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Les capteurs silicium
CCD et CMOS
 Capteur CCD

Introduction
La résolution des capteurs
La profondeur des capteurs
Luminosité des capteurs
Le bruit des capteurs
La taille du CCD
Progressif ou entrelacé
CCD ou CMOS
Confusion entre photosites et pixels
Dégrader la résolution
Conclusion
Les liens CCD

Maj : 03/03/16

Abstract :
CCD is the acronym of "Charged Coupled Device ". They are light sensors constituting the "digital film " of electronic cameras. These small jewels are the true heart of the camera, determining resolution (true or false) expressed in Megapixel quantity, but don't forget lens...
Number of pixels is not the absolute and alone criteria!

Résumé :
CCD est l'acronyme de "Charged Coupled Device " ou "dispositifs à transfert de charges ". Ce sont les capteurs de lumière qui constituent la "pellicule numérique " du photoscope. Ces petits bijoux sont le vrai coeur de l'appareil, ce sont eux qui déterminent la résolution (vraie ou fausse) exprimée en quantité de MégaPixels, mais n'oubliez pas l'objectif...
Le nombre de pixels n'est pas le critère seul et absolu !

Introduction

CCD ou CMOS

Ce texte parle de CCD par facilité de langage, mais  il faudrait parler plutôt de capteur silicium car  il y a en réalité deux technologies concurrentes CCD et CMOS.
Par simplification, je ne détaillerai pas les différences, pour l’utilisateur basique les résultats sont proches.

Le CCD est un semi-conducteur photo sensible comportant une fenêtre transparente qui produit un signal proportionnel à l'éclairement, il "transforme " les photons en électrons. Le circuit comporte l'électronique de mise en forme du signal. Ce composant est récent, il a été mis au point dans les années 60 par Bell Labs qui recherchait de nouveaux types de mémoires.

Le CCD n'est sensible qu'à l'intensité de lumière, pas à la couleur. Des filtres rouge, vert et bleu sont disposés en grilles devant les cellules photosensibles, les "photosites ", suivant une matrice, généralement de Bayer (voir liens). Pour obtenir un signal couleur, il y aura (au moins) trois photosites élémentaires par pixel.

Le CCD a maintenant balayé le film argentique, quasiment disparu en 2010. Il est curieux que quelques capteurs aient choisi le rapport 4/3 (Exemple 2272 * 1704), qui provient de la définition des écrans VGA (640*480) et déclinaison super VFGA (800*600), elle-même issue des écrans télévision, en abandonnant le rapport historique du 24*36 issu du film 35 mm qui est un 3/2, donc plus large et moins haut.
Cela format 4/3 nous éloigne encore des proportions parfaites du nombre d’or de 1.618, il est trop carré est moins esthétique !

Formats Rapports
Télévision 16/9 1.78
Nombre d’or = (5-1/2 + 1) / 2

1.618

24*36

1.5

TV, VGA, CCD

1.33

Et évidemment le carré

1

 

La résolution des capteurs

C'est le nombre de pixels, critère le plus facile à comprendre, c'est simplement le nombre de photosites ou pavés de la mosaïque, donc le produit "résolution V " * "résolution H ".
C'est un nombre spectaculaire qui augmente très vite, le seul mis en avant par le marketing.

  Les capteurs CCD et CMOS évoluent incroyablement vite !
Milieux de gamme grand public, petits CCD 1/1.8'' :  

01/1998 0.5 Mpixel
01/1999 1 Mpixel
01/2000 2 Mpixels
03/2000 3 Mpixels
08/2001 4 et 5 Mpixels
08/2003 6 Mpixels (CCD 1/1.8'')
04/2004 8 Mpixels (CCD 2/3 " )

Après 2006 inflation du nombre de pixels marketing !
Il n’est plus intéressant de monter en résolution au-delà de 10 Mp
sur un petit capteur, mais il faut privilégier la vraie profondeur (nombre de bits par pixel)
la sensibilité en faible lumière, la réduction des artefacts, la vitesse...

Stop aux megapixels bidons

 

Attention, il n'est ici question que des petits capteurs des gammes grand public. D'autres générations de gros capteurs CMOS sont disponibles pour les gammes professionnelles, avec des objectifs de rêve. Ils ont des résolutions toujours plus élevées avec des piqués qui sont à la hauteur. Ces superbes boîtiers lourds et très onéreux et les dos amovibles pour grands formats n'ont plus rien à voir avec les gammes amateurs et se justifient parfaitement pour les besoins professionnels.

Les bons capteurs proposent des profondeurs supérieures à 14 bits en images brutes (RAW)
et plus de 10 Mpixels ce qui dépasse les performances de l’argentique 24*36.

