La caméra est l'un des éléments principaux de la chaîne d'acquisition d'une image. De nombreux types de caméras existent dans le domaine de l'industrie : caméras analogiques ou numériques, caméra linéaires ou matricielles, caméra multi-spectrales.

Les capteurs d'image utilisés en analyse d'image couleur, sont généralement des caméras possédant un élément sensible à la lumière reçue. Ces éléments sensibles peuvent être un tube électronique ou une matrice CCD (Charged Coupled Device). Ces éléments ont de nombreuses caractéristiques: leur définition, leur sensibilité spectrale, leur  sensibilité en luminosité, leur rémanence,...

Nous allons nous attacher aux capteurs spécifiques pour l'acquisition d'images numériques couleur. Nous aborderons d'abord les principes des capteurs couleurs avant de lister quelques uns des capteurs numériques les plus utilisés aujourd'hui. Notons qu'un recensement des principaux fabricants de capteurs couleur se trouve à l'adresse http://www.directindustry.fr/nfk/fr/capteurs-de-couleur.html

Les principales technologies de capteurs couleurs

Les principaux capteurs analogiques utilisés aujourd'hui pour l'acquisition d'images couleur sont les caméras CCD couleur, pour lesquelles on distingue deux types de technologies : mono-CCD et tri-CCD. Nous aborderons également les capteurs CMOS et multispectrals. Pour plus de détails on pourra se reporter au cours suivant : http://www-cal.univ-lille1.fr/~ag/enseigne/image/seance1_2.html. Une comparaison des capteurs analogiques et des numériques peut par ailleurs être trouvée à http://www.chin.gc.ca/Francais/Contenu_Numerique/Numerisez_Collections/Sub_sections/numeriques_analogiques.html.

• Caméra couleur mono-CCD :
  
  Les capteurs CCD, Dispositifs à Couplage de Charge, captent la lumière sur les petits photosites situés à leur surface. Ils tirent leur nom de la manière dont le nombre de charges est lu après une exposition à la lumière. La photodiode (ou photosite) est l'élément optique sensible à la lumière, elle est rectangulaire et c'est elle seule qui capture la lumière transitant par l'objectif. Elle comprend en plus un canal chargé du contrôle de la charge et un autre chargé de la transmission de la charge. Dans un capteur CCD couleur, les photosites sont organisés le plus souvent en matrice (rangées et colonnes) avec un passage vertical entre chacun d'entre eux pour que les charges électriques puissent être transférées. Après une prise de vue, toutes les charges contenues dans une ligne sont transférées dans les CCD de la ligne immédiatement inférieure, les CCD de la dernière ligne donnent leur informations à une ligne de capteurs appelée "registre". A la sortie on obtient les valeurs de charge d'une ligne de CCD. Tout ceci étant réglé par des "horloges".
  
  Ainsi, la lumière est transformée en impulsion électrique (à ce stade nous sommes toujours en analogique). Ces impulsions électriques sont alors envoyées vers un convertisseur analogique/numérique à l'intérieur duquel sont appliqués à l'information des algorithmes pour numériser l'image.
  
  
  
  Figure 1 : Elément de base d'un capteur CCD
  
  
  Les caméras couleurs mono-CCD sont, comme leur nom l'indique, munies d'un seul capteur CCD. Les composantes couleur de la scène sont obtenues en plaçant une mosaïque de filtres colorés (dépôts en couche mince de substance à base d'oxydes de silicium), de telle sorte que chaque cellule du capteur CCD ne perçoit qu'une des trois composantes, généralement Rouge, Verte et Bleue. On trouve sur la figure 2 quelques exemples de filtres .
  
