Les capteurs CCD ou CMOS

CCD en Français DTC= dispositif à transfert de charge. CMOS : complementary métal oxide semi-conductor

 

Le capteur du Nikon D7000

 

D7000 Cmos

 

 

Quelques éléments simplifiés pour comprendre ce dispositif essentiel


 

Le capteur CCD (ou CMOS) est une mosaïque constituée par l' assemblage sous la forme d’une matrice, d'éléments sensibles à la lumière.

Chacun de ces éléments est appelé photosite (Dans le cas du D300 par exemple, la taille d'un photosite est de 5,5 µm (Micromètre). Un photosite accumule une charge électrique proportionnelle à la quantité de lumière qu'il reçoit. Si l'on utilisait les données (la charge electrique accumulée par chaque photosite) fournies par ce capteur on obtiendrait une image noir et blanc. En effet cette information n'est que quantitative elle indique le niveau de luminance de chaque point de la scène.
Pour avoir une image couleur il faut "spécialiser" chaque photosite pour une couleur primaire.
Pour cela on utilise un filtre (dit “filtre de Bayer”, du nom de son créateur) constitué d'un quadruplet de filtres colorés (Rouge, Vert, Bleu) placé sur un quadruplet de photosites .Chaque quadruplet est composé de 2 éléments verts pour seulement 1 rouge et 1 bleu, pour tenir compte de la sensibilité de l'oeil humain plus marquée dans cette couleur.
Donc, si un quadruplet est éclairé par de la lumière blanche (contenant donc toutes les couleurs du spectre visible) les quatre photosites recevant la même quantité de lumière (chaque filtre de bayer laissant passer la partie du spectre qui le concerne) ils accumuleront une charge identique.


Dans ces conditions le calculateur de l'appareil en déduira qu'il s'agit de lumière blanche.
S'il s'agissait de lumière rouge, seul le filtre rouge aurait laissé passer la lumière et donc seul le photosite rouge aurait accumulé une charge, etc....


 Le capteur CMOS

Basé sur une technologie de fabrication différente, moins coûteuse. Les performances en niveau de bruit du CMOS étaient au départ de piètre qualité à cause de la taille réduite de la partie sensible des photosites et à des disparités de rendement entre eux.
Il est basé sur le même principe que ce qui est indiqué pour le CCD en ce qui concerne l'organisation (photosites, filtre de bayer) mais très différent dans sa construction et dans son principe d'utilisation.


  En effet chaque photosite comprend aussi son propre système de traitement (transistors) ce qui permis de régler les problèmes de manque d'homogénéité de rendement des photosites. L’électronique incluse a aussi permis de traiter le bruit à la source.

Le système CMOS permet aussi une plus grande rapidité dans les phases de lecture, pour la vidéo par exemple.
Le CMOS se présente aujourd'hui comme le capteur de l'avenir en photographie.

La zone sensible de chaque photosite ne couvrant pas entièrement sa surface à cause des nécessaires circuits électriques de connexion et les transistors de traitement du signal, des micro lentilles placées au dessus de chaque photosite concentrent toute la lumière arrivant à la surface du photosite sur sa seule partie sensible, améliorant ainsi son rendement.

Les dernières générations de capteurs sont dit back illuminated. Les circuits electriques se trouvant maintenant à l'arrière de la puce, ils ne masquent plus la partie sensible et permettent un meilleure efficacité. Un point important qui pénalisait les CMOS par rapport aux CCD's est ainsi éliminé.

 

 

Le filtre passe bas



  Ce filtre est nécessaire pour éviter la production d’artefacts (éléments n’existant pas dans l’image fournie par l'objectif) dus à une possible résolution de l’objectif supérieure à celle du capteur.

  Imaginez par exemple que l’objectif projette sur le capteur un très fin détail de l’image, par exemple un point blanc de la taille d’un seul photosite.
Selon le photosite sur lequel ce point tombera il sera interprété par le calculateur comme bleu vert ou rouge mais pas blanc puisque par sa taille il ne peut couvrir qu’un seul filtre rouge vert ou bleu. Va donc apparaître dans l’image un artefact coloré.

 

  Ce filtre agit donc en dédoublant (quadruplant en fait) les détails aussi fins que la taille d'un seul pixel de manière à ce que leur image recouvre au minimum deux photosites contigus en largeur et deux photosites contigus en hauteur. Cela limite le problème de fausses couleurs mais amène un affaiblissement de la netteté de l'image. Il est donc indispensable d'appliquer un filtre d'accentuation pour récupérer cette netteté perdue. C'est la raison de sa présence dans le menu "optimisation" (ou Picture Control) de votre appareil.

  Ici la démo concerne l'action du passe bas sur le problème de trame couleur lié au le filtre de bayer mais ceci n’est, bien sûr, qu’une illustration simple d’autres phénomènes plus complexes (repliement de spectre dû à la plus grande résolution de l'objectif par rapport à celle du capteur) qui sont limités aussi par le filtre passe bas (le moiré en luminance qui produit un moirage noir et blanc).

 

>

 

Politique industrielle de Nikon en matière de capteurs

 

  Au départ (D1) Nikon s'est fourni en capteurs pour reflex chez le plus gros fabriquant (Sony).

  Selon les cas, soit Nikon a communiqué un cahier des charges pour que Sony fabrique le capteur correspondant à la demande soit a demandé des modifications sur un capteur existant ai catalogue du fabricant. Cette méthode perdure encore aujourd'hui. Mais depuis de nombreuses années Nikon a diversifié son panel de fournisseurs et conçoit certains ses capteurs et les fait fabriquer par des "fondeurs" différents (D3/D700 par exemple), ou achète des capteurs au catalogue de fabricants en demandant des modifications selon certains critères spécifiques (D800/D600).