Les types de capteurs numériques en photographie
Par Coasterman • 18 nov, 2009 • Catégorie: Comprendre la photoAujourd’hui je vais vous parler des différents types de capteurs numériques. Comme pour mon dernier article, les infos sont extraites de mes cours de photos. J’essaie également de résumer un maximum les informations pour qu’elles soient accessibles à tous.
On distingue 4 types de capteurs :
- CCD
- CMOS (fort similaire au CCD)
- SUPERCCD
- FOVEON X3
Un capteur c’est quoi ? En gros c’est l’élément sensible de l’appareil, il est comparable aux films des appareils argentique. Il est composé de cellule solaire appelé « photosite ». Les photosites captent la lumière et la transforment en énergie électrique comme le font les cellules solaire des panneaux solaires.
Parlons un peu du capteur CCD. Ce terme signifie « dispositif à transfert de charge ». Ce type de capteur est le plus utilisé sur les appareils non professionnels (même si c’est le CMOS se développe de plus en plus, il est d’ailleurs fort similaire). Ces photosites sont répartis en forme matricielle, si l’on prend l’exemple d’un capteur de 6 millions de pixels (en réalité ce sont des photosites, ils ne deviennent pixels qu’une fois sur l’ordinateur). Cela donnerait donc ceci :
Donc vous avez 3 milles pixels sur la largeur et 2 milles sur la hauteur, ce qui donne 6 millions quand vous les multipliez 
Bon ce n’est pas tout ca mais comment ca marche ? Lorsque les photosites reçoivent de la lumière ils la transforment en énergie électrique (volt). Plus l’intensité lumineuse (exprimée en lux) est importante, plus les photosites donnent de l’énergie.
Si le capteur ne reçoit pas de lumière, il transmet 0 volt et donc c’est noir. 0,01 volt et vous obtenez un noir un peu plus gris et ainsi de suite jusqu’à la limite qui est de 2,55 volt, ce qui donne un photosite tout blanc dit « brulé ».
Le module de numérisation va transformer chaque courant électrique en nombre qui eux-mêmes correspondent à une nuance de gris.
- Dans un capteur CCD :
On extrait les données par colonnes. Alors que sur un capteur CMOS on extrait les données de chaque photosite.
Oui mais voilà tout ceci c’est pour le noir et blanc. Comment alors est-ce que les capteurs peuvent nous donner des images en couleurs ? Pour cela ils utilisent un filtre de BAYER. Voici encore un petit schéma pour vous expliquer.
Chaque photosite possède un filtre de couleur, ou il y a un filtre rouge le photosite ne « capte » que la couleur rouge, le filtre ne vert ne « capte » que la couleur verte et pareil pour le bleu. La mosaïque comporte 2x plus de vert car le vert n’est pas bien capté par les capteurs.
Bon mais avec tout ca on fait quoi ? Si on prend le premier photosite en haut à gauche, il possède un filtre rouge donc il ne capte que la couleur rouge. Pour obtenir sa vrai couleur l’appareil va aller rechercher les informations dans les photosites vert et bleu qui se trouvent tout près.
- Le capteur SUPERCCD est un capteur crée par Fujifilm.
Sa principale caractéristique est que chaque photosite possède 2 photosites, 1 gros et un petit. Le gros photosite délivre plus d’énergie que le plus petits et ce pour une quantité de lumière équivalente. L’avantage de ce type de capteur est de pouvoir faire des prises de vues de scènes ayant de fort contraste.
A noter que les photosites sont légèrement décalés pour éviter le crénelage (voir Google car je n’ai pas plus d’explications). Encore un petit schéma pour montrer.
- Finissons maintenant par le capteur FOVEON X3
Ce type de capteur est fabriqué et utilisé uniquement sur les appareils Sigma. C’est en fait un capteur CCD mais qui possèdent 3 couches, en quelques sortes 3 capteurs.
Ici pour la couleur pas de calculs et de donnés obtenues grâce aux autres photosites car comme il y a 3 couches les ingénieurs ce sont arrangés pour que chaque couche puissent filtrer et donc enregistrer une couleur.
