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Les Capteurs Photographiques

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by

Gregory MERLE

on 22 April 2014

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Transcript of Les Capteurs Photographiques

Une Différence Principale
CCD-CMOS: Avantages et inconvénients
Le Dématricage
Fonctionement général des Capteurs Photos
Commercialisé par Sigma depuis 2008
Le Capteur Foveon : Une révolution?
L'appareil
Argentique
Les Capteurs Photographiques
Le Capteur CMOS
La Révolution du Numérique
Inventé en 1969 par George E. Smith et Willard Boyle
Le capteur CCD
La chambre Noire
L'appareil
Numérique

-Une surface sensible : pellicule dans les appareils argentiques.

- Un objectif : composé d’une succession de lentilles de différents types.

- Un diaphragme.

- Un mécanisme d’obturation.

- Un prisme et un miroir (uniquement sur les appareils de type reflex).

L'appareil Argentique
Caractéristiques
1 pixel= 1 photodiode + 1 amplificateur
Principe de Fonctionnement
-Une matrice de pixels
- Un amplificateur colonne
-Un convertisseur analogique-numérique
Les Filtres
Le Dématricage
Matrice de Bayer
Les Filtres
Matrice de bayer
Composants d'un capteur
Microlentilles
Filtre Infra Rouge
Filtre anti-alasing
L’œil humain ne voit que le spectre visible.
Un capteur photo va plus loin puisqu’il est également sensible aux infrarouges.
Les fabricants utilisent un filtre qui empêche les IR d’arriver jusqu’aux récepteurs.

-Sélection des pixels un par un
-Sélection de la ligne "i", lecture de la colonne "j", "j+1,... vers l'échantilloneur et le CAN
- Puis sélection de la ligne "i+1"
2 types de capteurs CMOS
-Le CMOS monolithique: composant à base de silicium.
Perte de résolution spatiale à cause de l'amplificateur.
-Matrice constitué de photosites

-Le CMOS hybride: composé d'une matrice de pixels en matériau différents du silicium et d'un circuit de lecture.
-Transforme l'énergie lumineuse
en énergie électrique
- Photosite = puit de potentiel
- Tous les puits sont ensuite collectés
lors de la lecture
Principe du CCD
-Après remplissage des puits,
les charges sont récupérées par un
jeu de potentiel cyclique.(horloge)


- Après collecte, amplification
du signal et conversion en numérique

- Le CCD plein cadre:
Toute la surface contribue
à la détéction
- Le CCD à transfert de trame
Deux matrice CCD superposées
- Le CCD Interligne: associe
une photo-diode à chaque
cellule CCD
CCD
CMOS
Caractéristiques
CMOS/CCD
FOVEON
Principe de
Fonctionnement
Propriétés quantiques du Silicium
-Chacune des couches de silicium sont espacées de la longueur d'onde du bleu, du vert, du rouge.
-Les photons de différentes longueurs d'onde sont stoppés par la couche correspondante.
Avantages et inconvénients
-Pas besoin de filtre
- Augmentation de la sensibilité puisque l'on capte toute la lumière.
-Meilleur nuance colorimétrique et qualité d'image nettement supérieure
MAIS...
- Difficulté de fabrication et prix élevée
-Problème de bruit du aux calculs pour determiner la couleur
-Problème pour les rayons obliques et de diffusion des rayons
Caractéristiques
Les Trois capteurs CCD
Capacités électroniques
-La sensibilité : maximum vers 0,6-0,7 µm
-La capacité des pixels= profondeur des puits
Une grande capacité permet des temps de pose plus longs, et donc de réduire le bruit de photon.
-Linéarité très bonne
-Le bruit = bruit de lecture +bruit thermique + bruit de numérisation +bruit de photon
-Également appelé filtre anti-Moiré ou filtre passe bas ce filtre limite la taille des plus petits détails qui vont arriver jusqu’au capteur.

-Ceci pour lutter contre des artefacts qui se créent si l’on tente de photographier des détails plus petits que 2 pixels.

Rendu du filtre Anti-Allasing
-D’après le théorème de Shannon la fréquence du capteur doit être le double de celle de l’image pour permettre un enregistrement correct.
-En accord avec ce principe le filtre anti-aliasing limite la taille du plus petit détail à au moins 2 pixels, en appliquant un léger flou.
Exemple 3 niveaux de détails
Crénelage

Ce filtre permet également d’éviter les problèmes de crénelage, sans quoi les contours de l'image ont un aspect « marche d’escalier » comme illustré ci dessous :

