LES CAPTEURS D IMAGE

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1 8 LES CAPTEURS D IMAGE Appelés aussi senseurs, les capteurs d image sont des composants électroniques destinés à assurer la conversion des niveaux de luminosité d une image en grandeurs électriques proportionnelles. Leur surface sensible constituée d une myriade de photo-capteurs se situe dans le plan image de l appareil de prise de vue et reçoit l image réelle de la scène focalisée par le bloc optique (voir éventuellement les figures 7 et 18). Cette image réelle inversée est décomposée en points élémentaires (les pixels) agencés selon une matrice à deux dimensions. L analyse successive des éléments de la matrice, rangés en lignes et en colonnes fournit pour chaque pixel de l image, une tension continue directement proportionnelle à l éclairement reçu et constitue pour celui-ci une information élémentaire de luminosité. L exploitation ultérieure de cette information necessite la conversion des valeurs analogiques en grandeurs numériques pour être utilisée dans les circuits de traitement de l information, les DSP. En photographie numérique, deux types de capteurs matriciels sont utilisés -73-

2 pour l analyse de l image, ce sont les capteurs à CCD Charge Coupled Devices, dispositifs à transfert de charges et les capteurs CMOS Complementary Metal Oxyde Semi-conductor ou parfois Complementary Metal Oxyde Silicon en raison des couches utilisées pour la fabrication. Les deux types de capteurs utilisent toujours du sillicium et les mêmes composants de base, les transistors MOS, mais c est la façon d obtenir les signaux électriques représentant les informations élémentaires des pixels qui diffère. De plus, les capteurs à CCD necessitent des chaînes de fabrication spéciales alors que les capteurs CMOS sont produits sur des chaînes conventionnelles de grande production utilisées dans l industrie des circuits intégrés. LES CAPTEURS à CCD Inventés en 1970 par les américains W.S. BOYLE et G.G. AMELIO aux laboratoires BELL, leur fonction première était de fournir des composants mémoire à grande capacité. Principe du transfert de charge Comme le montre la figure 31 ci-dessous, un registre est constitué par l assemblage en série de cellules élémentaires constituées par la capacité de la jonction source/substrat d un transistor MOS à grille isolée. Grille (Métal) Isolant (Oxyde de silicium) Canal N avec Impuretés type N Substrat type P (Silicium) Fig Constitution d un registre à transfert de charges - Le transistor MOS peut être assimilé à un interrupteur commandé en tension par sa grille, qui laisse passer un courant entre le drain et la source comme le montre la figure 32 ci-dessous : Gate G Source Drain S D Fig Transistor MOS Dans un registre à transfert de charge, les transistors sont montés en série, avec une électrode commune. Le fonctionnement est alors simple à -74-

3 T1 T2 T3 T4 T5 T6 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 Sens du déplacement k1 k2 k3 k4 k5 C1 C2 C3 C4 C5 C6 Fig. 33 -Schéma équivalent - Il faut savoir de plus que l apparente symétrie du système est trompeuse et que l injection d impuretés dans le canal est justement destiné à faire en sorte que le passage des charges ne puisse s effectuer que dans un seul sens. La charge du condensateur C1 va se déplacer vers la droite à travers les transistors de la façon suivante : 1) On ferme l interrupteur K1 (une tension est appliquée sur la grille du transistor), les charges présentes dans le condensateur C1 se déplacent à travers le transistor T1 pour aboutir dans le condensa teur C2. Ce transfert s effectue à sens unique et quasiment toute la charge est transférée. 2) On ouvre l interrupteur K1 et on ferme K2, les charges passent de C2 à C3. 3) On ouvre K3 et on ferme K4, les charges passent de C3 à C4. 4) Le processus se répète autant de fois qu il y a de cellules. Dans la pratique, les transistors sont couplés alternativement (pairs/ impairs) ce qui simplifie la commande et permet le déplacement des charges avec seulement deux signaux de commande. Le fait de n avoir que deux signaux a caractérisé ce genre de registres par l appellation de registre à commande Biphasée. Le rendement du système est tel que 99,9 % de la charge est transmise au bout d une centaine de cellules. Il faut encore ajouter au processus un dispositif qui va convertir les charges électriques en tension exploitable. On utilise pour celà la jonction grille/source d un transistor MOS qui fournira une tension de grille qui commandera le passage du courant entre ses électrodes Drain et Source. Le processus inverse, en entrée, pour obtenir des charges en fonction d une tension, est la jonction PN d une diode qui accumule des charges proportionnelles à la tension de polarisation appliquée. Un tel système autorise l intégration de plus de 1000 cellules sur une ligne de quelques millimètres. -75-

