CCD qui ont permis l'apparition de la vidéo numérique, puis l'essor des appareils numériques, particulièrement celui des appareils compacts. En 2010 ils restent encore un peu plus sensibles à la lumière que les capteurs CMOS, tout en engendrant un peu moins de bruit numérique. Ils sont toutefois plus coûteux que les capteurs CMOS et plus difficiles à intégrer dans les appareils photographiques. Ils sont également beaucoup plus gourmands que les capteurs CMOS et peuvent consommer jusqu'à 100 fois plus d'énergie que ces derniers, toutes choses étant égales par ailleurs.
Les capteurs CMOS
modifierIls offrent désormais une qualité d'image presque équivalente à celle de leurs homologues CCD. Dans la mesure où ils comportent au niveau des photosites une partie des circuits électroniques nécessaires à leur utilisation, ils permettent de réduire le coût des appareils, tout en permettant de disposer d'un nombre plus important de fonctions. Leur temps de réponse est plus court, ils s'échauffent moins et permettent également d'obtenir un encombrement plus faible. Ces avantages se manifestent d'autant plus que la résolution est plus élevée.
Les capteurs Foveon
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Dans ces capteurs dont la conception est radicalement différente des précédents, les photosites ne sont plus juxtaposés mais superposés.
Caractéristiques fondamentales des capteurs
modifierL'une des caractéristiques les plus importantes d'un capteur est sa sensibilité. En photographie, on essaie de réaliser des photosites capables de réagir à des niveaux de lumière extrêmement faibles, de façon à autoriser la prise de vues dans des conditions de très faible éclairage.
Un autre caractéristique importante est l'étendue de mesure. En-dessous d'une certaine valeur de la grandeur à mesurer, d'un certain seuil, aucun signal n'est décelable et donc aucune mesure n'est possible. Au-dessus d'une autre valeur plus grande, le signal n'augmente plus, il se produit un effet de saturation qui rend à nouveau toute mesure impossible. Entre les deux, le signal varie selon une loi caractéristique qui permet d'obtenir la valeur recherchée. L'étendue de mesure, que l'on appelle parfois « dynamique », est d'autant plus grande que l'écart des valeurs du seuil de sensibilité et du seuil de saturation est plus important. Dans l'état actuel des techniques, les capteurs ne font guère mieux que les pellicules argentiques sur ce point, et leur « dynamique » reste beaucoup plus faible que celle de l'œil, ce qui ne va pas sans poser de problèmes pratiques.
Formats des capteurs
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Les problèmes techniques liés aux dimensions des capteurs
modifierMégapixels et qualité des images
modifierLes millions de minuscules éléments photosensibles, ou photosites, présents sur un capteur doivent se partager une quantité de lumière d'autant plus faible que la surface réceptrice est plus petite. De plus, une bonne partie de la surface des capteurs reste en réalité inutilisée car il faut bien installer les conducteurs électriques chargés de transmettre les signaux aux circuits électroniques de l'appareil. Il est facile de comprendre qu'avec un nombre identique de pixels, la quantité de lumière reçue par chaque photosite sera plus importante pour un grand capteur que pour un petit. Le signal électronique envoyé sera plus pur, moins entaché par le bruit numérique, particulièrement dans les zones les plus sombres de l'image. On peut bien sûr réduire le bruit électronique par voie logicielle, mais c'est toujours plus ou moins au détriment de la netteté des images.
Un capteur de format proche de 24 x 36 reçoit environ 2,5 fois plus de lumière qu'un capteur APS-C. Si leur nombre n'a pas été exagérément augmenté, les photosites sont plus larges et offrent également une meilleure « dynamique », c'est-à-dire qu'ils sont capables de différencier les niveaux lumineux sur une étendue plus large, offrant donc un meilleur rendu des couleurs et des valeurs, en particulier dans les zones sombres du sujet.
