« Photographie/Acquisition des images/Les capteurs d'images » : différence entre les versions
Contenu supprimé Contenu ajouté
m Jean-Jacques MILAN a déplacé la page Photographie/Acquisition des images/Les capteurs vers Photographie/Acquisition des images/Les capteurs d'images : précision indispensable |
|||
Ligne 170 :
{{Ph Acquisition des images}}
= Historique ==
L'idée d'enregistrer directement les images sous forme électronique, plutôt que sous forme chimique dans une surface sensible, 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.
Le terme '''capteur''' a un sens très général dans le domaine des mesures physiques. Il s'agit de systèmes permettant de traduire les variations des grandeurs physiques classiques (températures, éclairements, accélérations, pressions, etc.) sous forme de signaux électriques. Dans le cas de la photographie, ce sont bien sûr les données physiques des images qui sont traduites ainsi. Les capteurs peuvent être de type analogique, et donc délivrer des signaux capables de varier de façon continue, ou au contraire de type numérique, l'information de sortie étant délivrée sous forme de signaux correspondant à des niveaux bien définis.
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, tandis que sur le second, on ne peut occuper que des niveaux correspondant aux marches. Il y a donc « discrétisation » de la hauteur, et celle-ci varie de façon d'autant plus « grossière » et brutale que les marches sont plus espacées et que la différence de niveau à obtenir est plus faible. On peut imaginer un escalier dont les marches seraient si basses que l'on ne verrait pas de différence pratique avec un vrai plan incliné.
{{En travaux}}
{{Attention|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 : [[caméra]]s diverses, [[camescope|caméscope]], [[Scanner de document|scanner]] notamment. Cet article est consacré à ceux utilisés pour la [[photographie]].''
----
{{Serie photo}}
Un '''capteur photographique''', est un [[composant électronique]] photosensible servant à convertir un [[rayonnement électromagnétique]] ([[Ultraviolet|UV]], [[Lumière visible|visible]] ou [[Photographie/Techniques scientifiques/Photographie dans l'infrarouge|IR]]) en un [[signal électrique]] [[analogique]]. Ce signal est ensuite [[Amplificateur|amplifié]], puis [[Numérisation|numérisé]] par un [[convertisseur analogique-numérique]] et enfin traité pour obtenir une [[image numérique]]. Le capteur est donc le composant de base des [[Appareil photographique numérique|appareils photo numériques]], l'équivalent du [[Pellicule photographique|film]] en [[photographie argentique]].
Le capteur photographique met à profit l'[[effet photoélectrique]], qui permet aux [[photon]]s incidents d'arracher des [[électron]]s à chaque élément actif (photosite) d'une matrice de capteurs élémentaires constitués de [[photodiode]]s. Il est nettement plus [[Efficacité quantique|efficace]] que la [[Pellicule photographique|pellicule]] : jusqu'à {{unité|99|%}} (en théorie) et près de 50 % (en pratique) des photons reçus permettent de collecter un [[électron]], contre environ {{unité|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==
[[Image:CCD in camera.jpg|thumb|120px|Un capteur [[CCD]]]]
Le [[CCD]] (''Charge-Coupled Device'', ou dispositif à transfert de [[Charge électrique|charge]]) est le plus simple à fabriquer, a une bonne [[Sensibilité ISO|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===
[[Image:CCD 3Phases 3D-Layout.png|thumb|left|350px|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 [[électron]]s 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 [[Silice|SiO<sub>2</sub>]]) jusqu'au registre horizontal ([[media:CCD charge transfer animation.gif|Lancer une animation]]).
Elles sont transformées en [[Tension électrique|tension]], proportionnelle au nombre d'électrons, dans la [[Capacité électrique|capacité]] d'une [[diode]] « flottante ». Ce [[Signal électrique|signal]] sera, à l'extérieur du CCD, filtré par un circuit à « double [[échantillonnage (signal)|échantillonnage]] corrélé » avant d'être amplifié et numérisé.
Ces électrodes sont isolées par une couche de SiO<sub>2</sub>, complétée par l'action d'une fine zone dopée « n », le « canal enterré » (''buried channel''), du substrat de type « p ».
{{Clr}}
[[Image:CCD FullFrame.png|thumb|200px|right|Plein Cadre]]
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 {{formatnum:60000}} électrons et un rendement quantique supérieur à 20 %.