4 Les capteurs d image L étape suivante dans le développement des capteurs d image, a été l adjonction pour la conversion tension/charges, non pas de diodes classiques, mais de photo-diodes. Dans ce type de composant polarisé en inverse, un éclairement provoque une augmentation du nombre de porteurs (les électrons). Finalement, on a groupé les registres les uns à côté des autres, couplé chaque cellule à une photodiode relié par un transistor faisant office de porte et c est ainsi qu est né le premier capteur d image plan. Naturellement beaucoup de solutions ont été essayées et pour ne pas allonger l explication, nous allons passer à un modèle réel utilisé couramment dans les camescopes grand public, car il ne faut pas perdre de vue que ces capteurs ont été conçus pour remplacer les tubes TV et que par conséquent ils possèdent des caractéristiques propres pas toujours en adéquation avec les besoins des photoscopes. Nous verrons cependant plus loin qu une nouvelle génération de capteur a été développée spécialement pour la photographie numérique et que cette particularité n est pas étrangère à leur coût élevé. Analysons donc maintenant un capteur type illustré sur la figure 34 ci-dessous : Photo-diode Porte de Transfert Cellule élémentaire (ou photosite) Transfert Ø V1 Ø V2 Registre de transfert VERTICAL Registre de transfert HORIZONTAL SORTIE Ø H1 Ø H2 Fig stucture d un capteur d image plan - Le fonctionnement est très simple, l image est projetée sur toute la surface et éclaire l ensemble des photo-diodes. Les charges proportionnelles à l éclairement de chaque point sont provisoirement stockées dans les jonctions. -76-

5 Un signal sur le fil de transfert va faire transiter toutes les charges simultanément dans toutes les cellules adjacentes. Ce fait est très important car il conditionne le temps d intégration, c est à dire la durée d exposition des cellules, autrement dit, la vitesse d exposition de l appareil, qui peut prendre des valeurs aussi brèves que le 1/ ème de seconde. A ce stade, les charges étant présentes dans les registres verticaux, on applique les deux tensions V1 et V2, en opposition de phase, pour faire descendre d un rang toutes les charges d une rangée. L opération suivante consiste à faire de même sur le registre de transfert horizontal par le biais de H1 et H2. Les charges de la rangée présentes dans ce registre sont donc décalées vers la droite, à la sortie, au rythme des signaux H1 et H2. Une fois décalées toutes les charges, on applique de nouveau les signaux V1 et V2 qui ont pour effet de décaler vers le bas les charges d une nouvelle rangée, vers le registre horizontal et le cycle recommence pour toutes les charges, correspondantes à chaque pixel de l image. On retrouve finalement sur la sortie du capteur, les variations de grandeurs électriques de chaque photosite, à l image des pixels de l image. Le signal obtenu est continu, les variations de tension entre le contenu de deux cellules voisines pouvant être quelconques. La figure 35 ci-dessous reprend ce fonctionnement. Pixel N 1 Colonne N 1 Rangée N 1 ETAPE 1 Exposition ETAPE 2 Intégration Dernier pixel sort le premier ETAPE 3 Transfert Vertical ETAPE 4 Transfert Horizontal Fig.35 - Fonctionnement du transfert - Le signal obtenu en sortie ressemble fortement à un signal vidéo qui -77-

6 serait dépourvu de synchronisation, ce qui n est pas étonnant d ailleurs du fait de la destination première du dispositif. Les schémas de la figure 74 sont plus proches de la réalité et les proportions sont approximativement respectées. Nous y voyons un défaut majeur : les cellules ne sont pas carrées du fait de la présence sur la puce des transistors de passage des photodiodes aux registres verticaux et à la présence des cellules de transfert de ce dernier. Ceci entraîne une opération peu flatteuse pour la qualité finale de l image connue sous le nom d extrapolation. Sur le capteur ICX054K utilisé par le Kodak DC20, les cellules ont les dimensions suivantes 9,6 µm X 7,5 µm, avec la plus grande mesure horizontale, soit un rapport de 1,28. Dans ce cas, l obtention d une image correcte avec des pixels carrés suppose d augmenter du même facteur le nombre de pixels verticaux. Ceci sera abordé en détail un peu plus avant mais reste à la charge du circuit de traitement du signal (DSP). Dans les capteurs actuels, ce défaut est corrigé et les cellules sont carrées comme par exemple sur le SONY ICX204AK avec un côté de 4,65 µm. La lecture des caractéristiques de ces circuits laisse apparaître un autre fait caractéristique ; le nombre de photosites du capteur est toujours plus élevé que le nombre de pixels de l image. Ainsi, le capteur ICX054K affiche un total de 537 (H) X 505 (V) photosites dont seulement 510 (H) X 492 (V) sont effectifs et ne correspondent pas au nombre de pixels de l image fournie par l appareil car nous n avons pas encore vu comment obtenir la couleur! Les démonstrations précédentes sont basées sur des photosites qui captent des niveaux de lumière et donc transcrivent uniquement une information de luminosité. Nous verrons plus loin comment est effectuée la reconstitution des couleurs. Il nous faut auparavant étudier encore quelques points de détails qui n enlèvent rien au principe général déjà analysé. C est ainsi qu il faut savoir que les capteurs CCD utilisés dans les caméscopes grand public sont à analyse entrelacée Interline transfert, c est-à-dire que conformément au standard de la télévision, l image est analysée en deux trames, paire et impaire. Le capteur en fait de même et lit le contenu des cellules un rang sur deux. Celà implique donc quatre signaux d horloges (2 par ligne). Le modèle que nous avons étudié dans la figure précédente était par contre un modèle à analyse progressive progressive scan, où les lignes sont lues une par une, du haut vers le bas. Ces derniers modèles sont bien sûr plus intéressant pour la photographie numérique. LES CAPTEURS CMOS Le coût de revient élevé des capteurs CCD provenant comme nous l avons déjà dit de leur fabrication spéciale a amené les industriels à réfléchir sur les possibilités d exploitation des chaînes de fabrication existantes destinées à la -78-