L'avantage procuré par des photosites plus grands disparaît lorsque, à surface égale du capteur, on cherche à augmenter le nombre de pixels. Cette augmentation, si elle se fait conjointement avec l'utilisation d'objectifs « de course », permet bien entendu d'obtenir des agrandissements de très grand format où les pixels restent discrets. En contrepartie, elle fait grimper très fortement le coût des capteurs et donc des appareils qui les utilisent, sans pour autant fournir de meilleures images pour des agrandissements de format inférieur à A3. Bien entendu, elle n'a aucun intérêt d'aucune sorte si les photographies sont destinées à l'examen sur un écran informatique et a fortiori avec un vidéoprojecteur. Il ne faut pas oublier non plus qu'en photographie numérique, si les photographies ratées ne coûtent rien ou presque, il n'en est pas de même pour les photographies réussies qu'il faut stocker, traiter, trier, etc.
Compatibilité des objectifs
modifierLes photographes qui possèdent une gamme d'objectifs importante pour leur boîtier 24 x 36 sont tentés de réutiliser leurs « cailloux » sur leurs boîtiers reflex numériques. Si la compatibilité mécanique est obtenue, ce qui est généralement le cas pour toutes les montures autofocus des grandes marques, l'utilisation de capteurs plus petits que 24 x 36 fait que le champ embrassé par ces objectifs est également plus étroit. En fait tout se passe comme si l'on ne conservait que la partie centrale de l'image 24 x 36 et par conséquent, comme si la distance focale se trouvait augmentée dans un rapport de 1,5 ou 1,6 selon le capteur utilisé. Les très coûteux objectifs grand-angulaires achetés pour le boîtier argentique n'offrent alors plus qu'un angle très restreint, un 17 mm fait à peine mieux qu'un 28 mm en 24 x 36, un 24 mm un peu moins bien qu'un 35 mm, un 50 mm devient l'équivalent d'un petit téléobjectif. Un zoom transtandard 28-80 mm devient à peu près un 45-128 mm, et ainsi de suite. Si cette diminution de l'angle est un grave inconvénient pour les courtes focales, elle devient au contraire un avantage pour les longues focales, un 200 mm devenant l'équivalent d'un 300 ou 320 mm, un 500 mm d'un 750 ou 800 mm, etc., puisque cet allongement apparent de la focale se fait sans augmentation du poids du fourre-tout et sans dépense supplémentaire.
Les amateurs de photographie de nature, et en particulier ceux qui « chassent » des animaux aussi difficiles à approcher que l'isard ou la grue cendrée, sont devenus « accros » des boîtiers reflex à petits capteurs qui leur permettent d'épargner à la fois leurs vertèbres et les finances du ménage. Cependant, l'augmentation apparente de focale n'explique pas à lui seul cet enthousiasme, comme nous le verrons plus loin.
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En rouge, la zone couverte par une image 24 × 36 mm. À l'intérieur, en bleu, la zone couverte par un capteur au format Nikon DX. -
Couverture assurée sur le format 24 x 36 par un objectif dédié au format DX ou APS-C
Pour retrouver les grands angles de prise de vues, il faut au moins compléter sa gamme d'objectifs par de nouveaux objectifs à focale très courte tels que des focales fixes de 10 ou 12 mm, ou encore des zooms tels que 10-20 mm ou 12-24 mm par exemple. Ces objectifs sont malheureusement à peu près aussi onéreux que leurs équivalents pour le 24 x 36, mais si leur cercle de couverture convient parfaitement à des formats de capteurs du type APS-C, en revanche ils ne permettent plus de couvrir le format 24 x 36 ; leur utilisation sur les boîtiers argentiques donnerait des images incomplètes, noires aux extrémités.
Les « heureux » possesseurs de ces objectifs devront bien évidemment s'en débarrasser à prix bradé s'ils décident de passer définitivement du format APS-C ou DX aux grands capteurs. Et on leur conseille même de prier le ciel pour que les fabricants continuent de maintenir une offre suffisamment étoffée en APS-C lorsque les capteurs 24 x 36 seront devenus les plus courants, ce qui ne demandera vraisemblablement qu'un petit nombre d'années. Il faut malheureusement se rendre à l'évidence, la photographie numérique est devenue à bien des égards le domaine du matériel jetable.