Mensonges et désinformation

Attention aux faux pixels, interpolation bidon permettant de doubler ou tripler les valeurs marketing, et aux profondeurs farfelues annoncées (36 bits)...
Même chez les grands fabricants, ces petites "erreurs" sont courantes. Il y a des trous dans les mauvais CCD, masqués par un lissage artificiel.
Après Kodak qui avait gonflé de 2 à 3 Mp le 290, Fuji avait frappé fort en annonçant un 4 Mp avec un capteur qui en fait la moitié. Le marketing ne recule devant rien, plus c'est gros mieux cela passe ! Ces pratiques scandaleuses font le beau jeu des vendeurs peu scrupuleux qui piègent facilement le gogo. Soyez très vigilants...
Il a même existé brièvement des appareils qui utilisaient deux CCD séparés (il est très difficile à lépoque de faire des grands), qui séparent l'image en deux avec un prisme et la recollent par soft en lissant la jonction et en compensant les rendus des deux capteurs. Il en est d'autres qui lisent deux fois le même capteur en décalant d'un demi pixel...

En 2003, Fujifilm recommence avec le "grigri " qui double les pixels dit Super CCD HR (Haute Résolution). Après un repas bien arrosé les géniaux chercheurs du marketing vont bien nous pondre le "super grigri " qui triple le ccd, puis le "super grigri enhanced " qui les quadruple et lave les blancs plus blanc. Il est vraiment extraordinaire que les gogos se laissent encore piéger par de telles imbécillités.
"En mettant ce superbe autocollant Ferrari sur votre vielle 2CV, vous pourrez gagner les 24h du Mans ! ". Ayez la foi mon fils...

Lisez donc soigneusement les fiches constructeurs et surtout les analyses techniques indépendantes pour comprendre le sens du nombre de pixels annoncés.

La taille vraie des images

Prenons le cas du capteur CCD Sony ICX 252 de 3.3 Mp qui a dominé le marché sur toute la gamme de photoscopes de toutes marques sortis entre 1999 et 2001.
Les images obtenues sont en 2048*1536, donc 3.145.720 pixels, soit très exactement 3 Mpixels (1 ko = 1024 octets ou bytes), et non 3.34 comme indiqué partout très curieusement.
3.34 Mp est l'appellation commerciale du CCD Sony. Serait-ce alors une taille TVA incluse ? Sony m'aurait-il menti ? Mais non...
Ces photosites fantômes existent pourtant vraiment, ils constituent une bordure non éclairée servant comme référence de noir pour la polarisation du CCD.
Le capteur CCD (1/1.8 pouce) est donc un 3 Mp effectifs, il n'y a ici rien d'anormal.

Le tableau montre aussi le capteur 4.13 Mp Sony Super HAD ICX 406AQ , utilisé entre autres sur Casio 4000, Olympus C40 et C4040z, Canon Powershot S40 et G2, Ricoh Caplio RR1, Sony DSC S85, Pentax Optio 430...
La surface exploitée dépend des optiques et la taille des images peut varier légèrement d'un modèle à l'autre, par exemple :

Dénomination commerciale du CCD
Largeur
Hauteur
Nb photosites
nb réel de pixels
3.3 Mp (Sony ICX 252)
2048
1536
3.145.720
3.072 Mp
4.13 Mp sur Casio
2240
1680
3.763.200
3.675 Mp
4.13 Mp sur Olympus
2272
1704
3.871.488
3.780 Mp
8 Mp sur Minolta A2
3264
2448
7.990.272
~ 8 Mp

Ne perdons pas de vue la référence à une image brute haute qualité 24*36 qui possède un grain très fin et une grande profondeur de couleurs, estimée proche de 100 Mpixels !
Une image de 18 Mp de 3*14 bits de profondeur occupe 18*3*14/8 = presque 100 Moctets avant compactage.
Avec les capteurs plus récents et plus profonds, les volumes bruts sont équivalents. En pratique nous utiliserons des images de volumes beaucoup plus petits, les processeurs de traitement d’images sont remarquablement efficaces et une réduction de taille du fichier d’un facteur dix est presque invisible sur la qualité.

Le photosite est l'équivalent numérique du grain en argentique. Capteur CCD

La contrepartie de la grande résolution : la remontée du bruit

Cela se complique encore car la résolution augmentant entraîne un autre problème, la remontée du bruit.
À taille de CCD égale et objectif de même qualité, on pourrait croire qu’un capteur 8 Mp qui a effectivement deux fois plus de photosites qu’un 4 Mp donnera un résultat identique en photographiant une surface double et en comparant en détail le même fragment réduit de l’image.
Il n’en est rien, la demi image issue du 8 Mp sera moins bonne que l’image identique entière issue du 4 Mp, pour de nombreuses raisons, dont le bruit croissant avec la résolution, un photosite de surface plus petite reçoit moins de photons.

Pour obtenir les mêmes résultats (à résolution double), il faudrait approximativement :

Doubler la surface du CCD car le bruit augmente très vite en diminuant la surface élémentaire de collecte des photons.

et doubler la surface d’entrée de l’objectif, car il faudra deux fouis plus de photons pour une surface double.