UNE BONNE PHOTOGRAPHIE?
Tailles et nombres de photosites
-Plus le nombre de photosites est important et plus l’utilisateur pourra réaliser des tirages de taille importante
-Mais les photosites sont forcément de plus en plus petits et donc de moins en moins sensibles à la lumière
- Nécessite amplifier et donc augmentation du « bruit » dans les zones sombres
-Un grand nombre de photosites n’engendre pas forcément des clichés d’une meilleure qualité
Optimisation de la relation objet-image
-L'image de la pastille doit couvrir toute la matrice de pixels
-Pour un CCD de surface 8,67x6,70(mm²) et une taille de pastille 5x5(mm²), le grandissement optimal serait de 1,734x1,34(mm) cependant on va utiliser un grandissement de 1,34mm. On peut ainsi définir la position objet qui est à -31,43mm.
Détermination du temps de pose du capteur
-Pour déterminer le temps de pose il faut déterminer le nombre d'électrons générés par la source de photons pour 1 pixel (Ne-) puis imposer que ce nombre soit inférieur au nombre total d'électrons à saturation
-Il faut donc ouvrir au maximum le diaphragme d'ouverture (L0) de façon à minimiser le temps de pose et que plus les pixels auront une grande taille (surface pxpy) plus le temps de pose sera faible
Détermination du rapport signal sur bruit
-Necessité de diminuer le bruit pour espérer avoir un signal et donc une image de qualité supérieur.
-Les sources de bruit du capteur sont: de lecture, d'obscurité et de photons
En travaillant cet aspect les capteurs deviennent plus sensibles et donc plus à l’aise en basse lumière.
Ceci permet d’améliorer le rendement de la conversion lumière/électricité.

Pour qu’une photo site ne soit sensible qu'au rouge, au vert ou au bleu on utilise des filtres colorés.
Si la matrice de Bayer utilise deux fois plus de filtres verts que de rouges ou bleus c’est pour être fidèle à l’œil humain, nettement plus sensible au vert
Le dématriçage permet de calculer la valeur des composantes RVB des pixels en fonction des valeurs lues par les photosites.
Exemple de dématricage
La valeur des composantes RVB du pixel en (2,4) se calcul en faisant la moyenne des valeurs enregistrées par les photosites voisins, on a :

• Rouge(2,4)= (V(2,3) + V(2,5)) / 2
• Vert(2,4)= (V(1,3) + V(1,5)+ V(2,4) +V(3,3)+ V(3,5)) / 5
• Bleu(2,4)= (V(1,4) + V(3,4)) / 2

Ici l'algorihme utilisé est trés simplifié car l'image est très zoomé, l'image n'est dons pas totalement fidèle à l'image de base mais ce phénomène est vite oublier sur une image de plusieurs millions de pixels
Taille et résolution des Capteurs
La résolution est calculée par le nombre de pixels en longueur et en largeur. De cette résolution dépendra le format de sortie, c'est-à-dire la taille maximum en impression sans altération de la qualité.
Taille des Capteurs
La diagonale du capteur est globalement égale au 2/3 de la taille indiquée
La taille exprimée est en pouce
- 1: Le capteur : il transforme l’image en charges électriques.
- 2 : Le viseur optique
- 3 : Le processeur: il gère l’ensemble et transcrit les charges électriques en fichiers.
- 4 : Le micro moteur: permet de faire varier la focale.
- 5 : Les ports de sortie: ils font communiquer l’appareil photo avec l’extérieur (ordinateur).
- 6 : La carte mémoire: elle stocke les données numérisées.
- 7 : La batterie.

Fonctionnement
Le principe de la Photodiode
La base des appareils photo numérique est l’utilisation de photodiode. La photodiode est un capteur optique à base de silicium se basant sur l’effet photoélectrique.
La fabrication
Les Capteurs CCD: comment c'est fait ?
Dans une photodiode sous éclairement, un photon cède toute son énergie à un électron appartenant à un atome de silicium et donne naissance à une ou plusieurs paires électron-trou. La polarisation en inverse (avec une jonction P-N) de la photodiode produit un courant (IR) qui augmente proportionnellement avec l'intensité lumineuse.
Comparaison Argentique/Numérique
Argentique
Avantages
Inconvénients
bonne qualité d'image
Prix bas
Fiabilité
Coup de devellopement des photos
Developpement necessitant une chambre noire
Pas d'écran
Effacement de photos impossible.
Capacité de stockage
Moins de réglage possibles
pollution
Numérique
Avantages
Inconvénients
Prix (Cependant les prix baissent de plus en plus )
Developpement peu couteux
Qualité
Grandes possibilitées de réglages
Modification des photos
Grande capacité de stockage
Peu polluant
Ecran
La dynamique ?
Faible dynamique type CMOS
Bonne dynamique type CCD
Résolution
L'évolution de l'appareil photo
-Ce grandissement conditionne la position de la pastille vis à vis de l'objectif d'imagerie
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