Image numérique : le capteur CCD et son optique
jean-philippe muller Version 05/2002
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Sommaire 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.
Photoscope et caméscope numérique Le bloc optique La formation de l’image sur le capteur Distance focale et taille de l’image L’objectif standard Les réglages du bloc optique L’autofocus L’objectif à mise au point interne La stabilisation de l’image Le principe du capteur d’image Le transfert des charges dans le capteur CCD La lecture des charges dans le capteur CCD La capteur CCD à transfert interligne IF La production du signal vidéo L’obturateur électronique La technologie HAD de Sony La structure actuelle des capteurs Sony La caméra couleur tri-CCD Le capteur CCD à couleurs primaires Le capteur CCD à couleurs secondaires Le traitement du signal issu du capteur Un mot sur les capteurs CMOS L’équilibrage des couleurs par la balance des blancs Le traitement numérique de l’image
Annexe 1 : les capteurs CCD Sony pour caméscopes Annexe 2 : les capteurs CCD Sony pour photoscopes Annexe 3 : vue d’ensemble de la gamme des capteurs CCD Sony
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1-Photoscope et caméscope numériques Le succès de l’image numérique repose sur trois importantes innovations technologiques : la faculté de l’industrie des semi-conducteurs de produire des capteurs d’images compacts et de haute qualité (jusqu’à 5 mégapixels en 2002) le développement d’algorithmes de compression très évolués comme le JPEG pour l’image fixe, et le DV ou le MPEG pour l’image animée, capables de transformer les informations relatives à une image ou à une séquence en un fichier comprimé plus léger l’apparition de cartes mémoires miniatures capables, sous un volume réduit, de stocker une grande quantité de données (par exemple 128 Mo pour le Mémorystick)
Figure 1. Schéma fonctionnel d’un photoscope numérique.
L‘étude du schéma fonctionnel d’un photoscope montre qu’il comprend 3 grandes parties : le bloc optique avec ses lentilles, son capteur d’image, ses réglages et ses automatismes le bloc de traitement numérique qui compresse les données issues du capteur le dispositif d’enregistrement qui est en général une carte mémoire
Figure 2. Schéma fonctionnel d’un caméscope numérique.
Cette subdivision se retrouve également sur le caméscope, avec quelques différences au niveau du traitement numérique qui s’applique maintenant à une image animée, et du support d’enregistrement qui est le plus souvent une bande magnétique. Le caméscope doit également s’occuper du traitement et de l’enregistrement du son, ce qui n’est pas le cas dans le photoscope (sauf pour ceux qui peuvent enregistrer de courtes séquences MPEG).
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2-Le bloc optique Le bloc optique d’un photoscope ou d’un caméscope, qui est le premier étage de traitement de l’image est constitué : des lentilles permettant de projeter l’image sur le capteur CCD, avec le réglage de la mise au point ou focus d’un dispositif de zoom qui déplace certaines des lentilles et permet ainsi de passer d’un plan large à un plan étroit éventuellement d’un stabilisateur optique qui compense les tremblements de main et fournit une image filmée stable d’un filtre optique qui adapte le signal lumineux au capteur d’image du capteur CCD (ou parfois CMOS) qui va transformer le signal lumineux reçu en signal électrique (ce capteur est quelquefois remplacé par un séparateur optique suivi de 3 capteurs) Figure 3. Structure du bloc optique dans une caméra monoCCD.
La sensibilité spectrale des capteurs d’image s’étend assez largement dans l’infrarouge, ce qui constitue un avantage et un inconvénient : possibilité de photographier ou de filmer sous très faible éclairement, ce qui peut être utile pour les caméras de surveillance (fonction NightShot chez Sony) les IR ne sont pas focalisés au même endroit que la lumière visible, ce qui crée des interférences au niveau du capteur et du moirage Figure 4. Sensibilité spectrale de l’œil et des capteurs CCD et CMOS.