Attention toutefois, toutes choses étant égales par ailleurs, un 8 Mp utilisé en demi résolution ne donnera pas une image meilleure qu’un 4 Mp en mode basique. En effet, les points virtuels sont créés par calcul sur les points adjacents, ce qui amène un inévitable flou, malgré la puissance du calculateur qui a très peu de temps pour traiter d’énormes matrices.
Il est préférable d’utiliser toujours son capteur en mode natif, quitte à beaucoup réduire ensuite la résolution par post processing et recadrage, pour adapter la taille finale à l’application.
Faites le test de faire tirer en laboratoire de très bonnes mêmes images, en 10 * 15 cm, en résolution native 10 MP, puis en réduisant simplement le nombre de pixels (Photoshop, PaintShop Pro…) à 8, 6, 4 et 3 Mp, en inscrivant la taille sur le cliché.
Sortez la loupe et comparez, vous comprendrez que le nombre de pixels ne fait pas tout (pour un petit tirage évidemment).
Refaites la même série de tests en gardant cette fois le même nombre de pixels, mais en changeant la compression jpeg, par exemple 4 Moctets, 3 Mo, 2 Mo et 1 Mo (le laboratoire limite la taille des fichiers, impossible de tester à très faible compression).

Pour un bridge, passer d’un CCD de 4 Mp en taille 1/1.8 " sur un CCD de 8 Mp en taille 2/3 " augmente la surface de capture totale de 60 % ce qui compensera en partie la réduction de la surface élémentaire du photosite.

La résolution est le seul argument simpliste compris par le grand public, ce qui explique que toute la communication marketing n’évoque que cela. Ce n’est pourtant pas un paramètre important, la limitation de profondeur (nombre de bits par pixel), l’indépendance des photosites (un pixel ne bave pas sur tous les voisins) et le bruit réduisent l’intérêt de n’augmenter que la résolution seule. Il est évident qu’un petit ccd à objectif minuscule, collectant peu de photons, ne pourra donner de bonnes images.

La mode des téléphones portables incluant photo et vidéo, revendiquant des nombres de megapixels délirants, montre que l’on peut vendre un produit médiocre à des gogos qui ne feront pas la différence.

Mai ill faut tenir compte des progrès techniques rapides. La qualité des capteurs augmentant en permanence, un capteur sera meilleur que celui de la génération précédente et son bruit sera plus faible avec une résolution plus grande.

 

La résolution seule ne signifie rien !

 

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La profondeur des capteurs

Attention qu'il n'y ait aucune confusion ! La profondeur de couleur n'a évidemment aucun rapport avec la profondeur de champ. Il s'agit du nombre de couleurs que le capteur sait réellement séparer.
C'est une notion encore bien plus perfide que celle de la résolution ! L'annonce d'une profondeur de 36 bits qui est totalement illusoire, sauf si le capteur est maintenu dans l'azote liquide, le bruit des capteurs est important et le nombre de bits vrais est très loin de ce chiffre.

Comment visualiser cette profondeur ?

Mais non pas avec un profondimètre… Pour simplifier à l'extrême, la profondeur caractérise le nombre de couleurs disponibles dans l'image. Sur une image très contrastée qui ne sera pas manipulée, 8*3 = 24 bits suffisent, mais s'il faut a posteriori jouer sur les couleurs, les contrastes et plus, des effets de plages vont apparaître, comme des marches d'escaliers de couleurs uniformes.

Il est très simple de comprendre l'intérêt de cette profondeur. Prenez une de vos photos à ombres fortes, un contre-jour est un bon exemple. Les ombres sont marron foncé sale. Avec votre outil de traitement d'image débouchez les ombres en augmentant le contraste pour sortir les détails. Vous n'obtiendrez que des plages de marrons uniformes et de blanc ébloui. Chaque bit supplémentaire de profondeur dédoublera les plages uniformes et augmentera les détails d'un cran.
Sur une image parfaitement éclairée et non traitée, vous observerez que le spectre de luminosité n'a aucune composante en excès du côté des noirs et des blancs, ce manque de profondeur ne sera pas perceptible.

Voici ce que donne une profondeur décroissante sur une même image. Bien évidemment, la taille du fichier augmente avec la profondeur. Il est préférable de comprimer plus fortement une image et d'utiliser un maximum de profondeur (fixée par le capteur).
Il n'est pas possible de représenter plus de 24 bits car la carte vidéo et le moniteur ne savent pas le faire mais un très bon tirage photographique oui. Le machines automatiques de tirage ne font pas mieux, mais si vous avez manipulé votre image, vous aurez perdu des niveaux, il vaut donc mieux partir de plus haut. A ce jour les scanners à plat sont bien meilleurs que 24 bits.

Image de base

24 bits

16 millions de niveaux

 

 

C'est le maximum possible avec un ccd grand public,
mais un vieil argentique faisait mieux.

 Profondeur maximale

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8 bits

256 Niveaux

 

 

Les plages deviennent très visibles, l'image est inacceptable.

 256

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4 bits

16 niveaux

 16

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1 bit

2 Niveaux

 2

 

La jungle du nombre de bits : 8, 24, 30 ou plus ?

Je parle parfois de 8 ou 24, de 32 bits, parfois de 36 bits cela semble confus.
Pour 8 bits, il faut comprendre 8*3, c'était la profondeur limitée habituelle en 2002, 24 bits en tout, un peu moins sont exploitables en réalité à cause du bruit du capteur.
Pour 32 bits, c'est simple, 10 bits par couleur au lieu de 8, donc 10*3 = 30, cela donne une dynamique de l'image beaucoup plus grande, très proche de l'argentique. Les mémoires courantes étant sur 8 bits, 8*4=32, donc restent 2 bits utilisés pour les contrôles de parité ou un filigrane pour un copyright.

