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Analyse électronique de l'image

Le signal vidéo

La transposition d'une image en signal électrique s'effectue point par point dans la continuité d'un balayage qui analyse une image en D lignes, les lignes paires d'abord, formant une trame, les lignes impaires ensuite en une seconde trame entrelacée avec la première. Pour éviter le papillotement, il est nécessaire de transmettre au moins 50 trames par seconde et, comme il était à l'origine commode de synchroniser cette fréquence sur celle du secteur d'énergie, les systèmes ont eu pour fréquence de trame celle du secteur du pays. En Europe, cette fréquence est de 50 hertz et on transmet 25 images entières de D lignes par seconde. Le nombre D de lignes est tel qu'un compromis puisse être établi entre la finesse de l'image et la largeur du spectre du signal d'image qui s'étend entre zéro et un maximum voisin de 13 D2 (pour une fréquence de trame de 50 Hz). Le tableau donne les principales caractéristiques des systèmes actuels.

Signaux vidéo

Tableau : Signaux vidéo

Différents types de signaux vidéo. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le signal d'image traduit en tension la luminosité du point d'image analysé, mais comporte aussi des temps de retour de balayage, dits de suppression, pendant lesquels sont transmis la référence de la différence de potentiel et le signal de synchronisation. La figure 1 montre la forme de ce signal sur une ligne.

Signal vidéo : traduction d'images noir et blanc

Dessin : Signal vidéo : traduction d'images noir et blanc

Forme du signal vidéo traduisant une ligne de l'image en noir et blanc à 625 lignes. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les analyseurs

Les tubes analyseurs

Les tubes analyseurs ont été le seul dispositif de prise de vues jusque dans le courant des années 1980. Ce sont des tubes à vide transformant l'image lumineuse en signal électrique. Ils comportent essentiellement trois parties (fig. 2) :

Analyseur à photoconduction

Dessin : Analyseur à photoconduction

Principes de l'analyseur à photoconduction. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– une surface sensible, sur laquelle est formée l'image optique de l'objet télévisé et qui, soit par photoémission, soit par photoconduction (semiconducteur), libère un nombre d'électrons proportionnel à l'éclairement ;

– une cible, sur laquelle se forme un relief de potentiel dû aux électrons libérés, ce dernier constituant la transposition électronique de l'image lumineuse ;

– un faisceau de balayage, qui efface point par point le relief de potentiel en mettant en œuvre un courant qui traduit la charge, donc l'éclairement local, en un signal électrique.

La figure 2 montre la structure de l'analyseur utilisé en télévision, reposant sur la photoconduction d'un semiconducteur. Pour un tube analyseur, diverses variantes existent suivant la nature du semiconducteur qui constitue la couche sensible, sulfure d'antimoine Sb2O3 (Vidicon), oxyde de plomb (PbO) ou sélénium (Se). La sensibilité de ces tubes, c'est-à-dire l'amplitude du signal de sortie en fonction de la longueur d'onde à puissance incidente constante, est voisine de celle de l'œil. L'éclairement de l'image est de l'ordre de 1 lux pour les zones les plus lumineuses (cf. photométrie).

Les senseurs solides

Les senseurs, ou capteurs, d'image solides reposent sur l'utilisation d'une cible de silicium monolithique divisée en points d'image séparés (pixels). Ces points peuvent être des photodiodes ou, le plus souvent, des capacités MOS (metal oxide semiconductor) constituées d'un substrat de silicium P et d'une grille conductrice (et transparente) en silicium polycristallin séparée du substrat par une mince couche d'oxyde.

Comme les tubes, ces senseurs doivent assurer la fonction de conversion opto-électronique et la fonction multiplexage de l'information (balayage). Pendant la durée active de la trame, chaque pixel a sa grille polarisée positivement et accumule des charges électriques (négatives) proportionnellement à son éclairement et au temps, donnant un échantillonnage de l'image. Les charges restent localisées sous l'électrode ; il reste à les extraire une à une sous forme de signal électrique. Pour cela, on utilise les propriétés de transfert de charges des dispositifs à capacités MOS. Si une capacité MOS dont la grille est polarisée positivement contient des charges et se trouve voisine d'une autre dont la grille n'est pas polarisée et n'a pas accumulé de charge, il est possible de transférer les charges vers la capacité voisine avec une perte très faible en abaissant la tension de grille de la capacité initialement chargée et en relevant celle de la capacité initialement non chargée (cette propriété a été mise en œuvre avant les senseurs solides pour fabriquer des registres à décalage ; la technologie est appelée CCD pour charge coupled devices). Deux méthodes sont utilisées. Dans un senseur à « transfert de trame » (fig. 3a), une seconde matrice de points (zone mémoire), de même format mais non photosensible, est située à la suite de la première. À la fin de la période d'accumulation des charges, le contenu de la matrice photosensible est transféré verticalement ligne par ligne (pendant le retour trame) dans la zone mémoire, qui est alors vidée ligne par ligne (pendant chaque suppression ligne) dans le registre de sortie qui est lui-même vidé point par point pendant la ligne active, donnant le signal vidéo. Dans un senseur à « transfert interligne » (fig. 3b), un élément de stockage non photosensible est horizontalement adjacent à chaque pixel. Après l'accumulation des charges, chaque pixel est vidé vers l'élément de stockage adjacent. La matrice des éléments de stockage (qui est constituée d'autant de registres verticaux que de points par ligne) est alors vidée ligne par ligne dans le registre de sortie qui lui-même est vidé point par point comme dans le cas du transfert de trame.

Télévision : matrice de prise de vue solide

Dessin : Télévision : matrice de prise de vue solide

Principe de fonctionnement d'une matrice de prise de vue solide. En a, senseur CCD (charge coupled device) à transfert de trame. En b, senseur CCD à transfert interligne. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Précisons que, bien qu'il y ait un échantillonnage horizontal de l'image comme pour la numérisation, des considérations de limitation de spectre, difficile à effectuer dans le domaine optique, ne permettent pas de mettre un échantillon numérique par pixel.

La caméra de prise de vues

L'analyseur est l'élément principal de l'organe dit « caméra de prise de vues directe », par analogie avec le cinéma. Un objectif, généralement à focale variable, forme une image sur la cible photosensible (tube analyseur ou senseur solide).

Un ensemble complexe de circuits électroniques assure le fonctionnement de l'analyseur. Ce fonctionnement est asservi à un signal d'horloge qui donne les références temporelles ligne et trame et auquel sont synchronisés les signaux de commande.

Le signal issu de l'analyseur est traité dans un amplificateur qui réalise certaines corrections : la correction de bande vidéo, dite d'ouverture, et la correction non linéaire, dite de gamma. La correction de bande vidéo permet d'améliorer la finesse de l'image dans les deux sens, horizontal et vertical. La correction de gamma est destinée à corriger la réponse courant-lumière dans le tube-image. Cette réponse est en effet non linéaire et de la forme log e = ã log s, e et s étant les grandeurs d'entrée et de sortie et ã étant une constante ; avec e, tension d'attaque du tube image, s, luminance de l'écran et ã # 2,8. Les signaux de suppression constituent la référence de n [...]

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Signaux vidéo

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Signal vidéo : traduction d'images noir et blanc

Signal vidéo : traduction d'images noir et blanc
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Analyseur à photoconduction

Analyseur à photoconduction
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Télévision : matrice de prise de vue solide

Télévision : matrice de prise de vue solide
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Pour citer l’article

Louis GOUSSOT, Stéphane LACHARNAY, Dominique NASSE, « TÉLÉVISION - Télévision analogique terrestre », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/television-television-analogique-terrestre/