PHOTOGRAPHIEProcédés de prise de vue numérique

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Capteurs matriciels

Deux types de capteurs

Les appareils photographiques numériques sont généralement équipés de capteurs matriciels CCD (charge coupled device) ou CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Ces dispositifs saisissent l'image au travers de l'objectif sous forme de photons qui remplissent plus ou moins le puits de chaque photosite (cellule unitaire d'un capteur) suivant la quantité de lumière émise ou réfléchie par le sujet . Ces photons génèrent des électrons à raison d'un électron pour trois photons (signal électrique analogique). Le rendement de ces capteurs est compris entre 35 et 50 p. 100. Les électrons seront ensuite transférés pour leur traitement, soit photosite par photosite dans le cas d'un CCD, soit tous les photosites ensemble dans le cas d'un capteur matriciel CMOS. Le registre de transfert vertical assure cette fonction. Les charges photoélectriques excédentaires seront évacuées vers la masse de l'appareil. Les charges utiles seront dirigées vers un accumulateur puis transférées, par le registre de transfert horizontal, vers l'amplificateur avant la conversion analogique-numérique .

Photographie numérique : rôle des photosites d'un capteur

Dessin : Photographie numérique : rôle des photosites d'un capteur

Chaque photosite d'un capteur a pour rôle de générer des électrons à partir de l'énergie lumineuse (photons) qu'il capte, à raison d'un électron pour trois photons reçus. 

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Photographie numérique : fonctionnement d'un capteur CCD avec fonction d'obturation

Dessin : Photographie numérique : fonctionnement d'un capteur CCD avec fonction d'obturation

Exemple de fonctionnement d'un capteur CCD (charge coupled device) avec fonction d'obturation. Il transforme, au niveau des photosites qui le constituent, l'énergie lumineuse en électrons. Les électrons créés lors de l'exposition sont ensuite évacués vers la zone de stockage pour... 

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Les premiers capteurs matriciels ont été les CCD, dispositifs à transfert de charge, qui ont été inventés par les Bell Laboratories en 1969. Les premières technologies CMOS sont connues, en théorie, depuis les années 1960 mais leur réalisation et leur utilisation réelle datent du début des années 1990.

Par rapport aux CCD, les capteurs CMOS ont une meilleure intégration des circuits, chacun d'eux comportant plus de fonctions. Cette technologie permet une réduction du temps et des coûts de fabrication. La surface plus réduite de ces capteurs offre une meilleure intégration et la réalisation d'appareils plus compacts. La faible consommation électrique est l'un des points les plus importants. La technologie CMOS à pixel actif, ou APS (active pixel sensor), a été développée par la société Photobit pour les laboratoires de la N.A.S.A. et mise sur le marché en 1977. Succédant à la technologie PPS (passive pixel sensor), elle n'est pas sensible au phénomène d'éblouissement (blooming) et son courant d'obscurité plus faible permet d'obtenir des noirs plus profonds. Par rapport au CCD, un meilleur rapport signal/bruit du CMOS permet d'obtenir une dynamique plus élevée, donc de meilleures images en faible lumière. Les applications des capteurs CMOS sont nombreuses : Caméscopes numériques ; PDA (personnal digital assistant) pour la capture d'image et la transmission par modem ; téléphone mobile imageur pour la transmission immédiate d'une image à un téléphone du même type ; bio-capteur de sécurité (reconnaissance des empreintes digitales, de l'iris de l'œil...) ; caméras de surveillance, de téléconférences, de visioconférences et Webcam ; vision en robotique pour ligne de production et, bien évidemment, les jeux vidéo.

Malgré tous les avantages des capteurs CMOS, les capteurs CCD restent plus précis et plus sensibles. Ceux-ci bénéficient toujours d'une grande avance technologique sur les CMOS qui, eux, sont surtout utilisés sur les appareils d'entrée de gamme ou pour d'autres applications.

Par construction, les capteurs sont monochromes. Pour obtenir une image en couleurs, chaque photosite (ou photodiode) est généralement recouvert d'un filtre de couleur rouge (R), verte (V) ou bleue (B) dit filtre de Bayer. Ne capturant qu'une couleur par photosite (que le filtre de Bayer lui affecte), le capteur reconstitue ensuite un pixel avec quatre photosites (1 R, 2 V et 1 B). Rappelons qu'un pixel (mot abrégé de l'anglais picture element) représente la plus petite unité constitutive d'une image et est utilisé comme unité de mesure de la taille et de la résolution de celle-ci. En pratique, le photosite est souvent appelé pixel par les constructeurs d'appareils numériques puisqu'il est possible, électroniquement, de reconstituer les couleurs manquantes (principe de l'interpolation). Pour permettre une meilleure sensibilité des capteurs vis-à-vis de la lumière reçue, certains comportent, sur chaque photosite, une micro-lentille focalisant les photons dans son puits .