Naturellement, ceux qui possédaient une grosse collection d'optiques haut de gamme destinées aux boîtiers argentiques 24 x 36, et qui ont eu la bonne idée de ne pas s'en débarrasser, seront très heureux de pouvoir réutiliser ce matériel, malgré quelques restrictions éventuelles, sur leur tout nouveau boîtier « plein format ».
Facteur de multiplication de focale et illusions associées
modifierUtilisons le même objectif, par exemple un 200 mm, sur un boîtier reflex numérique muni d'un capteur « plein format » (FX...) 24 x 36 mm, puis sur un autre boîtier muni d'un capteur « demi format » (DX ou APS-C...) dont la surface vaut grosso modo la moitié du précédent.
Avec le boîtier demi format, le cadrage correspond à celui que l'on obtiendrait sur l'appareil plein format avec une focale de l'ordre de 300 mm. Cependant, le boîtier FX permet d'obtenir exactement la même image que le boîtier DX : il suffit pour cela de découper la zone centrale pour n'en garder que la surface correspondant à celle d'un capteur APS-C ou DX. Toutes choses égales par ailleurs, l'objectif fournit une image identique dans les deux cas, image dont on prend simplement une partie plus ou moins grande en changeant de boîtier, voir les deux cadres de l'image de gauche !
Supposons qu'indépendamment de leur format, les deux capteurs soient de conception et donc de qualité identique. Si le capteur FX permet d'obtenir, par exemple, des images de 24 Mpixels, le capteur DX n'en offrira que 12, le calcul est vite fait ... En gardant la moitié de l'image de 24 Mpixels, il en reste 12, CQFD.
Conclusion : à qualité de capteur égale, abandonner son appareil 24 x 36 pour un demi format, avec l'idée de multiplier par 1,5 ou 1,6 la focale de ses objectifs, est parfaitement illusoire ! En revanche d'autres critères, comme le poids ou le coût de l'équipement, peuvent faire pencher la balance dans un sens ou dans l'autre.
Dimensions, poids et prix
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Tout comme dans le cas de la photographie argentique, une surface sensible plus grande signifie que l'obturateur, le miroir de renvoi, le pentaprisme, etc., sont également plus gros et plus lourds. Il ne faut jamais oublier que si toutes les proportions sont conservées, en doublant les longueurs, on multiplie les surfaces par 4, tandis que les volumes et donc les poids sont multipliés par 8. Dans la réalité, le rapport des poids et des encombrements d'un appareil reflex au format 24 x 36 par rapport à ceux d'un appareil au format DX ou APS-C est heureusement bien inférieur à 8, tandis que la différence des prix tend à diminuer au fil des mois.
Images en réserve
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Capteur CCD dopé pour être sensible à l'UV -
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Acquisition des images
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Le texte compris ci-dessous entre les deux paires de traits horizontaux est provisoire. Il provient de Wikipédia et contient d'ailleurs diverses inexactitudes.
- Des capteurs semblables sont utilisés dans différents équipements : caméras diverses, caméscope, scanner notamment. Cet article est consacré à ceux utilisés pour la photographie.
Modèle:Serie photo Un capteur photographique, est un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique (UV, visible ou IR) en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié, puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Le capteur est donc 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 environ 5 % de photons qui révèlent le grain photosensible de la pellicule, d'où son essor initial en astrophotographie.
Deux grandes familles de capteurs sont disponibles : les CCD et les CMOS.
Les capteurs CCD
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Le CCD (Charge-Coupled Device, ou dispositif 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 relativement lent. Mis au point par les Laboratoires Bell en 1969, il a rapidement été adopté pour des applications de pointe (imagerie astronomique) puis popularisé sur les caméras et appareils photo.
Principe
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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, à l'extérieur du CCD, filtré par un circuit à « double échantillonnage corrélé » avant d'être amplifié 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 ».