Les 24 bits, qui semblaient un plafond non réalisable en 2000, sont largement dépassés maintenant.
Pour plus de 12 bits par couleur au lieu de 8, donc 12*3 = 36, la profondeur dépasse celle des derniers meilleurs argentiques.
Attention toutefois à la réalité des grandes profondeurs, car cela pose un autre problème insoluble lié aux phénomènes physiques fondamentaux. A température ambiante, la technologie n'existe pas encore pour réduire le bruit de fond d'un capteur CCD à de tels niveaux, sauf au voisinage du zéro absolu (-273°C). Les amateurs n'auront vraisemblablement pas une usine de production d'hélium liquide raccordée au photoscope, cela ne concerne que les matériels d'astronomie.
Les 36 bits sont donc une accroche publicitaire, comme les watts dans les chaînes Hi-Fi. L'expérience montrera combien de bits significatifs sont réels, mais même si cela correspondait à 10 bits au lieu des 12 par canal, ce serait un énorme progrès. Ces valeurs de 12*3 vrais ne sont possibles qu'en laboratoire en refroidissant le capteur en enceinte sous vide.

 

FAQ résolution

Pourquoi les petits appareils photo numériques ne numérisent qu’en 24 bits alors que les scanners économiques annoncent 48 bits ?

C'est simple ! Un ccd est une matrice XY qui manipule dans un temps très court une énorme masse de données (quelques millions).
Dans le même temps, sur un scanner, il n'y a qu'une dimension à traiter, la réglette se déplace très lentement à chaque ligne.
Il est facile de numériser quelques milliers de points avec une grande profondeur, mais quelques millions posent bien plus de problèmes.
Un scanner avec une résolution de 4800 dpî (dot per inch), soit 4800/25,4 = 189 pixels par mm a la résolution de 357 kilo pixels par millimètre carré. Une feuille A4 a une surface de 210*297, environ 60.000 mm2 utiles soit une résolution vraie de 20 mP avec une profondeur énorme…
Sans compression, l’image d’un bon scanner occuperait des gigabytes, des centaines de fois plus qu’une photographie sur un bon ccd. La compression est énorme pour que les fichiers restent de taille acceptable. Mais les choses ne sont pas comparables.

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Luminosité des capteurs

C'est encore un domaine obscur (amusant pour une luminosité...) pour l'acheteur basique.
Tous les capteurs sont gravés (plus exactement fondus !) sur une plaquette de silicium, une partie de la surface sert à collecter la lumière derrière le filtre adapté, une autre partie du silicium contient les transistors destinés à contrôler chaque photosite élémentaire. Suivant les technologies, la surface active dépendra du nombre de transistors par cellule élémentaire et de leur agencement, le facteur de remplissage ou de couverture utile "fill factor " variant de 10% à presque 100% de la surface éclairée.
Les photographes comprendront immédiatement l'importance de ce facteur de luminosité, pour un objectif et un sujet donné, un facteur 10 est énorme sur l'ouverture et la vitesse.

Je ne veux pas développer ici les diverses technologies, il faudrait un site spécialisé seulement sur les capteurs et mis constamment à jour pour rentrer un peu dans les détails des multiples technologies. C'est un domaine en explosion..

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Le bruit des capteurs

Pour des raisons trop complexes à développer dans cette petite page, entre autres le mouvement brownien, tous les capteurs possèdent un bruit de fond, directement proportionnel à la température absolue (0 degré Kelvin = - 273 degrés Centigrades, 373 °K = 100 °C...).
Ce bruit est d'autant plus gênant que la pose est longue et la température du photoscope élevée.
Pour vous en convaincre, réglez la pose en manuel, avec des temps croissants, avec le bouchon sur l'objectif. En travaillant les images vous constaterez que l'image est bien loin d'un noir uniforme.

 

Le masque noir

Une astuce remarquable est très utilisée pour les photos en faible lumière. Faites votre photo et notez la vitesse utilisée. Refaites immédiatement un autre cliché en manuel, objectif bouché. Vous utiliserez ensuite sous votre outil de traitement d’image le cliché noir (plus exactement la mosaïque marron caca) comme masque de référence pour le vrai cliché et avec un peu d'habileté, vous améliorerez considérablement le cliché sous exposé. Des sites spécialisés en astronomie évoquent ces procédés.
En montant la sensibilité le bruit augmente mais le temps de pose diminue, il faut trouver le bon compromis.