7 production massive de circuits intégrés CMOS. De ces reflexions sont nés les capteurs CMOS. Principe Dans un capteur CMOS, il existe toujours une photo-diode comme capteur élémentaire de lumière, mais la lecture de la charge ne se fait plus séquentiellement à travers un registre de transfert mais par analyse matricielle, c est-à-dire en adressant la cellule par balayage horizontal et vertical. Ceci est illustré par la figure 36 ci-dessous : sens d entrée du bit de décalage Registre à décalage numérique Horizontal sens d entrée du bit de décalage transistor de commutation verticale Tension de sortie horloge de commande du décalage horizontal T1 T2 0 T4 diviseur de fréquence T3 photo diode cellule binaire du registre 1 T5 T6 transistor de commutation verticale Registre à décalage numérique Vertical horloge de commande du décalage vertical Fig.36 - structure d un capteur d image CMOS - Le fonctionnement est très simple : un bit 1 (présence d un niveau logique haut) est envoyé dans la première cellule du registre à décalage horizontal. Ce bit a pour effet de rendre passant le transistor de commutation verticale et donc de relier entre elles toutes les électrodes de source des transistors MOS qui lui sont reliées. Dans le même temps, un bit se déplace dans les cellules du registre à décalage vertical et porte donc à un niveau approprié les grilles de tous les transistors horizontaux qui y sont reliés. La combinaison synchronisée de ces deux niveaux a pour effet de -79-

8 rendre passant un seul transistor à la fois (T6 dans l exemple) ce qui permet l acheminement des charges stockées dans la jonction de la photodiode vers la résistance de sortie aux bornes de laquelle on trouve une tension proportionnelle à la quantité de lumière reçue. Le gros avantage du système est la simplification des signaux de commande et la possibilité d intégrer tous les composants necessaire sur la même puce, d où gain de place et facilité de fabrication. Le gros inconvénient est le mélange entre signal de commande et grandeur mesurée source de bruit (parasites) dans l image finale. C est la raison pour laquelle on a intégré dans la cellule un élément actif qui permet de diminuer cet effet. Le capteur possédant cette structure est dit à pixel actif et à l opposé, un capteur ne possédant aucun circuit de correction est dit passif. L intégration d un élément actif dans la cellule (le photosite) a pour inconvénient de réduire d autant la surface sensible offerte. Le rapport entre la surface totale du photosite et la surface du photo détecteur (la photo diode) est appellée taux de remplissage fill factor en anglais. Les meilleurs capteurs actuels arrivent à un taux de 30%, ce qui signifie 70% de surface opaque. Ceci est illustré ci-dessous dans la figure 37 : Partie opaque composants actifs Partie utile photo détectrice CELLULE Fig.37 - taux de remplissage - Les capteurs CMOS sont surtout utilisés pour obtenir des appareils à faible coût mais force est de constater qu ils ont encore du chemin à parcourir pour rivaliser avec les capteurs à CCD. Les deux seuls appareils à utiliser ce type de senseur sont le TOSHIBA PDR-2 et le VIVICAM 3000, avec le bonheur que l on sait. Tout n est cependant pas négatif et une voie de recherche est l intégration sur une seule puce de la matrice de photo-détecteurs, la circuitrie de commande et de diminution du bruit fixe fixed pattern noise, le convertisseur analogique / numérique et quelques autres fonctions annexes comme sur la grosse puce VV6850 développée par la société VISION équipant le vivicam, avec une taille d image de 1000 X 800 pixels. Il est vrai que de tels composants très intégrés autorisent des appareils compacts, peu gourmands en energie, correctement compensés au niveau bruit et de prix très attractif, mais des efforts doivent être encore accomplis dans le domaine du rendu des couleurs et de la sensibilité. CARACTERISTIQUES -80-