Trois types de CCD se sont succédé et coexistent toujours :
- Le CCD « plein cadre » (full frame) : où l'ensemble de la surface contribue à la détection. C'est le plus sensible mais il présente plusieurs inconvénients :
- les électrodes (grilles) en silicium polycristallin circulent au-dessus de la couche photosensible et absorbent une part importante de la partie bleu du spectre (0,35-0,45 micromètre) ;
- il nécessite un obturateur externe pour permettre le cycle de transfert de charge sans illumination ;
- il est très sensible à l'éblouissement (blooming). Quand un photosite déborde, il inonde ses voisins. Pour pallier cet inconvénient, il peut être équipé d'un dispositif dit « drain d'évacuation de charges » (LOD-Lateral Overflow Drain) qui élimine les électrons en trop plein des photosites et limite la propagation de l'éblouissement, mais diminue la sensibilité.
- Les CCD « plein cadre » récents ont des photosites au pas de 6 micromètres capables de stocker jusqu'à 60 000 électrons et un rendement quantique supérieur à 20 %.
On sait aujourd'hui (2005) fabriquer des CCD « plein cadre » de 40 mégapixels (surface utile de 40 × 54 mm).
- Le CCD « à transfert de trame » (full-frame transfer) : il associe deux matrices CCD de même dimension, l'une exposée à la lumière, l'autre masquée. On peut ainsi procéder à un transfert rapide de la matrice d'exposition vers la matrice de stockage puis à la numérisation de celle-ci en parallèle avec l'acquisition d'une nouvelle image.
- le principal inconvénient est de diminuer par deux la surface du photosite à taille de capteur égale (sensibilité moitiè moindre)
- les autres inconvénients (réponse spectrale, éblouissement) demeurent.
- Le CCD « interligne » : plus complexe ; il associe une photodiode à chaque cellule CCD. C'est lui qui est principalement utilisé dans les photoscopes.
- La photodiode spécialisée permet de retrouver une réponse spectrale couvrant correctement le visible (0,35-0,75 micromètre)
- il est généralement équipé d'un drain d'évacuation de charges qui limite la propagation de l'éblouissement
- il est par contre intrinsèquement moins sensible, les photodiodes ne représentant que 25 % à 40 % de la surface totale. Ce défaut est partiellement corrigé par un réseau de micro-lentilles convergentes qui améliore le rendement quantique de 15 % à 35-45 %
- Les CCD interlignes récents ont des photosites au pas de 8 micromètres capables de stocker jusqu'à 100 000 électrons.
On sait aujourd'hui (2005) fabriquer des CCD interlignes de 12 mégapixels (surface utile de 24 × 36 mm).
Dans tous les CCD, le bruit (électrons parasites) augmente très fortement avec la température: il double tous les 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
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Naturellement, ces capteurs sont sensibles à l'ensemble du spectre de la lumière visible. Grâce à un filtre, dit de Bayer, constitué de cellules colorées des couleurs primaires, chaque photosite ou pixel 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).
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CCD pleine trame avec LOD -
CCD interligne + micro-lentilles
Une innovation visant à améliorer 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
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Des améliorations sont régulièrement apportées aux capteurs CCD de façon à en améliorer la sensibilité en augmentant la surface active :
- dans les super-CD HR (Fujifilm) chaque photosite possède une surface octogonale ;
- puis (encore Fujifilm, 2004) les photosites sont dédoublés en un élément de grande taille « S » et un élément plus petit « R » qui étend la dynamique vers les hautes lumières (de 2 bits) en deux générations successives, SR et SR II ;
- le super-CCD HR (toujours Fujifilm, 2005) bénéficie d'électrodes plus fines qui diminuent la profondeur des « puits » des photosites qui reçoivent donc une plus grande proportion de la lumière ;
- l'utilisation d'électrodes en oxyde d'indium-étain (ITO), plus transparentes dans le bleu, améliore la réponse spectrale des CCD pleine trame (Kodak, 1999) ;
- le CCD progressif (Kodak, 2005) dispose de drains d'évacuation de charges (LOD) plus fins, au bénéfice là encore de la surface utile.