Photographie numérique : micro-lentille

Dessin : Photographie numérique : micro-lentille

Une micro-lentille positionnée sur chaque photosite constitutif d'un capteur permet de mieux focaliser la lumière incidente, réduisant l'effet cosinus provoqué par les parois du puits du photosite. La réponse photoélectrique sera constante et la sensibilité du capteur améliorée. 

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Sensibilité des capteurs matriciels

La plupart des capteurs sont chargés par la quantité de lumière équivalente à l'exposition d'un film de sensibilité 100 ISO. L'obtention d'une sensibilité supérieure, automatiquement ou par le réglage de l'appareil, consiste à diminuer la charge capturée dont le signal sera amplifié par la suite. Passer d'une sensibilité de 100 à 200 ISO équivaut à doubler la sensibilité du capteur. Sur la plupart des appareils, le gain s'ajustera automatiquement en fonction de la quantité de lumière arrivant sur le capteur. En augmentant la sensibilité, les bruits parasites sont eux aussi amplifiés. C'est l'équivalent du grain sur les films argentiques .

Photographie numérique : sensibilité des capteurs et amplification du signal analogique

Dessin : Photographie numérique : sensibilité des capteurs et amplification du signal analogique

La plupart des capteurs sont chargés par la quantité de lumière équivalente à l'exposition d'un film de sensibilité 100 ISO. Obtenir une sensibilité supérieure consiste à diminuer la charge capturée (électrons par chaque photosite) et amplifier le signal résultant de cette charge.... 

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Signal et bruits

Les « bruits » affectent tous les systèmes d'imagerie, qu'ils soient argentiques ou numériques. Pour la photographie argentique, ils sont engendrés par les grains de l'émulsion. Pour les images numériques, ce sont des bruits temporels comme le courant d'obscurité qui est provoqué par les électrons présents dans le puits du photosite et qui est dû à une agitation thermique liée à la dimension du photosite et à la température ambiante ; ces électrons ne peuvent se différencier des électrons résultant de l'exposition. Un autre type de bruits est causé par la réponse non uniforme du réseau de photosites, laquelle est due à la configuration de ce réseau et à l'épaisseur du silicium du capteur ; il se manifeste lors de la lecture et est amplifié, en même temps que le signal, à la sortie du CCD.

Les capteurs disposent généralement de deux dispositifs de correction  :

Appareil photographique numérique : exemple d'architecture

Dessin : Appareil photographique numérique : exemple d'architecture

Exemple d'architecture d'un appareil photographique compact numérique multimédia. 

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– le CDS (correlated double sampling) pour le courant d'obscurité ;

– l'AGC (auto gain control) pour le contrôle d'amplification automatique du signal analogique.

Les différents photosites d'un capteur

Tous les photosites d'un capteur matriciel CCD ne sont pas utilisés pour produire l'image . Un masque opaque, positionné sur le pourtour du capteur, permet de mesurer le courant généré par les photosites placés dans le noir afin d'évaluer le bruit de fond et de l'éliminer lors de la prise de vue. Une zone tampon, composée d'une bande de photosites localisés le long du masque opaque, élimine les défauts géométriques de la découpe irrégulière du masque opaque. Une troisième zone, qui n'entre pas non plus dans la composition de l'image, sert de zone de calcul. Elle est utilisée par les algorithmes de dématriçage et d'interpolation pour la recomposition de l'image finale. La dernière zone correspond à celle de l'image réelle, où tous les photosites participent à son acquisition. Ceux-ci sont appelés pixels effectifs ou pixels imageurs.

Photographie numérique : pixels totaux-pixels effectifs

Dessin : Photographie numérique : pixels totaux-pixels effectifs

Dans un CCD (charge coupled device), les photosites utilisés pour capturer l'image sont appelés pixels effectifs ou pixels imageurs et sont localisés dans la zone de l'image réelle. Les pixels des autres zones permettent le traitement de l'image. Ainsi, le masque opaque évalue et supprime le... 

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Capture professionnelle du sujet

Les professionnels de la prise de vue utilisent, comme les amateurs, des capteurs matriciels CCD et des capt [...]

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Photographie : procédés argentique et numérique

Photographie : procédés argentique et numérique
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Appareil photographique numérique : exemple d'architecture

Appareil photographique numérique : exemple d'architecture
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Photographie numérique : rôle des photosites d'un capteur

Photographie numérique : rôle des photosites d'un capteur
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Photographie numérique : fonctionnement d'un capteur CCD avec fonction d'obturation

Photographie numérique : fonctionnement d'un capteur CCD avec fonction d'obturation
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  • : enseignant à l'École nationale supérieure Louis-Lumière, spécialiste des systèmes et produits numériques et argentiques

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Pour citer l’article

André CHABANETTE, « PHOTOGRAPHIE - Procédés de prise de vue numérique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/photographie-procedes-de-prise-de-vue-numerique/