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1 Jean-philippe muller Version 05/2002 Image num rique : le capteur CCD et son optique Digital video jean-philippe. muller Sommaire 1. Photoscope et cam scope num rique 2. Le bloc optique 3. La formation de l Image sur le capteur 4. Distance focale et taille de l Image 5. L objectif standard 6. Les r glages du bloc optique 7. L autofocus 8. L objectif mise au point interne 9. La stabilisation de l Image 10. Le principe du capteur d Image 11. Le transfert des charges dans le capteur CCD 12. La lecture des charges dans le capteur CCD 13. La capteur CCD transfert interligne IF 14. La production du signal vid o 15. L obturateur lectronique 16. La technologie HAD de Sony 17. La structure actuelle des capteurs Sony 18. La cam ra couleur tri-CCD 19. Le capteur CCD couleurs primaires 20. Le capteur CCD couleurs secondaires 21. Le traitement du signal issu du capteur 22. Un mot sur les capteurs CMOS 23.

2 L quilibrage des couleurs par la balance des blancs 24. Le traitement num rique de l Image Annexe 1 : les capteurs CCD Sony pour cam scopes Annexe 2 : les capteurs CCD Sony pour photoscopes Annexe 3 : vue d ensemble de la gamme des capteurs CCD Sony Digital video jean-philippe. muller 1-Photoscope et cam scope num riques Le succ s de l Image num rique repose sur trois importantes innovations technologiques : la facult de l industrie des semi-conducteurs de produire des capteurs d images compacts et de haute qualit (jusqu 5 m gapixels en 2002) le d veloppement d algorithmes de compression tr s volu s comme le JPEG pour l Image fixe, et le DV ou le MPEG pour l Image anim e, capables de transformer les informations relatives une Image ou une s quence en un fichier comprim plus l ger l apparition de cartes m moires miniatures capables, sous un volume r duit, de stocker une grande quantit de donn es (par exemple 128 Mo pour le M morystick) L tude du sch ma fonctionnel d un photoscope montre qu il comprend 3 grandes parties.

3 Le bloc optique avec ses lentilles, son capteur d Image , ses r glages et ses automatismes le bloc de traitement num rique qui compresse les donn es issues du capteur le dispositif d enregistrement qui est en g n ral une carte m moire Cette subdivision se retrouve galement sur le cam scope, avec quelques diff rences au niveau du traitement num rique qui s applique maintenant une Image anim e, et du support d enregistrement qui est le plus souvent une bande magn tique. Le cam scope doit galement 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 s quences MPEG). Figure 1. Sch ma fonctionnel d un photoscope num rique. Figure 2. Sch ma fonctionnel d un cam scope num rique. Digital video jean-philippe. muller 2-Le bloc optique Le bloc optique d un photoscope ou d un cam scope, qui est le premier tage de traitement de l Image est constitu : des lentilles permettant de projeter l Image sur le capteur CCD, avec le r glage de la mise au point ou focus d un dispositif de zoom qui d place certaines des lentilles et permet ainsi de passer d un plan large un plan troit ventuellement d un stabilisateur optique qui compense les tremblements de main et fournit une Image film e 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 re u en signal lectrique (ce capteur est quelquefois remplac par un s parateur optique suivi de 3 capteurs) La sensibilit spectrale des capteurs d Image s tend assez largement dans l infrarouge, ce qui constitue un avantage et un inconv nient.

4 Possibilit de photographier ou de filmer sous tr s faible clairement, ce qui peut tre utile pour les cam ras de surveillance (fonction NightShot chez Sony) les IR ne sont pas focalis s au m me endroit que la lumi re visible, ce qui cr e des interf rences au niveau du capteur et du moirage Le filtre optique est constitu de 3 couches : un passe-bas fr quentiel au Niobate de lithium qui arr te le rayonnement infrarouge (ce filtre est escamot lorsqu on active la fonction NightShot) un filtre quart-d onde qui redonne une polarisation circulaire tous les rayons incidents et permet ainsi un fonctionnement correct du s parateur optique un passe-bas spatial qui introduit un tr s l ger flou en liminant les d tails tr s fins de la sc ne film e, vitant ainsi des effets parasites li s l chantillonnage spatial par le capteur Figure 3. Structure du bloc optique dans une cam ra mono-CCD. Figure 4. Sensibilit spectrale de l il et des capteurs CCD et CMOS.

5 Digital video jean-philippe. muller 3-La formation de l Image sur le capteur La sc ne photographier ou filmer peut tre projet e simplement sur le capteur l aide d une lentille convergente d finie par sa distance focale f. La localisation et la taille de cette Image est simple : l objet AB est projet en une Image A B renvers e le rayon (1) parall le l axe optique sort de la lentille en passant par le foyer F le rayon (2) passant par le centre optique n est pas d vi le point B se trouve l intersection des rayons (1) et (2) remarque : le rayon (3) passe par l autre foyer F, ressort parall le l axe et passe aussi par B Dans un photoscope ou un cam scope, la distance AO de l objet la lentille est variable de quelques centim tres 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 r glage de mise au point ou focus. Figure 5. Cr ation d une Image par une lentille convergente.