Les capteurs Foveon
modifier Ce capteur permet la capture des trois couleurs rouge, vert et bleu par un seul photosite, d'après une particularité du silicium. En effet c'est dans l'épaisseur que le silicium est sensible à telle ou telle couleur. Pour simplifier nous pourrons dire que 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.
Contrairement à un photosite de capteur CCD qui capture seulement une couleur primaire (rouge, vert ou bleu), un photosite de capteur X3 recueille une composante RVB. Ceci nécessite donc beaucoup 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 aussi 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 encore rare (quelques modèles de la marque Sigma), mais ce nouveau capteur pourrait bien révolutionner le monde de la photographie numérique.
Les capteurs CMOS
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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'amplification puis d'obturation. Ils sont plus complexes à fabriquer mais sont produits selon des techniques classiques de micro-électroniques et de ce fait peuvent avoir des dimensions importantes (21 mégapixels en été 2007).
De la même façon que beaucoup de CCD, les capteurs CMOS pour image couleur sont associés à un filtre coloré et un réseau de lentilles, encore plus nécessaire vu la faible surface relative de la photodiode, seule zone sensible.
Un type particulier le capteur Foveon se passe du filtre coloré au prix d'une architecture multicouche qui, comme une pellicule couleur superpose trois couches de capteurs, tous sensibles à l'ensemble du spectre mais bénéficiant de l'effet de filtre coloré de l'épaisseur de silicium. Les trois couches capturent donc le bleu, le vert puis le rouge.
CMOS ou CCD ?
modifierJusqu'à récemment, les capteurs CCD étaient de loin les plus populaires.
Depuis 2004, les avantages intrinsèques des capteurs CMOS leur permettent de rivaliser :
- les progrès de la finesse de gravure profitent plus au CMOS, en synergie avec les productions de masse de circuits intégrés ;
- une consommation électrique plus faible ;
- la possibilité de miniaturiser davantage les capteurs, en dessous de 0,15 micromètre en 2005 ;
- une plus grande intégration : la possibilité de rajouter facilement sur une puce CMOS des fonctions complémentaires ;
- la rentabilisation des lignes de production des circuits intégrés silicium classiques, de moins en moins vraie avec la sophistication accrue ;
- meilleure vitesse de lecture (un avantage pour le cinéma rapide plus que pour la photo) ;
- une meilleure résistance à l'éblouissement et donc au rendu des hautes lumières et une dynamique plus étendue.
Ils offrent également la possibilité d'une lecture très rapide d'un sous-ensemble du capteur.
Les capteurs CCD gardent des avantages :
- une meilleure linéarité car moins de dispersion dans les convertisseurs Analogique/Numérique ; les CMOS ont un convertisseur par pixel dont la dispersion augmente avec la miniaturisation ;
- un plus faible niveau de bruit du fait du moins grand nombre d'éléments par capteur à définition égale ;
- la surface participant à la capture de photons est proportionnellement plus élevée : les capteurs CMOS sont « encombrés » par trois à six transistors - amplification et logique d'obturation (shuttering) rapide ;
- et donc un avantage au CCD pour la qualité des noirs et faibles lumières ;
et leurs inconvénients :
- l'électronique associée au CCD est plus complexe avec notamment la nécessité d'horloges multiples pour piloter le transfert de charges et de tensions élevées (8 V pour les horloges et même 40 V pour l'obturation des CCD interligne).
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 donc sont prisés en astrocam.
Les performances des capteurs
modifierLa résolution maximale d'un capteur est fonction du nombre de photosites qui permettra d'obtenir 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 surtout 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 surtout 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 généralement évaluée par la formule :
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.
Afin de comparer cette sensibilité à la sensibilité nominale des films argentiques, on a défini une sensibilité ISO des systèmes numériques (voir détermination de la sensibilité ISO, selon la norme ISO 12 232).