 

Le bruit thermique

Il faut minimiser le bruit du CCD en pose longue, pour cela il n'y a qu'une solution, refroidir très fortement le photoscope. Les astronomes refroidissent leurs capteurs à l’azote liquide, ce n’est pas pour rien !
Il n'est pas question de mettre le photoscope dans un sac plastique et de le laisser au congélateur quelques heures, puis le sortir pour faire la photo. Il y aurait condensation, dans les objectifs, l'optique et l'électronique, ce qui détruirait tout. Le seul moyen "simple" est de mettre le photoscope dans un caisson léger, avec circulation d'air par pompe électrique dans un filtre dessicant et réfrigération par Peltier triple étage. Cela permet d'amener doucement, en quelques heures, le photoscope vers - 15 °C ce qui est un compromis acceptable.
Les boutons ne seront plus accessibles, les commandes se feront par le port série d'un PC ou d'une calculette (j'utilisais pour le Casio une HP 48), ou en USB. Il est évident que les accus internes ne sont pas utilisés, ils perdent leur capacité au froid et les poses très longues imposent l'alimentation par le jack. La visée se fait par la sortie vidéo sur un téléviseur (ou moniteur) externe pour un bridge, mais ce sera beaucoup plus compliqué pour un reflex.

Attention au travail technique qui laisse l'appareil sur support ou pied, allumé très longtemps pour des photos automatiques. La photographie de croissance de végétaux par exemple demande plusieurs mois avec des poses très espacées (heures), l'appareil ne bougeant pas. Vous ne pouvez pas laisser allumé en permanence sur alimentation extérieure. Il ne faut allumer que le temps de la photo, sinon le corps s'échaufferait énormément entraînant un bruit inacceptable du CCD et une panne fatale. Le déclenchement se fait toujours par un automatisme, souvent avec éclairage flash et appareil protégé dans un caisson pour éviter une inévitable dégradation, avec nettoyage automatique de la fenêtre. Ce n'est pas toujours facile à réaliser, certains appareils ne supportant pas d'être allumés et éteints par commandes externes en conservant les bons réglages, pour d'autres il ne sera pas possible de vider la mémoire sans toucher l'appareil. Dans toutes ces applications demandant généralement des milliers de clichés, beaucoup de difficultés se présentent, mais débrouillez-vous pour ne jamais laisser l'appareil allumé plus de quelques minutes.

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La taille du CCD

Les mesures exotiques des CCD

Les dimensions des CCD sont données en unités incompréhensibles héritées des mesures impériales des premières caméras télévision des 1950, représentant le diamètre du verre support du capteur !
Pour s’y retrouver, il faudra se référer à la taille de la diagonale qui est une donnée objective, ou au rapport de focale comparé à un 24*36. Plus le rapport est proche de 1, plus le CCD est grand.

 

La surface des CCD

La surface d'un CCD est une notion importante. Elle est beaucoup plus petite que celle d'un film 24*36 et à plus forte raison que d'un 6*6...
Cela se traduit par des optiques qui, à ouvertures égales à celles d'un argentique, ont des lentilles d'entrée bien plus petites. Plus la surface sensible est petite, moins il y aura de photons et plus le capteur sera bruyant et plus la sensibilité sera faible.
Pour une résolution identique, un grand capteur sortira un signal plus fort pour chaque photosite, donc un rapport signal/bruit meilleur. Le passage à des profondeurs supérieures à 24 bits implique des capteurs plus gros, et pas seulement des convertisseurs analogue-numérique plus larges !
Les fabricants de photoscopes ne cherchent toutefois pas à augmenter la surface car le silicium (en wafer) coûte cher, cela implique des boîtiers plus gros et des optiques beaucoup plus onéreuses. Les hauts de gammes seuls utiliseront de grands capteurs, la qualité a un prix...

La mode actuelle, dans le milieu de gamme, est le 1/1.8 de pouce. Si vous cherchez la correspondance entre cette appellation commerciale idiote et la taille physique vous devez vous poser des questions.
Prenons par exemple le 1/2 pouce. Le grand côté mesure 6.4 mm soit environ 1/4 ". La diagonale est de 4.9 mm soit 0.19 " et pas du tout les 0.25 " prévisibles annoncés... Cela vient tout simplement du fait que la grandeur commerciale est la diagonale du support du CCD, pas celle de la surface active, un peu comme dans les téléviseurs qui annoncent comme diagonale celle du carton d'emballage...

Notre capteur de 1/1.8 " a donc une surface de 4.8*6.4 = 30.7 mm² contre les 24*36 = 864 mm², soit l'énorme facteur de 28 fois la surface (5.3 fois la diagonale) entre un film 35 mm et un CCD... Cela explique pourquoi les optiques de photoscopes d'entrée de gamme sont si petites. Les CCD sont d'une très grande qualité pour pouvoir sortir une image avec aussi peu de photons.

Passer de 1/1.8 " à 2/3 " augmente la surface de capture de 60% ce qui est très sensible !



La taille des capteurs

 

Pour bien prendre conscience de la très petite taille des ccd, sur l’image suivante, j’ai repris les surfaces des ccd en les rapportant à un classique 24*36 à la même échelle.
En fond vert, la surface d’une pellicule argentique 24*36, au centre les ccd représentés au-dessus, en jaune, c’est un classique ccd de milieu de gamme, en bleu, c’est le plus gros ccd disponible. Cela ne fait pas beaucoup de photons sur de si petites surfaces, surtout avec un petit objectif médiocre…

Pour bien comprendre la très grande différence de qualité entre un bridge et un reflex, voici à l’échelle les différentes surfaces.
Les capteurs des compacts sont encore bien plus petits que ceux des bridges !