Le filtre optique est constitué de 3 couches : un passe-bas fréquentiel au Niobate de lithium qui arrête le rayonnement infrarouge (ce filtre est escamoté lorsqu’on active la fonction NightShot) un filtre quart-d’onde qui redonne une polarisation circulaire à tous les rayons incidents et permet ainsi un fonctionnement correct du séparateur optique un passe-bas spatial qui introduit un très léger flou en éliminant les détails très fins de la scène filmée, évitant ainsi des effets parasites liés à l’échantillonnage spatial par le capteur jean-philippe. muller
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3-La formation de l’image sur le capteur La scène à photographier ou à filmer peut être projetée simplement sur le capteur à l’aide d’une lentille convergente définie par sa distance focale f. La localisation et la taille de cette image est simple : l’objet AB est projeté en une image A’B’ renversée le rayon (1) parallèle à l’axe optique sort de la lentille en passant par le foyer F’ le rayon (2) passant par le centre optique n’est pas dévié le point B’ se trouve à l’intersection des rayons (1) et (2) remarque : le rayon (3) passe par l’autre foyer F, ressort parallèle à l’axe et passe aussi par B’ Figure 5. Création d’une image par une lentille convergente.
Dans un photoscope ou un caméscope, la distance AO de l’objet à la lentille est variable de quelques centimètres à l’infini. Pour que l’image A’B’ soit sur le capteur, il faut donc faire varier la position de la lentille par rapport au capteur, soit OA’ : c’est le réglage de mise au point ou focus. Figure 6. Principe de la mise au point.
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4-Distance focale et taille de l’image L’image de l’objet est projetée sur la surface du capteur CCD caractérisé par sa taille exprimée en pouces. Figure 7. Les tailles de capteurs.
Pour faire varier la taille de l’image projetée sur le capteur, il faut pouvoir changer la distance focale de la lentille. Figure 8. Ajustement de la taille de l’image par variation de la focale.
En changeant la distance focale et en déplaçant la lentille pour refaire la mise au point, la taille de l’image varie et permet d’utiliser au mieux la surface du capteur. Pour cela, on peut : changer d’objectif et passer d’une courte focale à une longue focale (téléobjectif) utiliser un objectif à focale variable ou « zoom » jean-philippe. muller
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5-L’objectif standard En dehors des équipements très bons marchés qui se contentent d’une mise au point fixe et ne proposent pas de zoom, la plupart des photoscopes et caméscopes sont équipés d’objectifs pouvant associer jusqu’à une vingtaine de lentilles. Un objectif classique comporte les éléments suivants : une lentille d’entrée X, dont le léger déplacement, manuel ou motorisé, va assurer le focus une deuxième lentille dont le déplacement va assurer le zoom une troisième lentille fixe Y l’iris D ou diaphragme, qui dose la quantité de lumière reçue par le capteur un groupe de lentilles R, fixes en général, qui achève la focalisation de la scène sur le capteur Figure 9. Fonctionnement de l’objectif normal.
On utilise souvent dans les photoscopes et caméscopes un objectif à mise au point interne dans lequel l’agencement des lentilles est un peu différent : le groupe de lentilles assurant la mise au point est dissocié de la partie frontale de l’optique les éléments frontaux sont donc totalement immobiles cette configuration rend possible l’utilisation de pare-soleils rectangulaires, et surtout de filtres polarisants cette configuration permet aussi une meilleure protection du mécanisme de mise au point Remarque : le zoom optique ne doit pas être confondu avec le zoom numérique, qui est simplement réalisé en agrandissant une partie de l’image numérique. Le zoom numérique agrandit donc aussi les pixels et engendre forcément une perte de définition de l’image.
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6-Les réglages du bloc optique
⇒ le zoom est actionné par un moteur pas-à-pas, dont la position est contrôlée par un potentiomètre linéaire. La commande est manuelle.
Figure 10. La mécanique de réglage du zoom.
⇒ la
mise au point est actionnée par un autre moteur pas-à-pas et un mécanisme semblable . La commande est manuelle ou automatique (autofocus).
⇒ le diaphragme ou iris est en actionné par un cadre mobile piloté par le contrôleur de l’appareil, avec possibilité de débrayage de l’automatisme. Figure 11. La mécanique de commande de l’iris.
La commande de l’iris est élaborée par le circuit contrôleur à partir du signal issu du capteur CCD, intégré sur la partie centrale de l’image, qui donne ainsi une image de la quantité de lumière reçue par le capteur CCD. L’état d’ouverture de l’iris est souvent mesuré par des capteurs à effet Hall. Figure 12. L’électronique de commande de l’iris.
Le programme d’exposition automatique (Programme AE) adapte automatiquement la vitesse d’obturation, l’ouverture de l’iris et l’amplification du signal vidéo à la nature de la scène filmée. Si le signal fournit par le capteur CCD est trop faible malgré un iris ouvert au maximum, l’introduction d’une amplification s’avère quelquefois nécessaire.