9 Dimensions Les capteurs sont essentiellement caractérisés par leur format, c est-à-dire la surface sensible totale. Cette surface est exprimée par la diagonale mesurée en pouces conformément au tableau 5 de l annexe B. Cette diagonale représente celle de la surface totale des photosites et pas celle de l image exploitable. Ceci est du à la présence de photosites masqués destinés à donner la référence du niveau noir et à procurer des temps morts mis à profit pour la synchronisation des signaux (voir Figure 38b). Photosites utiles Photosites masqués a) b) Fig.38 - Capteur matriciel- Une autre mesure intéressante est le nombre de pixels de l image obtenue, référencée par les formats d affichage (VGA, SVGA, XGA etc...), par le le produit largeur X hauteur, comme par exemple 640 X 480, ou encore par le nombre total de pixels du capteur, ainsi un capteur donnant une image VGA est parfois qualifié de 320K Pixels, c est-à-dire pixels au total. Le nombre de pixels et la dimension du capteur conditionnent un autre facteur important, la taille des photosites et par voie de conséquence, le pouvoir séparateur (ou résolvant) du senseur. Le pouvoir résolvant est donné par le constructeur en cycles/millimètres, autrement dit, on prend le nombre de photosites par mm et on divise par deux. (ceci correspond au nombre de paires de lignes par mm). Ainsi, le capteur CMOS VV6850 de VISION Inc. est constitué de photosites carrés de 10,8µm de côté, agencés selon une matrice de 8,64 mm X 10,951 mm. Le format d image est de 800 X pixels pour une diagonale d un peu plus de 2/3 (non normalisée). Le rapport largeur/hauteur, aspect ratio, de 1.25 est aussi exotique et différent de celui utilisé sur les moniteurs (1,33). Un calcul simple ((1/10, ) / 2) nous donne un pouvoir résolvant de 27,7 cycles/mm. Le capteur CCD ICX204AK de SONY présente quant à lui les caractéristiques suivantes : format d image XGA (1024 X 768), dimension du capteur 1/3, taille des photosites carrés : 4,65 µm. Le même calcul donne ((1/4, /2) = 107 cycles/mm. -81-

10 Dans l absolu, on peut dire que le dernier capteur offre une meilleure résolution (une plus grande précision des détails), mais la taille des cellules étant plus petites, il sera donc moins sensible. La diminution du format des capteurs (1/4 actuellement) n a pour unique but que de diminuer le coût de la puce (on en met plus sur la même galette de silicium). Petite taille du capteur implique une petite taille des photosites, donc une résolution plus élevée. Encore faut-il que l optique suive! Ainsi une résolution de 107 cycles/mm du capteur implique une optique de résolution au moins une fois et demi supérieure ( pour tomber à coup sûr dans une cellule ), donc un objectif capable de séparer 160 cycles/mm. L objectif FUJINON équipant le FUJI MX-700 est donné par le constructeur pour un pouvoir séparateur de 170 lignes/mm (85 cycles/ mm), qui conviendrait donc mieux au capteur ICX085AK de 2/3 qui présente une résolution de 75 cycles/mm. Ce n est donc pas un hasard si les appareils dit MégaPixels (à partir de 1280 X 960 pixels) sont tous équipés de capteurs 2/3! La sensibilité La dernière caractéristique importante d un capteur est enfin sa sensibilité, c est-à-dire sa capacité à fournir un signal électrique pour un éclairement minimum. Cette sensibilité s applique à un spectre très large. Comme le montre la figure 39 ci-dessous, un capteur électronique est plus sensible que l oeil humain et capte l énergie des radiations ultra-violettes. sensibilité relative capteur oeil 0,4 0,6 0,8 1 longueur d onde (µm) Fig.39 - sensibilités spectrales de l oeil et du capteur électronique- Pour rendre le capteur sélectif et sensible aux seules longueurs d ondes intéressantes en photographie normale, on lui adjoint un filtre anti-uv, un gros pavé bleuté placé devant la matrice de photosites, mais à l extérieur. Cette valeur s exprime en nombre d électrons par unité d éclairement, Ke-/Lux. -82-