Il est très facile d’estimer la taille d’un CCD sans avoir toutes les données constructeurs, il suffit de connaître la focale équivalente en 24*36 et de lire la focale réelle gravée sur l’objectif.
Exemple pour l’Olympus 5050z, zoom 3X de focale réelle 4.1 à 21.3 mm.

Focale équivalente annoncée de 35 à 105 mm, donc un facteur d’équivalence de 4.93 ce qui est beaucoup, donc une surface 24 fois plus faible (le carré de la diagonale) soit seulement 4 % d’un 24*36 !
Nous vérifions cela avec les données complètes du CCD donné pour 1/1.8 ‘’ (soit 6.91*5.19 mm) :
8.64 mm de diagonale du CCD, 43.27 mm pour le 24*36 soit le rapport linéique de 5 environ annoncé.

Un grand facteur d’équivalence implique de petits boîtiers, petits CCD donc des images inévitablement bruyantes si la résolution est élevée.

Sur un reflex Canon EOS de gamme amateur, le ccd est au format APS-C, en 22.7*15.1, diagonale 27.3 mm soit 30 % de la surface d’un 28*36, avec 6 Mp, donc beaucoup plus grand que que les modèles évoqués.
Le facteur d'équivalence (réduction de focale) n'est que de racine ((24*36) / (15.1*22.7) ) = 1.6 ce qui laisse présager un très bon piqué en juqu'à 10 Mp

Voici le CCD 8 Mp du Nikon Coolpix 8800, monté sur son radiateur. Il est protégé par un sandwich de deux verres de 14.7 * 12.3 mm, d'épaisseur totale 1.5 mm. Ces filtres bloquent les infra-rouges, il ne faudra donc pas espérer pratiquer cette technique.

 Nikon 8800

 

Quelle est l'influence de la taille du capteur ?

Un grand capteur implique un gros appareil lourd et cher, avec un objectif de grande taille, plus lumineux et de meilleure qualité.
J'ai eu l'occasion de faire les mènes images avec deux appareils très différents, tous les deux Olympus, de génération identique.

Le petit C4040z que j'utilisais en 2002 ou le C5050z que j'utilisais en 2003 me donnait toutes satisfactions pour mon usage courant. Il tient dans la poche du ciré et a beaucoup de qualités, il exploite bien son petit CCD de milieu de gamme.

En parallèle, j'ai testé le E10, un vrai reflex à gros CCD. Il ne rentre pas dans la poche il est beaucoup plus lourd avec son énorme objectif, mais quelle différence en regardant les images…

Cela est très difficile à montrer sur l'écran, mais la comparaison des clichés est édifiante, les fichiers étant comprimés à la même taille et le tirage effectué par le même laboratoire, ceux du E10 sont éblouissants. Si vous êtes exigeant et que le poids et le prix ne vous posent pas de problème, n'hésitez pas une seconde, achetez un gros haut de gamme !

Attention, nous sommes toutefois à la limite du bruit dans les technologies actuelles de CCD les classiques 1 .1/8'' sont tirés au-delà de la limite du raisonnable en 5 ou 6 Mp. Il faudra attendre une prochaine génération avec meilleure couverture pour avoir des résolutions exploitables au-delà, même si la publicité essayera de vous faire croire le contraire.

 

Dynamique et saturation des petits CCD

La dynamique dépend de la taille du photosite. Plus la surface de silicium se réduit, plus la charge maximale en électrons sera faible (forte lumière). Cela se traduit par une dynamique médiocre, donc un faible rapport entre zones éclairées et zones sombres. L’image sera plate et sans contraste.

La petite surface du silicium a une autre conséquence fâcheuse, la saturation (blooming) des photosites fortement éclairés. Il y aura surabondance de charges électriques qui vont baver dans les photosites voisins, un point clair sur une zone sombre apparaîtra comme une sorte de moisissure et une tâche confuse.
Cela se voit particulièrement bien sur la très difficile photo de feuillages en contre jour, les détails sont invisibles el le ciel apparaît en flaques blanches saturées.
Dans les mêmes conditions, avec un ccd plus grand l’image s’affine et se contraste.
Le nombre de pixels n’est donc pas une donnée très importante, il faut surtout considérer la surface élémentaire d’un photosite comme critère de qualité.

En résumé, la taille des photosites est un facteur physique qui intervient évidemment énormément pour le niveau de bruit, la dynamique donc la qualité de l'image..
Beaucoup de photosites (donc beaucoup de Mpixels annoncés fièrement) dans une petite surface de silicium (pudiquement cachée par la publicité) veut évidemment dire très peu de photons sur un point d’image, dont rapport signal/bruit désastreux.
Pour une technologie à un moment donné, la surface du ccd doit être augmentée avec la résolution si l’on veut garder une qualité décente.
Il ne peut exister de petit appareil, donc petit CCD à grande résolution de bonne qualité, c’est une affaire de compromis.