Voilà j’espère ne pas avoir été trop long et surtout avoir été clair. Si vous avez une question ou l’autre n’hésitez pas.
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et bien j’ai appris des choses !
La matrice de Bayer n’est qu’une des CFA possibles et non un terme générique (qui est CFA, color filter array).
De plus la matrice telle que présenté n’est pas la matrice de Bayer, celle ci est décomposable en un carré de 2×2 photosites, GRGB par contre effectivement.
Le vert y est en double car c’est la couleur à laquelle nos propres yeux sont les plus sensibles, pour d’autres types de CFA pour lequel il n’y a pas un besoin de compléter des trous (d’autres CFA regroupables en 2×2photosites n’ont que 3 éléments de filtre, le 4ème étant inutilisé voire utilisé autrement (filtre Cyan pour certains capteurs Sony, mais jamais vu ailleurs), donc un CFA tel que tu le présentes sur ton site s’il était utilisable n’aurait qu’une seule bande verte.
Pas mal, juste une correction: le mot Mille est invariable il me semble….donc pas de s !
@ Serge : tu en connais certainement d’avantages que moi donc merci pour le complément d’information. Ici j’ai juste expliquer comme notre prof nous l’a expliqué
@ buster : oui je sais jamais si il faut mettre un s ou pas
très intéressant, bravo.
Une petite remarque, l’énergie électrique, tout comme toute énergie s’exprime en Joule. Le volt, et plus précisément la différence de tension, ne suffit pas à elle seule à quantifier l’énergie, même si en pratique on utilise les variations de tension électrique pour mesurer l’énergie lumineuse
Voilà un petit autre détail, lorsque l’intensité lumineuse est nulle, l’énergie délivrée par le photosite n’est elle pas nulle: ça s’appelle le bruit éléctronique. La valeur de 2,55V est possible mais me semble bizarre car laisse à penser à une analogie avec l’échantillonnage sur 8 bits.
Pour ceux qui veulent aller un peu plus loin, j’avais trouvé un article assez complet et technique, voir par là : http://totographe.free.fr/index.php?post/2008/03/03/La-photographie-numerique%3A-comment-ca-marche
ce soir je dormirai moins bête ! merci coastermann
Bravo!
[...] Les types de capteurs numériques en [...]
super article, merci coaster!
ça reste compliqué mais j’y vois quand même plus clair maintenant!
et rien que le terme “CMOS” je ne savais toujours pas ce qu’il signifiait précisément, donc : merci! =)
Hmm je réagi une deuxième fois, aussi quant au détail concernant les volts… est-tu sûr que ce soit le cas (l’intervalle 0-2.55V) ?
Je pense plutôt qu’on à affaire à une information numérique (paquets de bits “0″ ou “1″ permettant de représenter des valeurs une fois groupés). Ainsi on a une tension constante, mais qui passe (1) ou non (0), à un cycle définit (fréquence d’horloge). À la réception, pour peu qu’on utilise la même fréquence, il ne reste qu’à lire l’absence ou présence de tension pour récupérer nos bits. On les regroupe, et hop ! on a récupéré notre valeur.
Le cheminement étant :
un photon arrive sur le photosite, qui en génère des électrons (le taux de conversion s’appelant rendement quantique)
Le nombre d’électrons est passé en une valeur numérique (exprimée en e-/ADU : électrons par unité numérique, c’est le “gain”). On voit vite ce fait sur les caméras à gain réglable (ce n’est pas le cas de nos APN) : si on baisse le nombre d’électrons nécessaires pour considérer qu’on a 1 ADU (donc qu’on monte le gain), pour un même nombre d’électrons (et donc de photons) on a bien une information finale plus importante.
Cette valeur est finalement codée sur 8,12 (EOS 5D) ,14 (EOS 40D, 5D², …),… bits, soit de 0 à 255, 4095, 16383, …
Pour la photo diurne toutes ces considérations sont peu utiles à connaitre, mais sont primordiales pour pouvoir comparer des capteurs dans le domaine de l’astrophoto, surtout les APN (gain fixe) ; voir l’excellent site de C. Buil, notamment http://astrosurf.com/buil/50d/test.htm (cachets d’aspirine non fournis)