  

  Filtre colonne	Filtre de Bayer	Filtre de Rockwell
  Figure 2 : filtres utilisés pour les capteurs mono-CCD

  
  Le filtre le plus utilisé dans les technologies actuelles est le filtre de Bayer, illustré par la figure 3. Il permet de calculer la valeur d'un pixel à partir d'un quadruplet de photosites, donnant plus de poids à la composante verte, pour laquelle l'œil présente le maximum de sensibilité. On trouvera des détails quant à la disposition des photosites et des filtres correspondant à l'adresse http://www.chin.gc.ca/Francais/Contenu_Numerique/Numerisez_Collections/Sub_sections/capteurs_dimages.html
  
  

  Figure 3: le filtre de Bayer

  
  Un pixel est donc composé de quatre photosites (2 verts, 1 bleu et 1 rouge), il y a plus de vert pour tenir compte du fait que l'oeil humain est plus sensible au vert qu'aux autres couleurs. Les calculs nécessaires pour construire une image numérique couleur peuvent donc être très importants comme le montre la figure 4 :
  
  
  Figure 4 : Schéma de fonctionnement d'un capteur numérique mono-CDD couleur
  
  Les limitations du capteur couleur mono-CCD sont donc liées au fait qu'il faille au  moins trois cellules pour obtenir l'information couleur complète.... d'où une perte de résolution. De plus, les trois cellules utilisées pour définir la couleur d'un point ne sont pas localisées au même endroit, ce qui est à l'origine d'aberrations chromatiques.
  
  
• Caméra couleur tri-CCD :
  
  Les caméras 3-CCD sont équipées d'un dispositif à base de prisme, comprenant 3 capteurs CCD. Ainsi, la résolution de l'image couleur n'est pas dégradée par un système de mosaïque : à chaque point de l'image correspond 3 cellules CCD. La caméra se présente alors de la manière suivante :

  Figure 5 : Décomposition de la lumière sur 3 CCD

• La caméra CMOS :
  
  Il s'agit ici d'un nouveau type de détecteur semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire les capteurs CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) Ce sont de minuscules circuits et  dispositifs gravés sur des puces de silicium. Les processeurs CMOS les plus récents, dont le Pentium II, contiennent près de 10 millions d'éléments actifs. La fabrication de capteurs d'image CMOS selon le même procédé que pour les puces d'ordinateur se traduit par une baisse spectaculaire des coûts. Le coût de fabrication d'une plaquette CMOS est le tiers de celui d'une plaquette équivalente avec des dispositifs à couplage de charge.
  
  Comme pour les capteurs CCD, la cible comporte des cellules élémentaires, le plus souvent organisées en ligne et en colonnes. Chaque cellule élémentaire peut être équipée d'un amplificateur intégré. La sortie des amplificateurs composant une ligne est validée séquentiellement par l'intermédiaire d'une ligne d'adressage. La technologie CMOS permet l'intégration des opérateurs analogiques (amplificateurs) ou numériques (adressage) sur la même puce de semi-conducteur. De plus, il est facilement envisageable d'adresser, séparément ou par bloc, les cellules élémentaires.
  
  Les avantages de la technologie CMOS par rapport au CCD sont les suivants :
  • Coûts de fabrication moins important. L'implantation des composants CMOS est aujourd'hui bien répandue et maîtrisée.
  • Faible consommation d'énergie : L'architecture des capteurs permet une consommation 100 fois plus faible que pour les CCD (composant essentiellement capacitifs qui consomment pour le transfert des charges). Un systme CCD demande 2–5 watts, comparé aux 20–50 milliwatts pour les CMOS avec le  même nombre de pixel. Par exemple, une batterie NiCd peut alimenter une caméra CMOS pendant une semaine et seulement quelques heures pour une caméra CCD
  • Accès à des régions de pixels
  • Plus grande rapidité pour obtenir l'image
  Ces caméras sont pourtant peu utilisées dans le domaine industriel.



• Les caméras multispectrales :
  
  Des caméras plus spécifiques existent sur le marché : caméra infra-rouge ou multispectrale. Cette dernière devient de plus en plus importante dans les applications.
  
  Plusieurs technologies existent : l'un est le même que pour la caméra mono-CCD avec une roue de filtres plus importante. Le second est un système de prisme décomposant la lumière suivant diverses longueur d'ondes comme le montre la figure ci-dessous :
  
  
  
  Figure 6 : Décomposition du signal lumineux provenant d'une ligne (spatial)sur un prisme (spectral)
  
  Une autre technologie utilisée est une roue de filtres très sélectifs à positionner devant la caméra.
  
