Category:Technique

Les capteurs numériques

13 mars 2008 par Creatine

Dans nos chers joujous numériques, nous avons tous un élément qui remplace la pellicule. C'est le capteur.

Pour bien comprendre le truc, on va scinder en 3 les types d'appareils photo et comprendre quels sont les points positifs et négatifs des capteurs qu'ils ont dans le bide.

1) Le compact numérique: A l'intérieur se trouve un capteur CCD
à transfert interligne (A peu près de 6,59 mm de diagonale HAHAHAHAA). C'est un capteur vidéo (d'où ce cher mode vidéo...) dans lequel les transferts de charge se font sur la surface sensible ligne par ligne, mais, rassurez-vous, nous nous étendrons sur le sujet quelques lignes plus tard.
Ils sont aussi plus sensibles au Blooming (débordement des photosites qui ont reçu trop de lumière et qui en file au voisins).

2) Les reflex numériques: Là ça se complique un peu. Canon a été la seule marque à parier dans les capteurs très cheap et bon marché puisqu'ils servaient dans les caméras de surveillance et ce genre de vidéos basse définition. Ce capteur, vous l'aurez remarqué, c'est le génial CMOS. Il a plusieurs avantages: Il coûte vraiment pas grand chose et Canon l'a vachement amélioré. Il chauffe peu et est de qualité égale ou supérieur au CCD de taille reflex. Sony est le fournisseur presque exclusif des autres marques. Eux, utilisent des capteurs CCD. Ils sont plus chers et chauffent à mort (d'où le bruit énorme sur ces capteurs).
Le capteur Cmos APSC mesure 28,2mm de diagonale.

3) Les Dos numériques: Ils contiennent eux, des capteurs Full Frame grand format.
Non, Full Frame ne veut pas dire format 24/36. C'est un capteur extraordinaire car il utilise toute sa surface, le transfert de charge se faisant à l'extrémité du capteur. Il a une énorme dynamique pouvant aller jusqu'à 16bit!! L'inconvénient majeur c'est qu'il chauffe à mort!! Les fabricants ont différentes manières de procéder au refroidissement du capteur et notamment Phase One qui alimente son capteur uniquement au déclenchement.
Ils mesurent, pour les meilleurs, 36 x 48 mm.


Les capteurs CMOS et CCD à transfert interligne ont un inconvénient majeur : Ils occupent une partie de la surface sensible du capteur par des éléments qui permettent de récolter et de transférer le nombre de photons emmagasinés (transformés alors en électrons) à travers le capteur vers un espace de stockage.
Le rapport entre la surface utile et la surface insensible s'appelle l'ouverture du photosite.


Voici un capteur en version simplifiée (il n'y a pas de filtres passe bas et tout).



1) Les micro-lentilles: (tout en haut sur le joli dessin.)

Elles servent à récupérer un max de photons qui iraient sur la surface insensible mais n'augmentent pas la capacité de stockage de photons. Cependant, avec un rayon lumineux de forte inclinaison, elle dévie le rayon et le balance chez son voisin. Ca s'appelle le Cross Talk.

2) La Mosaïque de Bayer: elle se compose de filtres de couleurs rouge, vert et bleu. Il y a 2 fois plus de vert que de rouge ( oui oui je sais , c'est bizarre mais l'oeil humain est 2 fois plus sensible aux longueurs d'ondes proches du vert). Cette mosaïque nous permet d'avoir des capteurs qui, une fois l'information traitée, rendent une image en couleur !! Nous verrons plus tard qu'à cette étape, les fabricants font preuve de beaucoup d'imagination...

3) Les photosites: Ils emmagasinent la lumière et la transforment en électricité. Ici, intervient une notion essentielle en photo: la dynamique du capteur. Plus les photosites sont grands, plus ils emmagasinent de photons et plus on a de sensibilité et de dynamique. Le nombre maximal de photons capturés par le capteur va jouer sur la précision et le nombre de choix possibles par la suite.
Exemple: Un photosite peut emmagasiner 256 photons et 1 photon= 1 niveau de gris. Il y a donc 256 possibilités d'exprimer un gris. L'œil, ne peut distinguer que 60 à 100 niveaux différents. L'utilisateur Lambda peut donc triturer son image comme il le veut. En plus de ça, le fait d'avoir une grande dynamique permet de garder les détails dans les basses et dans les hautes lumières. (Il sature moins vite).