On sait aujourd'hui (2005) fabriquer des CCD « plein cadre » de 40 [[mégapixel]]s (surface utile de 40 × 54 mm).
[[Image:CCD Interline.png|thumb|200px|right|Interligne]]
* '''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 [[Lumière visible|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 {{formatnum:100000}} 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 thermique|bruit]] (électrons parasites) augmente très fortement avec la température: il double tous les 6 à {{unité|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 {{unité|10|minutes}}.
{{Clr}}
=== Couleurs ===
[[Image:CCD Bayer Filter.png|right|250px|thumb|Filtre de Bayer [[Rouge vert bleu|RGB]]]]
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 [[circuit intégré|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 (effet de contraste)|moiré]] sur les zones de faible lumière par de judicieux compromis lors du traitement d'image (interpolation, filtrage : voir ''[[Traitement du signal]]'').
<gallery>
Image:CCD Pleine-Trame Spectrale.png|CCD pleine trame avec LOD
Image:CCD Interligne Spectrale.png|CCD interligne + micro-lentilles
</gallery>
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===
[[Image:CCD Sensor Layout Evolution.png|right|400px|thumb|Amélioration des capteurs CCD]]
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 ([[Photographie/Fabricants/Fujifilm|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 ([[Photographie/Fabricants/Kodak|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==
[[Image:FoveonX3.png|thumb|right|300px|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, 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 Corporation|Sigma]]), mais ce nouveau capteur pourrait bien révolutionner le monde de la photographie numérique.
==Les capteurs CMOS==
[[Image:CMOS Image Sensor Mechanism Illustration.svg|thumb|right|200px|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'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 ?==
Jusqu'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 [[Numérisation#Convertisseur analogique-numérique|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==
La 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 :
<math>Dynamique = 20*log\left( \frac{Capa}{Courant+Bruit}\right ) </math> <br/>
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 {{formatnum:12232}}).
==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 notamment dans les [[Téléphone mobile|téléphones portables]] ou les [[Webcam]]) ou en plus grand (appareils photo grand format).
{| class=wikitable
! align=center | Mpixels
! Format
! Ratio L/H
! Largeur
! Hauteur
! Diagonale
! Surface
! Rapport
|- align="right"
|7 || 1/2,5" || 4/3 || 5,1 || 3,8 || 6,4 || 20 || 6,8
|----- align="right"
|10,5 || 1/1,8" || 4/3 || 7,1 || 5,3 || 8,9 || 39 || 4,9
|- align="right"
|8 || 1/1,7" || 4/3 || 7,5 || 5,6 || 9,4 || 43 || 4,6
|----- align="right"
|8 || 1/1,6" || 4/3 || 8,0 || 6,0 || 10,0 || 49 || 4,3
|- align="right"
|8 || 2/3" || 4/3 || 8,8 || 6,6 || 11,0 || 59 || 3,9
|- align="right"
|8 || "APS-C" || 3/2 || 22,2 || 14,8 || 26,7 || 329 || 1,6
|----- align="right"
|10 || 4/3" || 4/3 || 17,8 || 13,4 || 22,3 || 243 || 1,9
|- align="right"
|12,4 || "APS-C" || 3/2 || 23,4 || 15,7 || 28,2 || 382 || 1,5
|----- align="right"
|12,5 || 24*36 || 3/2 || 36 || 24 || 43,3 || 900 || 1,0
|}
Les dimensions sont en mm, la surface en mm². Les [[mégapixel]]s 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 [[Format 35 mm|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 (unité)|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.
== Liens externes ==
* {{fr}} [http://astrosurf.com/luxorion/photo-numerique3.htm Le capteur photosensible des appareils photo numériques]
* {{fr}} [http://www.nicolasgenette.com/Labo/Articles/CropFactor/index.php Le "crop factor" expliqué : FF contre APS]
* {{en}} [http://www.kodak.com/global/en/business/ISS/index.jhtml?pq-path=11937 Kodak Image Sensor Solutions]
----------
----------
'''Reprise du texte de WL'''
=== Capteurs plein format ===
2007 : 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 [[Photographie/Fabricants/Canon|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 ===
La 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 ==
* 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
{{Ph Appareils}}
| |||