11 Le capteur FT800P de Philips présente les caractéristiques suivantes : * Mode de balayage progressif * Dimension des photosites : 8,5 X 19,8 µm. * Format 1/2 * Rapport largeur/hauteur 4/3 (1,33) * Nombre de pixels par ligne : 754 * Nombre de lignes : 576 Auquelles s ajoutent les valeurs : * Capacité de remplissage ; Full Well Capacity : 70 Ke- * Bruit de sortie Read Out Noise : 18 e- * Vitesse de transfert : Pixel Rate : 14,3 Mhz * Dynamique Dynamic Range : 3900 * Sensibilité Sensitivity : 4 Ke- La capacité de remplissage est le nombre maximal de charges que peut contenir une cellule. Au-delà d un certain éclairement, les charges d une cellule débordent dans sa voisine. Ce phénomène s appellent le Blooming. Le bruit de sortie est le nombre de charges indésirables qui accompagnent le signal. Cette valeur correspond au seuil du noir (absence d éclairement). La vitesse de transfert est assez explicite. Rapportée au nombre exact de pixels, elle indique le nombre d images transférées en une seconde sur la sortie série du registre horizontal. Dans notre cas, 33 images par secondes. La dynamique correspond au rapport entre le nombre de charges maximal et le nombre de charges minimal. On trouve ici / 18 = Ce nombre étant le rapport entre deux grandeurs de même nature, il est donc sans dimension. La sensibilité exprime le nombre de charges que fournit le capteur pour un éclairement donné. Pour ce capteur, un éclairement de 1 lux entraîne l apparition de charges (électrons) dans la cellule. Cette dernière valeur doit encore être rapportée au nombre minimum de charges, à savoir 18. Le calcul donne donc pour un seuil de 18 charges : 1/(4000/18)= 0,005 Lux! c est un fantasme de laboratoire car une telle sensibilité correspondrait à la detection de quelques photons. Il faur redescendre sur terre et pondérer cette valeur par la dynamique du capteur, qui exprime l excursion possible entre les valeurs mini et maxi des charges. On a donc : = électrons qui représentent la largeur de detection du capteur, entre le noir et le maximum avant blooming. Cette excursion de charges sera convertie en tension proportionnelle et digitalisée par le convertisseur analogique/numérique (CAN) en 256 paliers pour un CAN sur 8 bits, soit 69982/256=273 électrons par palier. En d autres termes, pour qu une différence de luminosité soit détec- -83-

12 tée, il faut que la cellule enmagasine 273 charges en plus du seuil fixe de 18. Finalement, la sensibilité minimale devient 1/(4000/291) = 0.07 Lux. Sur le VIVICAM 3000, le CAN est sur 10 bits, ce qui équivaut à 1024 paliers. Si on appliquait ce CAN au signal de notre capteur, le seuil tomberait à 68,3 électrons et la luminosité serait de 1/(4000/86,3)=0,02 Lux. Un convertisseur de ce genre permet effectivement d améliorer le nombre de paliers discernables et donc la dynamique de reproduction. Encore faille-t-il que l exploitation finale de l image ne ramène pas les 30 bits de couleur (10 par primaire RVB) à un niveau plus courant de 24 bits! D autres facteurs comme la reflexion ou le filtrage apporté par l optique vont encore diminuer ce seuil de sensibilité et le porter à une valeur courante de 0,1 Lux mise à profit sur les caméscopes grand public. Celà correspond en photographie numérique à une sensiblité de 1600 ISO/ASA. C est la valeur obtenue par exemple par le KODAK DC20, et qui constitue, à notre connaissance un record et un argument commercial Le système de mesure de la vitesse ISO/ASA découle des calculs éffectués plus haut mais présente l avantage d être plus parlant à l utilisateur qui ne possède pas toutes les caractéristiques internes de son appareil. On trouve aussi dans les feuilles de caractéristiques (data sheets) une valeur intéressante qui est le rapport signal/bruit en anglais SNR Signal on Noise Ratio. Cette valeur est donnée en db et doit être interprétée en terme de rapport entre deux tensions : la tension de sortie et une tension parasite dûe au bruit généré par le circuit. Dans ce cas, la sensibilité est exprimée en millivolts, de même que la valeur de saturation, et rapportée à une valeur de luminance en Cd/m². Le capteur SONY ICX054AK affiche ainsi une sensibilité de 700 mv (Vsat) pour une luminance de 706 Cd/m². Le signal produit sans éclairement dark signal (Vdrk) est de 2 mv. la formule donnant le SNR est la suivante : SNR (db) = 20 x Log (Vsat / Vdrk) Le calcul donnerait ici SNR = 51dB, à comparer aux valeurs obtenues par une caméra de surveillance : 45 db et à un appareil professionnel : 64 db. La sensibilité globale des capteurs étant entre autres inversement proportionnelle à la taille de leurs photosites, une parade a été trouvée pour augmenter la sensibilité sans augmenter la taille des photoéléments : placer sur la matrice un réseau matriciel de micro-lentilles destinées à focaliser la lumière sur une région précise et augmenter la surface apparente. Cette astuce est utilisée sur les capteurs CMOS de VISION et -84-

