Capteur photographique

Des capteurs semblables sont utilisés dans différents équipements : caméras diverses, caméscope, scanner notamment. Cet article est consacré à ceux utilisés pour la photographie.

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

Différenciation par types de capteurs

Les capteurs CCD

Un capteur CCD.

Le CCD (Charge-Coupled Device, ou dispositif à transfert de charge) est le plus simple à fabriquer et a une bonne sensibilité. Inventé par George E. Smith et Willard Boyle dans les Laboratoires Bell en 1969 (cette invention leur rapportera la moitié du 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, 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 ».

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 bleue 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 ont un rendement quantique supérieur à 20 %.

On sait, en 2010, fabriquer des CCD « plein cadre » de 60,5 mégapixels (surface utile de 53,9 × 40,4 mm).

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 moitié 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.

En 2009, il devient possible de fabriquer des CCD interlignes de 20 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

Filtre de Bayer RGB

Naturellement, ces capteurs sont sensibles à l'ensemble du spectre de la lumière visible. Grâce à un Color filter array (en), par exemple un filtre 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 l'article Traitement du signal).

• 

  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

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 (Fujifilm), chaque photosite possède une surface octogonale ;
• Puis (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 (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 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 résultat de l'intégration de cellules composées 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-électronique et de ce fait peuvent avoir des dimensions importantes (jusqu'à 120 mégapixels). Ils sont généralement utilisés pour les capteurs AF des appareils reflex.

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.

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 recouvertes de photosites et disposées en sandwich et filtrées chacune par un filtre bleu, vert ou rouge ; Chacune des couches de photo-récepteurs est précisément espacée relativement aux longueurs d'onde bleue, verte et 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 capteur X3 a été développé par la société américaine Foveon, rachetée en 2008 par Sigma, qui bénéficie depuis d'un droit d'exploitation exclusif.

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 permet d'espérer des images plus « propres », et permettrait aussi un rythme de prises de vues plus rapide en mode rafale.

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 :

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 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 notamment dans les téléphones cellulaires ou les Camera web) ou en plus grand (appareils photo grand format).

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 », que l'on nomme également « coefficient 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).

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.