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7-L’autofocus Tous les caméscopes et photoscopes modernes sont équipés d’un système de focalisation automatique qui peut être : actif, par utilisation d’infra rouge ou d’ultra sons (technique de moins en moins utilisée) passif, par analyse du signal vidéo issu du capteur CCD Lorsqu’une image est bien focalisée, elle contient un maximum de détails, qui correspondent à des fréquences élevées dans le spectre du signal vidéo. Figure 13. Mise au point et spectre du signal vidéo.
Ceci est mis à profit par de nombreux fabricants pour réaliser un dispositif de mise au point automatique : le signal en sortie du CCD est séparé en deux bandes de fréquences qui se chevauchent à l’aide de fenêtres temporelles, on sélectionne les informations relatives à différentes parties de l’image l’amplitude des composantes est détectée et utilisée par le contrôleur pour commander le focus Figure 14. Principe de l’électronique d’autofocus.
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8-L’objectif à mise au point interne
Sur une optique classique, qu'il s'agisse d'une focale fixe ou d'un zoom, la mise au point se fait par rotation et déplacement de la lentille frontale. Cette structure présente un certain nombres d’inconvénients : la rotation est commandée par un moteur dont la démultiplication amène une certaine lenteur de l’autofocus impossibilité d’utiliser des filtres polarisants et des pare-soleils rectangulaires fixés sur l’objectif risques de dégradation du mécanisme d’autofocus en cas de choc sur la lentille frontale Avec l’objectif à mise au interne ou Inner Focus, celle-ci est effectuée par le déplacement d'un groupe de lentilles à l’arrière du zoom. Figure 15. Structure de l’objectif à mise au point interne.
Ce type d’objectif équipe la grande majorité des caméscopes et photoscopes actuels, avec les avantages et les inconvénients suivants :
« plus » le déplacement est linéaire et la course beaucoup plus courte que dans une optique classique, ce qui assure une mise au point plus rapide
« plus » cette rapidité diminue le pompage et limite la consommation en électricité. La grande majorité des caméscopes est aujourd’hui équipée de zooms à mise au point interne
« moins » les zooms Inner Focus ne gardent pas aussi bien le point sur l'ensemble des focales que les zooms à mise au point classique Rappelons que lorsque l'on a fait le point avec un zoom traditionnel en position téléobjectif, cette mise au point est valable pour toutes les focales du zoom et n'est pas à refaire tant que la distance sujetcaméscope ne change pas, ce qui n'est plus vrai avec un zoom Inner Focus.
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9-La stabilisation de l’image Deux procédés sont en concurrence :
⇒ la stabilisation électronique, qui fait appel à l’analyse numérique de l’image, maintient l’objet filmé
immobile en recadrant l’image en fonction du mouvement. Cette technique entraîne forcément une légère perte de définition de l’image (perte de surface de l’ordre de 15 %)
Figure 16. Principe de la stabilisation par recadrage.
A partir de l’analyse de 2 images successives, le processeur repère le sens du mouvement de l’objet sur le capteur et recadre l’image en conséquence.
⇒ la stabilisation optique permet une stabilisation sans perte de définition grâce à l’utilisation d’un prisme variable selon une technique mise au point par Sony et Canon. Figure 17. Principe de fonctionnement du stabilisateur optique.
le prisme variable est capable de corriger des tremblements dont les variations d' angle peuvent être de plus ou moins 1,50 degré verticalement et horizontalement autour de l'axe optique deux capteurs (détecteurs piézoélectriques) mesurent l'amplitude des mouvements du caméscope, l'un dans le sens vertical, l'autre dans le sens horizontal les informations recueillies sont numérisées et traitées par un microprocesseur qui calcule les corrections à apporter et envoie les ordres nécessaires à deux solénoïdes qui, reliés aux bagues extérieures du prisme, commandent les déplacements verticaux et horizontaux de ce dernier Le stabilisateur optique comprenant des pièces mécaniques, il est plus coûteux et son usage est réservé aux caméscopes haut de gamme.
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10-Le principe du capteur d’image Le capteur d’image se présente sous la forme d’un circuit intégré ayant sur sa face supérieure une zone d’analyse composée de plusieurs centaines de milliers de sites photosensibles. Figure 18. Capteur d’image Kodak.
KODAK KAF-4202 Full Frame Image Sensor Pixels (HxV) 2048 x 2048 Imager Size (HxV mm) 18.4 x 18.4 Pixel Size (HxV µm) 9.0 x 9.0 Monochrome Dark current
