Dispositif à Transfert de Charges

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

Cet article fait partie de la série Photographie

Les photographes

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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 compact et de plus en plus délaissés dans les reflex. Les appareils reflex quant à eux, utilisent majoritairement des capteurs CMOS (en 2009).

Les capteurs CCD

Un capteur CCD

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. Inventé par George E. Smith et Willard Boyle dans les Laboratoires Bell en 1969 (cette invention leur rapportera le Prix Nobel de physique en 2009), il a rapidement été adopté pour des applications de pointe (imagerie astronomique) puis popularisé sur les caméras et appareils photo.

Principe

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

Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit en paires électron-trou par effet photoélectrique dans le substrat semi-conducteur, puis collecte les électrons dans le puits de potentiel maintenu à chaque photosite. Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue.

À la fin de l'exposition, les charges sont transférées de photosite en photosite par le jeu de variations de potentiel cycliques appliquées aux grilles (bandes conductrices horizontales, isolées entre elles par une couche de SiO₂) jusqu'au registre horizontal (Lancer une animation).

Elles sont transformées en tension, proportionnelle au nombre d'électrons, dans la capacité d'une diode « flottante ». Ce signal sera, 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 un rendement quantique supérieur à 20 %.

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

On sait aujourd'hui (2009) 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 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).

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 (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

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

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

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

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

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 (24 mégapixels). Ils sont également grandement 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.

CMOS ou CCD ?

Jusqu'à récemment, les capteurs CCD étaient de loin les plus populaires.

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

• Coûts de production moindre
• La rentabilisation des lignes de production des circuits intégrés silicium classiques, de moins en moins vraie avec la sophistication accrue ;
• L'image captée est captée immédiatement en information numérique contrairement au CCD qui doivent convertir l'information analogique pour devoir la convertir par la suite en information numérique ;
• 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 ;
• Meilleure vitesse de lecture (un avantage pour le cinéma rapide plus que pour la photo) ;
• Moins sensible à la poussière ;
• 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 ;

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).
• Génère plus d'électricité statique qui les rendent plus sensible aux poussières.

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 :
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) ; 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.

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

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