13 CMOS ou CCD? permet de doubler leur sensibilité. Chaque type de capteur possède ses avantages et ses inconvénients, mais une analyse du marché des photoscopes permet d ores et déjà les observations suivantes : 1) Il n existe que deux constructeurs principaux offrant des modèles à capteurs CMOS : TOSHIBA avec son PDR-2, équipé d un capteur maison de 1/4 en VGA et SoundVision avec son SoundVision Mini (OEM du VIVICAM 3000) équipé du VV6850, capteur de 1000 X 800 pixels au format exotique. Les critiques envers ces appareils sont assez évasives dans la presse spécialisée et ne portent pas vraiment à l enthousiasme. Les sites INTERNET moins bridés commercialement sont carrément incendiaires! Il faut cependant relativiser et juger ces modèles comme des précurseurs et se dire que les capteurs CMOS utilisés en photographie numérique sont en amélioration comme le prouve le nouveau composant développé par TOSHIBA qui annonce une image MégaPixel de 1280 X 960 au format 1/2. Le consommateur veut bien des appareils à prix accessibles, mais de qualité satisfaisante. A quoi ser de payer un appareil 400 F moins cher si on ne peut en exploiter les images? 2) Les petits capteurs (1/4 ) n ont pas la côte et disparaissent au profit des gros capteurs (2/3 ) seuls satisfaisant s en terme de sensibilité sur les appareils MégaPixels en passe de devenir le nouveau standard d image qui petit à petit supplante le VGA ne permettant pas des tirages supérieurs au A6. 3) Les capteurs CCD équipent 95% des appareils du marché. 4) La tendance est de plus en plus marquée à l emploi de capteurs à photosites carrés et à balayage progressif. Avantages et inconvénients : -85-

14 CCD Avantages - Meilleur rendement des cellules du à un facteur de rem plissage élevé (>98%). - Meilleure dynamique - Grande immunité au bruit. - Meilleure qualité globale d image Inconvénients - Prix élevé en raison des chaînes de fabrication spéciales. - Necessite des signaux de commande complexes. - Necessite trois alimentations continues. - Consommation électrique élevée - Impossibilité d adressage au niveau du pixel individuel. CMOS Avantages - Prix peu élevé en raison des chaînes de production standard utilisées pour la fabrication des circuits intégrés. - Simplicité des signaux de commande. - Tension d alimentation unique (5V et 3,3 V à venir) - Faible consommation (<0,15 W) - Accès aux pixels individuels. - Possibilité d intégrer sur la même puce les circuits de commande, de traitement et de conversion A/N. Inconvénients - Peu sensibles (taux de remplissage <30%) - Faible dynamique - Trés sensibles au bruit LA COULEUR Toutes nos démonstrations présentes avaient pour support des capteurs sensibles à la lumière, capables de fournir des informations de LUMINANCE mais il n a aucunement été question d indications colorimétriques (la chrominance). Une solution qui vient immédiatement à l esprit est l utilisation de trois filtres colorés primaires rouge vert et bleu placés alternativement devant le senseur, ou la combinaison de trois senseurs filtrés séparément pour chaque composante. Ces procédés existent effectivement et sont utilisés uniquement sur le matériel professionnel. Dans le cas des photoscopes grand public, où le prix est rédhibitoire, d autres systèmes plus indigents de restitution des couleurs sont appliqués, beaucoup plus rentables commercialement au dépend d une gestion un peu plus compliquée des pixels et d une qualité finale bien inférieure. Ces procédés sont basés sur l application d un filtre de couleurs sur l unique capteur, au niveau des photosites. Chaque pixel est recouvert d un minuscule filtre -86-

15 le rendant plus ou moins sensible à certaines radiations. La surface totale du capteur est ainsi recouverte d une mosaïque de microscopiques pavés colorés. La courte période d existence des capteurs d image a vu ainsi plusieurs techniques de matriçage des mosaïques. Elles sont cependant classées en deux catégories : les filtres à couleurs complémentaires (ou mixtes) et ceux à couleurs primaires. Les matrices à couleur complémentaires Elles utilisent les couleurs suivantes : Magenta, Cyan, Jaune et Vert arrangées selon une structure en ligne ou en matrice comme le montre la figure 40 ci-dessous : a) b) c) Fig.40 - Matrices à couleurs complémentaires - Le capteur du KODAK DC20 utilise une matrice comme celle de la figure 40 c). Une telle structure fournit une grande sensibilité (<1 Lux) au détriment d un rendu des couleurs un peu fade. L arrangement apparemment irrégulier provient du fait que ces capteurs furent développés pour les camescopes et devaient donc se conformer au standard télé des lignes entrelacées. La reconstitution des couleurs primaires, seules exploitables pour l affichage sur moniteur RVB, exige donc un algorithme spécial appliqué par le processeur (le DSP) après conversion analogique/numérique. Voyons donc de plus près les courbes de réponse de tels filtres et la façon dont sont obtenues les primaires. (figures 41 et 42). sensibilité relative (%) 100 Jaune Cyan Vert 50 FIG.41 Magenta 10 0,4 0,5 0,6 0,7 longueur d onde (µm) -87-