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CCD progressif ou entrelacé

Il existe deux approches pour réaliser un CCD.
Le CCD Progressif fonctionne en une seule passe, tous les pixels sont saisis au même instant. C'est une solution parfaite en termes de qualité, mais elle présente un gros inconvénient ! L'augmentation de la résolution des capteurs rend de plus en plus difficile l'obtention du produit, le risque de pixels morts augmente rapidement avec la résolution, donc les rebuts, donc les prix.
Le CCD entrelacé. L'image est prise en deux passages, comme les demi-trames d'une image TV. C'est évidemment une perte de qualité, surtout si le sujet bouge entre les deux passes, mais l'avantage énorme en production est que le capteur demande deux fois moins de photosites, il est donc bien plus économique.
Cette approche qui consiste, dans le meilleur des cas à décaler l'image par un artifice, peut déboucher sur une véritable escroquerie en prenant deux fois la même image, puis en combinant pour faire croire que la résolution est double. La tentation était grande d'inventer des résolutions délirantes, cela n'a pas manqué…
Le capteur 1 Mp qui fait des images de 10 Mp, c'est beau non ? Cela s'appelle du marketing. Avec une grosse campagne de publicité, ce n'est pas la peine d'investir dans un département recherche et développement…
Ouvrez bien l'oeil, mais en progressif, pas entrelacé.

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CCD ou CMOS

Il existe deux technologies pour les capteurs d'images statiques. Les CCD et les CMOS. Pour le moment les CCD dominent le marché. Les CMOS laissent présager dans le futur de plus grandes résolutions et surtout une plus grande profondeur. La NASA s'oriente vers ce type de capteur "CMOS active pixel sensor (APS) " pour les missions spatiales.
Il ne concerne pas à ce jour les photoscopes car il est trop bruyant à température ambiante, ce qui masque totalement la profondeur espérée. Il est utilisé sur les instruments astronomiques qui peuvent être refroidis à l'azote liquide.

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Confusion entre photosites et nombre de pixels

Cette notion est très mal comprise et les vendeurs de matériels sont incapables de l'expliquer. Un pixel est un point élémentaire d'analyse de la couleur. Il est composé de quatre photosites, un rouge, deux verts vert et un bleu, combinés dans un filtres (matrice de Bayer). Chaque constructeur choisira une technique particulière pour extraire les trois couleurs d'une zone élémentaire, ou "pixel ", en combinant plusieurs photosites, cellules élémentaires derrière un filtre individuel coloré.

Prenons l'exemple d'un capteur de 4 Mp signifie qu'il comporte environ 1 million de grappes de 4 photosites. Si l'on l'utilise en noir et blanc, il ne résoudra pas 4 Mp, mais seulement 1, même s'il affiche 4 millions de points en réalité interpolés.

bayer

Cela provient du fait très simple que les trois photosites élémentaires qui forment un pixel ne sont pas séparés mais se recouvrent partiellement. Avec les problèmes de diffusion au niveau du silicium, ce paquet de trois (ou plus) photosites ne constitue qu'un point unique ou pixel. Ne vous préoccupez pas de la notion de photosites qui relève des technologies et astuces de fabrication, mais seulement du résultat final visible par l'utilisateur le nombre de pixel.
Certains constructeurs sont célèbres pour mentir dans leur communication et interpolent joyeusement en fabriquent plus de pixels que d'éléments d'analyse. Les constructeurs honnêtes ne comptent que le nombre de points élémentaires réellement distincts à mieux que trois dB. Vous devinerez facilement lesquels en décortiquant les notices.
Attention toutefois, le pouvoir séparateur est très inférieur au nombre de pixels linéaires.
Prenons un exemple simpliste, en photographiant une plage monochrome, par exemple du rouge pur. Les photosites vert et jaune ne renverront que leur bruit propre.
Sur l'image brute le capteur de 4 Mp montrera 1 Mp de points rouges uniformes, chaque pixel significatif étant entouré de trois pixels gris bruité.

Prenons un capteur de 3 Mp, environ 2000 colonnes sur 1500 lignes.
Il est évidemment impossible de séparer par exemple 1000 colonnes noires et blanches, ce qui semble la résolution théorique maximale (un point noir, un blanc...) cela ne ferait qu'un gris moiré. En première approximation, un pixel est constitué de quatre photosites, il faudra donc s'attendre à une résolution maximale de la moitié (carré 2*2)
À cause du recouvrement des pixels adjacents, une grille ou mire ne sera résolue sans trop de moirage qu'avec quelques pixels entre les transitions, on ne sortira pas les 500 lignes espérées mais beaucoup moins si l'on veut conserver un minimum de contraste.
C'est plus clair maintenant ?

Les constructeurs jouent sur cette ambiguïté et ne vont évidemment pas parler de vraie résolution réelle soudain divisée par quatre !
Ils recréent artificiellement un pixel pour chaque photosite en mélangeant les informations des photosites adjacents des autres couleurs.
C'est pour cela qu'un capteur de 4 Mpixels, qui en réalité ne voit qu'un million de points rouges, un million de point bleus et deux millions de points jaune, ne peut montrer qu'un million réel de points colorés, mais est affiché quatre fois plus grâce à l'interpolation des photosites voisins. Le consommateur est maintenant conditionné à accepter cette logique fumeuse.
Rassurez-vous, il y a bien pire, dans les petits appareils ou les téléphones, le facteur de gonflement est très supérieur à quatre…

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Dégrader la résolution ?