  Une fois le capteur choisi, il s'agit de lui associer une carte graphique. Comme pour la caméra, le choix de la carte graphique (Video Frame Grabbers) dépend de l'application. Ainsi, certaines applications demandent une acquisition et un traitement rapide. La carte graphique  est caractérisée par le nombre de bits qu'elle peut afficher, la fréquence de balayage et le temps de rafraîchissement. C'est aussi dans la carte graphique que se trouve la table de conversion, LUT (Look Up Table), qui sera utilisée pour compenser la caractéristique de l'écran. De plus amples explications sont données sur le site http://24.16.71.95/topics/Tutorials/marvel_g200.htm. De plus en plus, plutôt que d'associer une caméra analogique et une carte graphique, on choisit d'utiliser directement une caméra numérique.

Les principaux capteurs couleurs numériques du moment

On l'a vu, les technologies CCD et CMOS sont les plus utilisées mais on trouve désormais des technologies innovantes comme le Super CCD et le X3. On pourra se reporter au site http://laphotonumerique.free.fr/

• Les capteurs CCD :
  
  Le principe du capteur mono-CCD est rappelé sur la figure 7 :
  
  
  
  Figure 7 :Capteur CCD numérique
  
  Physiquement le capteur CCD  est un composant gros comme l'ongle du petit doigt et des photodiodes sont posées dessus, de 380.000 photodiodes au début, on en est maintenant à 6.000.000 au gré des évolutions technologiques.  Cela a commencé à devenir une limite lorsque les capteurs sont arrivés au chiffre de 3.34 millions.  En effet jusque là on ajoutait un million de photosites par an à ce qui existait déjà, en conservant la même surface. On générait donc des photodiodes de plus en petits. Les problèmes qui apparaissaient étaient une perte de sensibilité (la surface de chaque photosite diminuant) donc de luminosité, d'où du "bruit" vidéo (notamment dans les parties sombres de la photo).
  
  
• Les capteurs CMOS :
  
  Théoriquement, il s'agit de la même technologie que les capteurs CCD, c'est à dire que ce sont également des capteurs analogiques, mais qu'ils sont fabriqués sur des chaînes utilisées pour d'autres puces moins coûteuses. Sur un CMOS la sensibilité des photosites est moins grande que celle d'un capteur CCD. On trouve généralement ces capteurs sur les appareils d'entrée de gamme, mais ils peuvent aussi être développés au coup par coup pour des appareils plus importants.
  
  
  
  Figure 8 : Le capteur CMOS du Canon D30
  
  Ainsi, Canon a mis au point un capteur CMOS spécialement pour équiper  l'appareil EOS D30. Ce capteur à faible consommation d'énergie ne présente pas les inconvénients classiques du CMOS, à savoir le "bruit" et les variations de pixels grâce à des procédés de réduction du bruit. Le capteur a la dimension d'un film APS (22.7 x 15.1 mm) et est "tapissé" de 3.25 millions de pixels d'une grande sensibilité au vu de leur taille. Notez que les Canon EOS 1D et D60 possèdent aussi des capteurs CMOS spécifiques.
  
  
• Le super-CCD :
  
  Fuji a conçu un nouveau capteur, appelé capteur super-CCD, où la photodiode n'est plus rectangulaire, mais hexagonale, ce qui permet théoriquement de loger plus de pixels dans la même surface, et par là d'obtenir plus de résolution. Ce  capteur fait l'objet d'une polémique car on parle de pixels interpolés, donc fabriqués artificiellement.

  Figure 9 :  forme des photosites sur un capteur CCD classique à gauche et sur un super CCd à droite.

  Ainsi, les capteurs CCD traditionnels ont des photodiodes carrées, le super CCD de FUJI a des photodiodes de forme  octogonales et les pixels sont orientés à 45°. L'organisation de l'espace permet
  • de s'affranchir des limites technologiques actuelles puisque les pixels ont une surface plus élevée que sur un capteur traditionnel, donc d'obtenir une sensibilité plus élevée;
  • d'obtenir des résolutions horizontales et verticales qui correspondent pratiquement aux caractéristiques de perception de l'oeil humain.
  
