LE CAPTEUR D'IMAGE
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 et
des caméras numériques, l'équivalent du film (ou pellicule) 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 ou photo mos. 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 existent encore sur les marchés des appareils compacts et les appareils à très haute
résolution. Les appareils reflex les plus courants quant à eux l'ont délaissé et utilisent
majoritairement des capteurs CMOS.
Capteur CCD
Un capteur CCD.
Le CCD (charge-coupled device, ou en français « dispositif à transfert de charge » (DTC)) est le plus
simple à fabriquer. Inventé par George E. Smith et Willard Boyle dans lesLaboratoires
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
Principe du transfert de charges.
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 au niveau de 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 (voir animation ci-contre).
Elles sont transformées en tension, proportionnelle au nombre d'électrons, dans
la capacité d'une diode « flottante »[pas clair]. Ce signal sera, à l'extérieur du CCD, filtré par uncircuit à
« double échantillonnage corrélé »[à définir] 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 ».
Capteur CMOS
PD = photodiode
Un capteur CMOS (« complementary metal-oxide-semiconductor ») est composé de photodiodes, à
l'instar d'un CCD, où chaque photosite possède son propre convertisseur charge/tension et
amplificateur (dans le cas d'un capteur APS).
Leur consommation électrique, beaucoup plus faible que celle des capteurs CCD, leur vitesse de
lecture et le plus faible coût de production sont les principales raisons de leur grande utilisation.
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.
Historique
Avant le traitement numérique des photos, la lumière était captée par une pellicule
photographique. Sur les appareils numériques, ce film a été remplacé par un capteur
photographique électronique sensible à la lumière. La qualité d'une photo ou éventuellement
d'une vidéo dépend de plusieurs facteurs importants (quantité et qualité de l'optique pour
transmettre la lumière, qualité et quantité de lumière reçue sur la surface du capteur
photographique électronique. La surface en millimètres carrés et le nombre de cellules
photosensibles (photosite) d'un capteur photographique électronique joue donc un rôle essentiel
dans la photographie.
Nombre de cellules photosensibles par millimètre carré[modifier | modifier le code]
Il peut être utile pour l'utilisateur d'un appareil photographique, désirant connaître les possibilités
dans des conditions difficile de lumière (faible intensité), de connaître non seulement la taille de la
surface du capteur photographique, mais également le nombre de cellules photosensibles
(photosite) ou Méga Pixel sur celle-ci. On peut calculer avec ces 2 grandeurs la densité des pixels
ou des cellules photosensibles du capteur par millimètre carré.
Exemple de calculs de la densité des pixels d'un capteur
Pixel par Hauteur
Pixel par Longueur
Nombre de pixels sur la surface
3 000
4 000
12 000 000
4 000
5 000
20 000 000
5 000
6 000
30 000 000
6 000
6 000
36 000 000
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.
Selon les performances requises, un capteur CMOS peut être supplanté par un CCD ou
inversement ; cependant, les appareils photo grand public tendent à remplacer les capteurs CCD
par des capteurs CMOS, de qualité comparable aujourd'hui et à des coûts plus faibles. Le CCD reste
utilisé dans certaines applications telles que l'imagerie très haute cadence ou à très bas niveau de
lumière, car il génère des images moins bruitées que les CMOS.
1
/
3
100%