4) Le transfert de charges: Les différents capteurs CCD à transfert interligne, CCD Full Frame, CMOS et se différencient par ça.


Dans le CCD à transfert interligne, il se fait ligne par ligne, c'est-à-dire que les différentes lignes de photosites du capteur se vident et se chargent indépendamment les unes des autres: Sa rapidité autorise le mode vidéo. D'ailleurs, les compacts numériques n'ont pas d'obturateur (d'où ce bruit affreux de faux obturateur enregistré!). Le capteur se charge lui même de la vitesse d'obturation. Il faut noter que les lignes balancent leurs électrons à un collecteur qui ensuite les balance dans un convertisseur.

A l'intérieur du CMOS, chaque photosite est indépendant et envoie les électrons directement au convertisseur . Cela permet un traitement du bruit au niveau de l'acquisition. (je me lance dans des trucs trop complexes si je rentre dans le détail).

Enfin, pour le capteur CCD Full Frame, les éléments servant de transfert de charge ne se trouvant pas à coté du photosite, toute l'information est vidée en même temps et donc il faut que le capteur reste dans le noir pendant qu'il se vide. On a donc besoin d'un obturateur pour les faire fonctionner! (AAH enfin de la photo!)


Enfin nos chers constructeurs préférés nous inventent régulièrement des méthodes pour améliorer les capteurs. Certaines sont très farfelues!

I) Compensation à la faible ouverture du photosite (Combien sont remontés en haut pour relire la définition??)

1) Les micro- lentilles: Ils permettent de compenser ce défaut, en convergeant les rayons qui se perdraient sur la surface insensible.( Jusqu'à 3X plus de sensibilité).

2) Mosaïque de filtres de couleurs CMJV (Comme la mosaïque de Bayer mais avec des filtres de couleurs complémentaires Cyan Magenta Jaune et Vert). A ce qu'il parait il y aurait 30% de lumière en plus...

3) La mosaïque Sony "EMERALD" :(Je sens qu'il y en a qui vont rire jaune...) C'est un espèce de truc inventé par Sony. Ils ont pris la moitié des filtres vert et les ont remplacé par des filtres cyan. Le souci c'est que l'on ne sait pas bien faire des filtres cyan corrects... Donc filtres peu qualitatifs, mosaïque peu qualitative.
Voir discussion.

II) Compensation du bruit dans l'obscurité:

1) Une zone aveugle de 2 pixels autour du capteur va mesurer le bruit dans cette zone. Le logiciel va interpréter le résultat et réduire ainsi le bruit sur toute l'image.
2) Solution Canon: Une image est prise le rideau fermé après l'exposition de la photo. Elle contient une carte des pixels bruités. Le bruit lié à la chauffe peut ainsi être éliminé.

III) Les capteurs étranges:

1) Le super CCD de Fuji mes amis!



Il y a à l'heure actuelle 3 versions qui sont sorties. La version 1 c'est simplement des photosites octogonaux mis en diagonale pour palier à l'alliasing (moirage pour les autres). La version 2 et 3: Un petit photosite est associé à un plus grand. Le petit prend le relais quand le grand est saturé (c'est beau la fraternité!!!) Il y a donc plus de dynamique dans les hautes lumières. Attention à la fausse définition du capteur, elle est souvent multipliée par 2!

2) Le Foveon X3: (Seul Sigma en est équipé sur ses réflex numériques)

Il imite la pellicule couleur. Il est composé de 3 couches de couleurs et on mesure STATISTIQUEMENT les quantités de lumière. (Il est Bof Bof car pas encore tout à fait au point.)


Voilà voilà en espérant que ça vous a intéressés, et que vous avez appris des choses...
N'hésitez pas à me poser des questions et à me dire ce que vous en pensez, je pourrai améliorer ce post par la suite...