Caractéristiques des capteurs pour photoscope
modifierLe 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 notamment dans les téléphones portables ou les Webcam) 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 | 1/2,3" | 4:3 | 6,17 | 4,55 | 7,7 | ||
| 12 | 1/1,8" | 4:3 | 7,1 | 5,3 | 8,9 | 39 | 4,9x |
| 8 | 1/1,7" | 4:3 | 7,6 | 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 | 13,2 | 8,8 | |||
| 1" | 3:2 | 17,8 | 13,4 | 22,3 | 243 | 2x | |
| 4,7*3 | 20,7x13,8 mm | 3:2 | 20,7 | 13,8 | 24,9 | 286 | 1,7x |
| 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 | 34,3 | 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 fin 2006. Le rapport 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 donc indiqué en fraction (approximative) de cette diagonale.
D'autres ici : [1].
Liens externes
modifier- (français) Le capteur photosensible des appareils photo numériques
- (français) Le "crop factor" expliqué : FF contre APS
- (anglais) Kodak Image Sensor Solutions
Reprise du texte de WL
Capteurs plein format
modifier2007 : les capteurs plein format (24 x 36) arrivent en force sur les reflex numériques, ce qui permet de retrouver les habitudes prises avec le film et surtout d'utiliser les gammes d'objectifs achetées pour les appareils argentiques, en particulier les objectifs grand angulaires. Les nouveaux capteurs CMOS de Canon et Nikon fournissent respectivement des images de 21 et de 12,1 Mpixels. Les photosites des nouveaux capteurs Nikon mesurent environ 8,5 µm.
Capteurs incurvés
modifierLa plupart des systèmes optiques simples comme les lentilles, les miroirs sphériques, sont affectés d'une certaine courbure de champ, c'est-à-dire qu'ils donnent d'un sujet plan perpendiculaire à l'axe optique une image incurvée. Les opticiens doivent déployer des trésors d'ingéniosité pour faire en sorte que cette image devienne plane. Une bonne correction de la courbure de champ augmente considérablement le coût des objectifs, c'est d'ailleurs pourquoi, sur beaucoup d'appareils 6 x 9 de bas de gamme, le couloir de défilement du film était incurvé, ce qui permettait de limiter les dégâts.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de l'Illinois construisent une chambre photographique munie d'un capteur sphérique et dont la forme se rapproche de celle de l'œil humain. Il est en effet intéressant de retrouver certaines des qualités de l'œil, en particulier son angle de champ très important que l'on ne peut obtenir sur un appareil numérique que grâce à des techniques très compliquées. L'œil atteint ces performances grâce à un système optique très simple comportant pratiquement en tout et pour tout un dioptre sphérique constitué par la cornée et une lentille à focale variable, le cristallin.
Les composants électroniques sont pour la plupart réalisée sur des plaques rigides et planes. Cependant, depuis quelques années, les ingénieurs sont parvenus à réaliser des circuits souples sur des supports acceptant d'être courbés. Plus récemment, un pas supplémentaire a été accompli en déposant des circuits de haute qualité sur des surfaces étirables à l'aspect de caoutchouc. De tels circuits peuvent être adaptés à des surfaces courbes non développables telles que des sphères, tandis que les circuits souples « ordinaires » ne peuvent être conformés que sur des surfaces développables comme les cylindres ou les cônes.
La chambre photographique sphérique nécessite que les circuits puissent s'allonger d'environ 50 % sans se rompre. Ces circuits sont d'abord réalisés sur des plaques de silicium rigides puis transférés sur des surfaces souples aux propriétés d'élastomères. Le futur support est d'abord réalisé en forme de sphère, puis déformé pour devenir plan au moment du transfert. Les circuits sont détachés de leur support initial par un procédé chimique, puis on les fait adhérer à plat sur le support souple. Celui-ci est ensuite relâché et il reprend sa forme sphérique naturelle ; il est évident que le processus n'est pas fondamentalement simple.
Bibliographie
modifier- GREENE, Kate .- A Spherical Camera Sensor, A stretchable circuit allows researchers to make simple, high-quality camera sensors [en ligne]. In : Technology review (publié par le MIT), 6 août 2008 [consulté le 11 août 2008]. Disponible sur l'internet : http://www.technologyreview.com/Infotech/21182/?a=f
Images en attente
modifier-
CCD wafer -
moiré -
-
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