Image numérique : le capteur CCD et son optique

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.

2 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. 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.

3 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)

4 L tude du sch ma fonctionnel d un photoscope montre qu il comprend 3 grandes parties : 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.

5 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)

6 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 : 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.

7 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.

8 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.

9 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. 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.

10 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.