16 Filtre JAUNE Filtre CYAN Filtre MAGENTA Filtre VERT : Donne le ROUGE et le VERT, bloque le BLEU : Donne le BLEU et le VERT, bloque le ROUGE : Donne le ROUGE et le BLEU, bloque le VERT ; Donne le VERT, bloque le ROUGE et le BLEU. Fig filtres complémentaires - De la figure 42 on peut aussi tirer les équations suivantes : 1) J = R + V 2) C = B + V 3) M = R + B 4) V = V qui vont nous permettre l étude du principe mis en oeuvre pour obtenir les couleurs primaires. Les calculs sont appliqués à des valeurs binaires, donc numériques, stockées sous forme de matrice (tableau à deux dimension) en mémoire RAM. Il n est pas tenu compte de la façon dont sont extraites ses valeurs. Considérons donc les photosites de la matrice ci-dessous: Il faut ainsi huit photosites du capteur pour obtenir un pixel de l image, mais la structure alternée de la mosaïque permet le décalage d un rang horizontalement ou d un rang verticalement, l obtention d un nouveau pixel. Ceci prouve que le nombre de pixels de l image est approximativement égal au nombre de photosites du capteur, avec une légère différence due aux bords et aux coins. Il faut aussi tenir compte d un autre phénomène qui va diminuer le nombre de photosites utiles et connu sous le nom anglais de smear (défaut, tâche...) qui affecte les photodiodes et les rend inutilisables. Plus le smear (exprimé en %) est élevé, moins bon est le capteur, et par conséquent moins cher coûtera-t-il. La tolérance exigée sur cette valeur permet l utilisation du même capteur pour des applications à niveau de qualité différent. Dans la démonstration suivante, les photosites deffectueux ne sont pas pris en compte. Voyons enfin l algorithme de reconstitution des valeurs RVB d un pixel à -88-

17 Algorithme : 1) Les valeurs des photosites sont ajoutées verticalement, deux par deux. Les combinaisons primaires ainsi obtenues possèdent une structure répé titive alternée qui ajoutées donnent toujours le même terme : 2R+3V+2B. Ce terme se retrouvant deux fois par pixel, il determine sa luminosité qui permet ainsi le calcul de la LUMINANCE : Y= 1/2 (2R+3V+2B) 2) Les quatres termes primaires séparés seront assimilés à des valeurs de CHROMINANCE. Seulement trois termes sur quatre sont indispen sables: Terme1 = 2V+B Terme2 = 2R+V+B Terme3 = R+2V Pour chaque pixel, un seul terme est obtenu directement, les deux autres seront déduits par extrapolation, en effectuant une moyenne arithmétique des pixels cardinaux situés dessus, à droite, au-dessous et à gauche. 3) Le Terme2 est lu directement pour le pixel considéré et prend la valeur VAL2. 4) La valeur du Terme1 est obtenu par extrapolation horizontale des pixels voisins situés à gauche et à droite, en effectuant la moyenne des Terme1 de chaque pixel : Terme1 du pixel = (Terme1 pixel droit + Terme1 pixel gauche) / 2 5) On prend ensuite la moyenne pour chaque pixel droit et gauche des valeurs suivantes : -89-

18 ((Terme2 pixel gauche / Terme1 pixel gauche)/2 M1= + (Terme2 pixel droit / Terme1 pixel droit) / 2) / 2 6) On divise le Terme1 du pixel par cette valeur M1 pour obtenir la valeur finale Val1: Val1 = Terme1 / M1 7) Le Terme3 est obtenu par extrapolation verticale des pixels situés audessus et au-dessous. Pour celà on calcule la moyenne entre les rapports suivants de chaque pixel voisin. ((Terme3 pixel haut) / 2Y M2= + (Terme3 pixel bas / 2Y) / 2 On calcule ensuite la valeur Val3 finale du pixel en effectuant la multiplica tion suivante : Val3 = 2Y X M2 8) Après ces calculs, on obtient pour le pixel cherché trois valeurs numé riques Val1, Val2 et Val3 qui combinées aux trois termes Terme1, Terme2 et Terme3 fournissent un système de trois équations à trois inconnues : 2V + B = Val1 2R + V + B = Val2 R + 2V = Val3 à Partir duquel on en déduit les trois composantes RVB : R = 1/5 ( 2 x Val2 + Val3-2 x Val1) V = 1/5 ( Val1 + 2 x Val3 - Val2) B = 1/5 ( 3 x Val1 + 2 x Val2-4 x Val3) Les matrices à couleurs primaires Dans ce cas de figure, on utilise directement des filtres rouge, vert et bleu et la mosaïque peut prendre les formes suivantes : a) b) Fig Matrices à couleurs primaires L arrangement en lignes (a), un des premiers mis en oeuvre pour l obtention -90-