  Figure 10 : Comparaison des répartitions des photosites dans les  2 technologies
  
  
  L'interpolation traditionnelle consiste à fabriquer des pixels au moyen d'un logiciel qui va d'après les données de couleurs, luminosité ... etc. de deux pixels en intercaler un nouveau qui sera le résultant de deux ou plusieurs. L'interpolation du Super CCD repose sur le principe suivant : du photosite octogonal, on détermine un carré au centre du photosite qui va constituer un pixel, les surfaces restantes (au nombre de quatre) sont rassemblées pour constituer un autre pixel. Il y a effectivement un calcul, d'où interpolation, mais cette dernière se fait d'après des éléments existants déjà physiquement.

  Figure 11 : Interpolation : CCD traditionnel et Super CCD

  
  Ainsi, il y a interpolation dans la mesure où un pixel sur deux est artificiel. Mais il n'y a pas interpolation, car le pixel qui est fabriqué l'est à partir d'éléments qui existent déjà (ils sont simplement réunis pour constituer un nouveau pixel).
  
  De 2.400.000 photosites permettant des images de 4.200.000 pixels (Super CCD I), le super CCD® a évolué à 3.300.000 photosites (Super CCD II) permettant d'atteindre des résolutions de 6.000.000 pixels avec moins de bonheur en ce qui concerne les résultats que pour la première version.
  
  Le super CCD vient d'évoluer en une version 3 qui quoique gardant les 3.300.000 photosites a vu les fonctions de calculs et de transfert améliorées pour permettre (théoriquement) de pousser les sensibilités jusqu'à 800 et même 1600 ISO, mais en perdant le bénéfice des 6 millions de pixels (nouveaux appareils de Fuji : F601, F602). Le capteur du futur S2 Pro avec 6.17 millions de photosites doit pouvoir délivrer des images de 12 millions de pixels.
  
  Pour des comparaisons d'images obtenues par CCD traditionnel et Super CCD, on se reportera au site http://laphotonumerique.free.fr/super_CCD.html
  
  
• Le capteur X3 :
  
  Le capteur X3 de la société américaine Foveon est révolutionnaire : il est doté d'un verre spécial permettant de séparer et répartir la lumière en proportions égales sur les trois couleurs RVB. Concrètement un photosite capture une composante RVB et non plus une valeur de Rouge, Vert et Bleu (Filtre de Bayer) par photosite.
  
  Le schéma de la figure 12 illustre bien le fait qu'un capteur CCD traditionnel capture seulement une couleur (Rouge, Vert ou Bleu) par photodiode et reconstitue un pixel avec 4 photosites (1 Rouge, 2 Verts 1 Bleu) en utilisant le filtre de Bayer.
  
  
  
  
  Figure 12 : Comparaison du fonctionnement général d'un capteur CCD avec le capteur X3
  
  Le capteur à technologie X3 développé par Foveon permet la capture des 3 couleurs (Rouge ,Vert et Bleu) par un seul photosite, d'après une particularité du silicium. En effet c'est dans l'épaisseur que le silicium est sensible à telle ou telle couleur. Pour simplifier nous dirons que la couche superficielle du silicium arrête le bleu, que la couche médiane arrête le vert et enfin que le rouge est stoppé par la couche inférieure, comme l'illustre la figure suivante :
  
  
  
  Figure 13 : Technologie du X3
  
  Les avantages de ce capteur sont nombreux :
  • Avantage au niveau des coûts de fabrication : plus besoin de filtres colorés (ils sont dans le photosite et moins d'électronique de calcul puisque la couleur est directement obtenue sur le photosite et non plus après traitement électronique des couleurs de 4 photosites).
  • Avantage pour la disponibilité de l'appareil à la mise en route et en inter images (rafale) : moins de calcul égale moins de temps.
  • Avantage qualitatif, car il n'y a plus d'interpolation et de calculs destinés à "fabriquer" une couleur aprés capture. Il ny a donc plus d'interpolation et on est donc en droit d'attendre des images plus "propres". Dans ce même ordre d'idée toute la lumière est absorbée par le photosite, sur les capteurs traditionnels la luminance de rouge ne va pas affecter le photosite bleu (il y aurait donc une grosse réduction des artefacts colorés ainsi que du bruit résultant dans les zones sombres).
  
  Ce capteur est disponible en 4/3 de pouces (3.3 millions de pixels correspondants à 9.9) et en format 1/2" (1.3 millions de pixels correspondants à 3.9).