Historique

Capteurs utilisés dans les appareils photographiques numériques

Hauteur	Largeur	Format	Nombre de pixels	Soit en mégapixels	Utilisation
320	240		76 800	0,07	Steven Sasson Prototype (1975)
570	490		279 300	0,27	Sony Mavica (1981)
640	480		307 200	0,3	Apple QuickTake 100 (1994)
832	608		505 856	0,5	Canon Powershot 600 (1996)
1 024	768		786 432	0,8	Olympus D-300L (1996)
1 280	960		1 228 800	1,3	Fujifilm DS-300 (1997)
1 280	1 024	5:4	1 310 720	1,3	Fujifilm MX-700 / Leica Digilux (1998), Fujifilm MX-1700 (1999) / Leica Digilux Zoom (2000)
1 600	1 200		1 920 000	2	Nikon Coolpix 950, Samsung GT-S3500
2 012	1 324		2 663 888	2,74	Nikon D1
2 048	1 536		3 145 728	3	Canon PowerShot A75, Nikon Coolpix 995
2 272	1 704		3 871 488	4	Olympus Stylus 410, Contax i4R (although CCD is actually square 2,272x2,272)
2 464	1 648		4 060 672	4,1	Canon 1D
2 560	1 920		4 915 200	5	Olympus E-1, Sony Cyber-shot DSC-F707, Sony Cyber-shot DSC-F717
2 816	2 112		5 947 392	6	Olympus Stylus 600 Digital
3 008	2 000		6 016 000	6	Nikon D40, D50, D70, D70s, Pentax K100D
3 072	2 048		6 291 456	6,3	Canon 300D, Canon 10D
3 072	2 304		7 077 888	7	Olympus FE-210, Canon PowerShot A620
3 456	2 304		7 962 624	8	Canon 350D
3 264	2 448		7 990 272	8	Olympus E-500, Olympus SP-350, Canon PowerShot A720 IS
3 504	2 336		8 185 344	8,2	Canon 30D, Canon 1D II, Canon 1D II N
3 520	2 344		8 250 880	8,25	Canon 20D
3 648	2 736		9 980 928	10	Olympus E-410, Olympus E-510, Panasonic FZ50, Fujifilm FinePix HS10
3 872	2 592		10 036 224	10	Nikon D40x, Nikon D60, Nikon D3000, Nikon D200, Nikon D80, Pentax K10D, Sony Alpha A100
3 888	2 592		10 077 696	10,1	Canon 400D, Canon 40D
4 064	2 704		10 989 056	11	Canon 1Ds
4 000	3 000		12 000 000	12	Canon Powershot G9, Fujifilm FinePix S200EXR
4 256	2 832		12 052 992	12,1	Nikon D3, Nikon D3s, Nikon D700, Fujifilm FinePix S5 Pro
4 272	2 848		12 166 656	12,2	Canon 450D
4 032	3 024		12 192 768	12,2	Olympus PEN E-P1
4 288	2 848		12 212 224	12,2	Nikon D2Xs/D2X, Nikon D300, Nikon D90, Nikon D5000, Pentax K-x
4 900	2 580	16:9	12 642 000	12,6	RED ONE Mysterium
4 368	2 912		12 719 616	12,7	Canon 5D
7 920 (2 640 × 3)	1 760		13 939 200	13,9	Sigma SD14, Sigma DP1 (3 layers of pixels, 4.7 MP per layer, in Foveon X3 sensor)
4 672	3 104		14 501 888	14,5	Pentax K20D
4 752	3 168		15 054 336	15,1	Canon EOS 500D, Canon EOS 50D
4 928	3 262		16 075 136	16,1	Nikon D7000
4 992	3 328		16 613 376	16,6	Canon 1Ds II, Canon 1D Mark IV
5 184	3 456		17 915 904	17,9	Canon EOS 550D, Canon EOS 60D, Canon EOS 7D
5 270	3 516		18 529 320	18,5	Leica M9
5 616	3 744		21 026 304	21,0	Canon 1Ds III, Canon 5D Mark II
6 048	4 032		24 385 536	24,4	Sony α 850, Sony α 900, Nikon D3X
7 500	5 000		37 500 000	37,5	Leica S2
7 212	5 142		39 031 344	39,0	Hasselblad H3DII-39
7 216	5 412		39 052 992	39,1	Leica RCD100
8 176	6 132		50 135 232	50,1	Hasselblad H3DII-50
11 250	5 000	9:4	56 250 000	56,3	Better Light 4000E-HS
8 956	6 708		60 076 848	60,1	Hasselblad H4D-60
8 984	6 732		60 480 288	60,5	Phase One P65+
10 320	7 752		80 000 640	80	Leaf Aptus-II 12
9 372	9 372	1:1	87 834 384	87,8	Leica RC30
12 600	10 500	6:5	132 300 000	132,3	Phase One PowerPhase FX/FX+
18 000	8 000	9:4	144 000 000	144	Better Light 6000-HS/6000E-HS
21 250	7 500	17:6	159 375 000	159,4	Seitz 6x17 Digital
18 000	12 000		216 000 000	216	Better Light Super 6K-HS
24 000	15 990	2400:1599	383 760 000	383,8	Better Light Super 8K-HS
30 600	13 600	9:4	416 160 000	416,2	Better Light Super 10K-HS
62 830	7 500	6283:750	471 225 000	471,2	Seitz Roundshot D3 (80 mm lens)
62 830	13 500	6283:1350	848 205 000	848,2	Seitz Roundshot D3 (110 mm lens)
157 000	18 000	157:18	2 826 000 000	2,826	Better Light 300 mm lens Digital

Production et marché

Sony est le deuxième fabricant mondial de capteurs photo derrière Canon^[1].

Voir aussi

• Caméra sans fil
• Format Nikon DX
• Format Nikon FX
• Vision industrielle
• Binning

Liens externes

• (fr) Le capteur photosensible des appareils photo numériques
• (fr) Le "crop factor" expliqué : FF contre APS
• (en) Kodak Image Sensor Solutions

Notes et références

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