19 des couleurs, a été supplanté en vidéo par les couleurs complémentaires permettant une plus grande sensibilité et n est plus utilisé. La tendance actuelle est au retour des couleurs primaires, arrangées selon le motif (b) appelé motif de Bayer, fournissant une plus grande fidélité de reproduction sans toutefois trop sacrifier la sensibilité. Cette mosaïque est adoptée en autres par KODAK sur ces nouveaux modèles dont le rendu colorimètrique est proche de la perfection. L algorithme de restitution est bien entendu un peu moins compliqué à comprendre et se base sur l application de formules simples. La démonstration se base sur l arrangement suivant : (Cf fig. 45) Comme précédemment, les pixels sont obtenus par décalage des photosites d un rang horizontal ou vertical et en extrapolant non plus les valeurs de pixels mais celles des photosites se situant aux poinys cardinaux (haut, bas, droit, gauche ). Voici donc les formules pour le calcul des valeurs R V B d un pixel (I,J) de l image finale, à partir des valeurs (i,j) des photosites du capteur. Ces formules s appliquent sur un pixel central, les formules pour les pixels situés aux coins et sur les bords sont différentes car ces photosites correspondants sur le capteur n ont pas de voisin. -91-

20 Les formules des coins et des bords dépendent du type de capteur et de la façon dont est organisée la matrice. En règle générale, on prend les valeurs directes des trois photosites alentours et une moyenne sur deux valeurs de vert. Les bords subissent le même traitement avec quelques variations. Une autre solution consiste à ne pas utiliser les photosites situés à ces endroits et à appliquer l algorithme avec un décalage de 2 photosites. LES FILTRES Nous n avons pas encore expliqué comment étaient implantés les filtres colorés utilisés pour l obtention des mosaïques. La taille des photosites (quelques microns ) exclut tout positionnement mécanique, la tolérance pour l ensemble serait inacceptable. La première solution utilisée fût l application de couches minces, dans lesquelles l épaisseur du matériau conditionnait son pouvoir réfringent. Le choix du domaine de filtrage était ainsi conditionné par la succession de couches appliquées les unes sur les autres. Certaines longueurs d ondes étaient ainsi diffusées et d autres arrivaient sur les photosites. Actuellement, les recherches ont permis d aboutir à des matériaux spéciaux plus proches d un système de pigments colorés comme ceux utilisés par KODAK dans son capteur haut de gamme KAF-6300 de plus de 6 millions de pixels! LE TRAITEMENT Après ces étapes de pur décodage, interviennent encore les algorithmes de calcul destinés à améliorer les détails, le rendu des couleurs, la correction GAMMA, l amélioration des bords et du contraste général, la mise aux proportions et la balance des blancs. Ces procédés seront étudiés au chapitre du traitement. Interviendra finalement la procédure de construction du fichier-image avec sont en-tête et éventuellement une phase de compression. -92-

21 La qualité finale de l image dépend bien sûr de la qualité du capteur mais aussi pour une grande part des différents algorithmes utilisés. Certains sont des secrets jalousement gardés par les constructeurs et protégés par des brevets industriels et par conséquent non diffusés dans le grand public. La société SIERRA IMAGING s est spécialisée dans ce domaine. EN CONCLUSION Les matrices à couleurs primaires sont préférées actuellement en raison de leur meilleur rendu colorimétrique et de leur facilités de décodage. Les filtres primaires jouant le rôle de passe-bande pour les radiations, ils sont plus selectifs et par conséquent, laissent passer moins de lumière. La présence de deux fois plus de photosites sensibles au VERT, en position médiane dans le spectre, et correspondant au maximun de sensibilité de l oeil) permet une plus grande finesse des détails. D un autre côté, les matrices à filtres complémentaires sont moins sélectives, plus difficiles à exploiter et fournissent un rendu colorimétrique un peu terne mais sont beaucoup plus sensibles. Le mot de la fin pourrait être celui-ci : les meilleurs images actuelles sont obtenues par des appareils équipés de capteurs CCD à balayage progressif, à matrices primaires de photosites carrés et de taille supérieure ou égale à 1/3. La nouvelle génération de capteurs bi, voire tri-mégapixels dispose de plus d algorithmes de traitement encore plus poussés qui combiné au grand nombre de photosites assure une qualité et une finesse de plus en plus élevée. -93-