Pour des usages amateurs, une résolution au-delà de 8 Mp ne se justifie pas.
Les raisons en sont multiples, c'est la limite physique des capteurs APS-C, les photosites deviennent trop petits au-delà pour recevoir assez de photons pour maintenir un rapport signal/bruit.
Pour regarder les photos sur un ordinateur, 4 Mp sont surabondants, et plus encore pour tirer sur papier en 10x15 …

Si j'achète un appareil dernière génération avec un capteur de 15 Mp, il sera meilleur que celui de 8 Mp vieux de trois ans, mais cette résolution est inutile.
Question : Si je décide d'utiliser mon nouvel appareil à sa résolution moitié, les photos 8 Mp obtenues seront-elle meilleures que celles obtenues avec mon vieux 8 Mp natif ?
Beaucoup de paramètres contradictoires interviennent, car sur le capteur récent :
Positif : Le processeur est plus performant
Négatif : Ce mode dégradé sera une interpolation logicielle des informations fournies par les photosites natifs, il y aura perte d'information.
Positif : La technologie du capteur s'améliore et le bruit intrinsèque diminue (à taille de photosites identiques).
Négatif : Le rapport signal/bruit des photosites diminue rapidement avec la taille.

Une manière de visualiser ce problème est de faire la même photo banale dans les mêmes conditions avec les deux appareils.
La photo du "vieux" sera gonflée de 8 en 15 Mp (sous Gimp ou Photoshop avec les bonnes techniques).
Elle sera comparée à la photo en 15 Mp native du nouveau.

Manipulation suivante, en partant des deux mêmes photos précédentes
Dégrader la photo 15 Mp en 8 Mp et la comparer à celle du "vieux" en 8 Mp natif (sous the Gimp ou Photoshop avec les bonnes techniques).

Ces deux couples de photos, de même taille, seront montrées à des spécialistes qui les compareront objectivement.
Résultats : Il ne sera guère possible à l'œil de déterminer une différence sensible sur une photo banale dans les deux cas !
Avec des tests poussés en laboratoire sur des mires, les écarts seront mesurables, mais pas forcément dans le sens qui semble évident.

En conclusion, l'appareil récent comportera de vraies améliorations cosmétiques et techniques, flattera l'ego du propriétaire, impressionnera le quidam par un énorme nombre de Mp marketing, mais ce seul chiffre de la résolution ne doit en rien influencer la décision d'achat.

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Conclusion

J'espère au moins que la lecture de cette page vous aura éveillé la curiosité et que lors du choix d'un prochain matériel, vous ne penserez pas qu'à la résolution et au prix, en considérant que ce n'est un investissement pour dix ans mais du consommable d'une durée de vie de moins de deux ans.
Le choix d'un bien de consommation à vie brève à un instant donné est très complexe, mais vous avez maintenant quelques éléments de réflexion. Il est vrai que souvent l'achat d'un gadget inutile de ce type est impulsionnel, et que le critère final sera souvent « je prends ce modèle car il est plus joli » ou « je l’ai vu en pub à la télé », indépendamment de toute raison objective.
Le vendeur, qui souvent n'est guère plus compétent que vous, va vous orientera vers le modèle sur lequel sa commission est la plus grande, ou vers celui dont il veut se débarrasser, en aucun cas vers celui qui est le mieux adapté à votre usage.
C’est à vous de choisir en fonction de tous les critères cités.

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Les liens CCD

Pages en anglais

Une page russe montrant un gros plan et le brochage du CCD ICX 252 : ixbt.com/digimage/icx252
CCDs and CMOS image sensors : photocourse.com
Applications scientifiques (chercher ccd, multiples notes) : photomet.com
Hamamatsu le grand fabricant de capteurs pour l'imagerie professionelle : hamamatsu

Les formats des montures C et CS (S=short) et le décalage de 5 mm des focales : rapitron.it/guidaobE

Le très original et extraordinaire capteur Foveon X3, curieux produit à suivre. Attention, c'est un serpent de mer, il est annoncé depuis des années comme étant une révolution, le site constructeur le laisse à penser, mais pour le moment il n’a été testé par aucun des grands producteurs de photoscopes. Il ne sera possible de se faire une idée que lorsqu’il sera proposé dans les gammes commerciales et bénéficiera d’un retour d’expérience. Ce sera peut-être une des voies de remplacement des ccd qui manquent de profondeur, attendons…
The Foveon CMOS 16.8-million-pixel (4Kx4K) : foveon.net

Pages en français

Information CCD : laphotonumerique.free.fr/precision_techn1
Compensation astucieuse du bruit d'obscurité en pose longue : lien mort
Le nombre d'or : wikipedia.org/wiki/Nombre_d'or

Les applications en astronomie

Une belle collection de capteurs : astrosurf.com/re/chip
Application pratique, montage : bbayle.com/qcnb
L'imagerie à haute résolution : club-internet.fr/legault

* Liens vérifiés le 03/03/16

© Christian Couderc 1999-2019     Toute reproduction interdite sans mon autorisation


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