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Un capteur photographique (Un capteur photographique est un composant électronique servant à convertir un rayonnement (UV,...) est un composant électronique (Un composant électronique est un élément destiné à être assemblé avec d'autres afin de...) servant à convertir un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) (UV, visible ou IR) composé de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) en un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) électrique analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.). Ce signal sera ensuite numérisé par un Convertisseur Analogique-Numérique puis amplifié et traité pour obtenir une image numérique (On désigne sous le terme d’image numérique toute image (dessin, icône,...). 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 (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau...) 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 (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...), contre environ 5% de photons qui révèlent un grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève...) photosensible, d'où leur essor initial en astrophotographie (L'astrophotographie, souvent appelée simplement astrophoto, voire encore plus radicalement AP,...).
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.
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 (Graphie) par les Laboratoires Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935....) en 1969 il a rapidement été adopté pour des applications de pointe (imagerie astronomique) puis popularisé sur les caméras et appareils photo.
Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit en paires électron-trou par effet photoélectrique dans le substrat semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...), puis collecte les électrons dans le puits de potentiel (Un puits de potentiel désigne, en physique, le voisinage d'un minimum local d'énergie...) maintenu à chaque photosite. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'électrons collectés est proportionnel à la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) 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 (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la...) (Lancer une animation).
Elles sont transformées en tension (La tension est une force d'extension.), 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 :
On sait aujourd'hui (2005) fabriquer des CCD " pleine trame " de 40 mégapixels (surface utile de 40×54 mm).
On sait aujourd'hui (2005) fabriquer des CCD interligne de 12 mégapixels (surface utile de 24×36 mm).
Dans tous les CCD, le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) (électrons parasites) augmente très fortement avec la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...): il double tous les 6 à 8 °C. C'est pourquoi on doit refroidir les CCD pour l'astrophotographie utilisant de très longs temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de pose. Dans les photoscopes le temps d'exposition utilisable à température ambiante est de l'ordre de la minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...), un photosite se remplissant par le jeu des diverses fuites en 5 à 10 minutes.
Naturellement, ces capteurs sont sensibles à l'ensemble du spectre de la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du...). Grâce à un filtre, dit de Bayer, constitué de cellules colorées des couleurs primaires, chaque photosite ou pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une...) du capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une...) ne voit qu'une seule couleur : rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...), vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...) 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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) proche de la photolithographie des circuits intégrés, de même que le réseau de micro-lentilles.
C'est le logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements...) 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 ( Moiré : effet de contraste changeant avec la déformation d'un objet Moiré :...) sur les zones de faible lumière par de judicieux compromis lors du traitement d'image (interpolation, filtrage : voir Traitement du signal).
Une innovation visant à améliorer le rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) 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.
Des améliorations sont régulièrement apportées aux capteurs CCD de façon à en améliorer la sensibilité en augmentant la surface active :
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 (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος),...) d'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les...) 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 (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) 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 (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) 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 (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...), 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.
Jusqu'à récemment, les capteurs CCD étaient de loin les plus populaires.
Depuis 2004, les avantages intrinsèques des capteurs CMOS leur permettent de rivaliser :
Ils offrent également la possibilité d'une lecture très rapide d'un sous-ensemble (En mathématiques, un ensemble A est un sous-ensemble ou une partie d’un ensemble B, ou...) du capteur.
Les capteurs CCD gardent des avantages :
et leurs inconvénients :
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 (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) 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 (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) ISO 12232).
Le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) 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 (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) | Hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) | Diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non...) | 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) à fin 2006. Le rapport est le multiplicateur à appliquer à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) focale de l'objectif pour obtenir la longueur focale correspondant au même angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) 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 (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) d'un pouce de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) dont la diagonale de la zone sensible était de 16 mm. Le format est donc indiqué en fraction (approximative) de cette diagonale.