Capteur photographique - Définition
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Un capteur photographique est un composant électronique servant à convertir un rayonnement (UV, visible ou IR) composé de photons en un signal électrique analogique. Ce signal sera ensuite numérisé par un Convertisseur Analogique-Numérique puis amplifié et traité pour obtenir une image numérique. C'est le composant de base des appareils photographiques numériques, l'équivalent du film en photographie argentique.
Ces capteurs photosensibles sont basés sur 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. Ils sont nettement plus efficaces 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 un grain photosensible, d'où leur essor initial en astrophotographie.
Des capteurs semblables sont utilisés dans différents équipements : caméras diverses, caméscope, scanner notamment. Cet article est consacré à ceux utilisés pour la photographie.
Deux grandes familles de capteurs sont disponibles : les CCDs et les CMOS.
Les capteurs CCD
Le CCD (Charge-Coupled Device, ou détecteurs à couplage de charge) est le plus simple à fabriquer, a une bonne sensibilité mais, du fait de son principe, le transfert de charges, 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
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 pleine trame (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 " pleine trame " 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 " pleine trame " de 40 mégapixels (surface utile de 40×54 mm).
- le CCD à transfert de trame (full-frame transfer) 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 doubler la taille du capteur à définition égale
- les autres inconvénients (réponse spectrale, éblouissement) demeurent.
- le CCD interligne est 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 interligne 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
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 4 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 (E pour emerald équivalent au Cyan). Elle a été utilisée dans l'appareil DSC-F828.
Progrès constants
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 2 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 CMOS
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 (14 mégapixels en 2003).
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 blanc, puis le vert puis le rouge. Et le bleu ? Grâce à l'électronique il suffit de faire la différence : Bleu=Blanc-Vert-Rouge. Il ne semble pas offrir une amélioration décisive de la qualité globale et son succès reste limité.
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 de 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).
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 évalué 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 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 téléphones portables ou les Webcam) ou en plus grand (appareils photo grand format).
| Mpixels | Format | Ratio L/H | Largeur | Hauteur | Diagonale | Surface | Rapport |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7 | 1/2,5" | 4/3 | 5,1 | 3,8 | 6,4 | 20 | 6,8 |
| 10,5 | 1/1,8" | 4/3 | 7,1 | 5,3 | 8,9 | 39 | 4,9 |
| 8 | 1/1,7" | 4/3 | 7,5 | 5,6 | 9,4 | 43 | 4,6 |
| 8 | 1/1,6" | 4/3 | 8,0 | 6,0 | 10,0 | 49 | 4,3 |
| 8 | 2/3" | 4/3 | 8,8 | 6,6 | 11,0 | 59 | 3,9 |
| 10 | 4/3" | 4/3 | 17,8 | 13,4 | 22,3 | 243 | 1,9 |
| 12,4 | "APS-C" | 3/2 | 23,4 | 15,7 | 28,2 | 382 | 1,5 |
| 12,5 | 24*36 | 3/2 | 36 | 24 | 43,3 | 900 | 1,0 |
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 24x36.
Les capteurs de plus grande définition équipent l'équivalent des moyen format (6*4,5 ou 6*6) et atteignent 39 mégapixels (capteur 37*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.