6 Figure 6. Principe de la mise au point. Digital video jean-philippe. muller 4-Distance focale et taille de l Image L Image de l objet est projet e sur la surface du capteur CCD caract ris par sa taille exprim e en pouces. Pour faire varier la taille de l Image projet e sur le capteur, il faut pouvoir changer la distance focale de la lentille. En changeant la distance focale et en d pla ant 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 une longue focale (t l objectif) utiliser un objectif focale variable ou zoom Figure 7. Les tailles de capteurs. Figure 8. Ajustement de la taille de l Image par variation de la focale. Digital video jean-philippe. muller 5-L objectif standard En dehors des quipements tr s bons march s qui se contentent d une mise au point fixe et ne proposent pas de zoom, la plupart des photoscopes et cam scopes sont quip s d objectifs pouvant associer jusqu une vingtaine de lentilles.

7 Un objectif classique comporte les l ments suivants : une lentille d entr e X, dont le l ger d placement, manuel ou motoris , va assurer le focus une deuxi me lentille dont le d placement va assurer le zoom une troisi me lentille fixe Y l iris D ou diaphragme, qui dose la quantit de lumi re re ue par le capteur un groupe de lentilles R, fixes en g n ral, qui ach ve la focalisation de la sc ne sur le capteur On utilise souvent dans les photoscopes et cam scopes un objectif mise au point interne dans lequel l agencement des lentilles est un peu diff rent : le groupe de lentilles assurant la mise au point est dissoci de la partie frontale de l optique les l ments 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 m canisme de mise au point Remarque : le zoom optique ne doit pas tre confondu avec le zoom num rique, qui est simplement r alis en agrandissant une partie de l Image num rique.

8 Le zoom num rique agrandit donc aussi les pixels et engendre forc ment une perte de d finition de l Image . Figure 9. Fonctionnement de l objectif normal. Digital video jean-philippe. muller 6-Les r glages du bloc optique le zoom est actionn par un moteur pas- -pas, dont la position est contr l e par un potentiom tre lin aire. La commande est manuelle. la mise au point est actionn e par un autre moteur pas- -pas et un m canisme semblable . La commande est manuelle ou automatique (autofocus). le diaphragme ou iris est en actionn par un cadre mobile pilot par le contr leur de l appareil, avec possibilit de d brayage de l automatisme. La commande de l iris est labor e par le circuit contr leur partir du signal issu du capteur CCD, int gr sur la partie centrale de l Image , qui donne ainsi une Image de la quantit de lumi re re ue par le capteur CCD. L tat d ouverture de l iris est souvent mesur par des capteurs effet Hall.

9 Le programme d exposition automatique (Programme AE) adapte automatiquement la vitesse d obturation, l ouverture de l iris et l amplification du signal vid o la nature de la sc ne film e. Si le signal fournit par le capteur CCD est trop faible malgr un iris ouvert au maximum, l introduction d une amplification s av re quelquefois n cessaire. Figure 10. La m canique de r glage du zoom. Figure 11. La m canique de commande de l iris. Figure 12. L lectronique de commande de l iris. Digital video jean-philippe. muller 7-L autofocus Tous les cam scopes et photoscopes modernes sont quip s d un syst me de focalisation automatique qui peut tre : actif, par utilisation d infra rouge ou d ultra sons (technique de moins en moins utilis e) passif, par analyse du signal vid o issu du capteur CCD Lorsqu une Image est bien focalis e, elle contient un maximum de d tails, qui correspondent des fr quences lev es dans le spectre du signal vid o.

10 Ceci est mis profit par de nombreux fabricants pour r aliser un dispositif de mise au point automatique : le signal en sortie du CCD est s par en deux bandes de fr quences qui se chevauchent l aide de fen tres temporelles, on s lectionne les informations relatives diff rentes parties de l Image l amplitude des composantes est d tect e et utilis e par le contr leur pour commander le focus Figure 13. Mise au point et spectre du signal vid o. Figure 14. Principe de l lectronique d autofocus. Digital video jean-philippe. muller 8-L objectif 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 d placement de la lentille frontale. Cette structure pr sente un certain nombres d inconv nients : la rotation est command e par un moteur dont la d multiplication am ne une certaine lenteur de l autofocus impossibilit d utiliser des filtres polarisants et des pare-soleils rectangulaires fix s sur l objectif risques de d gradation du m canisme d autofocus en cas de choc sur la lentille frontale Avec l objectif mise au interne ou Inner Focus, celle-ci est effectu e par le d placement d'un groupe de lentilles l arri re du zoom.