Les capteurs des appareils photo numériques

Un appareil photo numérique utilise un réseau de millions de minuscules cavités lumineuses ou « photosites » pour enregistrer une image. Quand vous appuyez sur le déclencheur et que l'exposition commence, chacun de ces sites est découvert pour collecter des photons et les stocker sous forme de signal électrique. Une fois l'exposition terminée, l'appareil referme chaque photosite, puis évalue combien de photons sont tombés dans chaque cavité en mesurant la force du signal électrique. Les signaux sont ensuite quantifiés en valeurs numériques, avec une précision déterminée par la profondeur de bits (bit depth). La précision résultante peut être à nouveau réduite selon le format de fichier enregistré (0-255 pour un JPEG 8 bits).

Réseau de cavités Cavités lumineuses

Cependant, l'illustration ci-dessus ne produirait que des images en niveaux de gris, car ces cavités ne peuvent pas distinguer la quantité de chaque couleur. Pour capturer la couleur, un filtre doit être placé sur chaque cavité pour ne laisser passer que certaines couleurs. Presque tous les appareils numériques actuels ne capturent qu'une des trois couleurs primaires par cavité, éliminant ainsi environ 2/3 de la lumière entrante. L'appareil doit donc approximer les deux autres couleurs primaires pour avoir la couleur complète à chaque pixel. Le type de réseau de filtres couleurs le plus courant est le « réseau de Bayer », montré ci-dessous.

Réseau de filtres couleurs Photosites avec filtres couleurs

Un réseau de Bayer consiste en rangées alternées de filtres rouge-vert et vert-bleu. Remarquez qu'il contient deux fois plus de capteurs verts que rouges ou bleus. Chaque couleur primaire ne reçoit pas une fraction égale de la surface totale car l'œil humain est plus sensible au vert qu'au rouge et au bleu. Cette redondance en pixels verts produit une image moins bruitée et plus détaillée que si chaque couleur était traitée équitablement. Cela explique aussi pourquoi le bruit dans le canal vert est bien moindre que dans les deux autres canaux (voir « Comprendre le bruit d'image » pour un exemple).

Scène originale
(affichée à 200 %) Ce que voit votre appareil
(à travers un réseau de Bayer)

Note : Tous les appareils numériques n'utilisent pas un réseau de Bayer, mais c'est de loin le plus courant. Par exemple, le capteur Foveon capture les trois couleurs à chaque position de pixel, tandis que d'autres capteurs peuvent capturer quatre couleurs dans un réseau similaire : rouge, vert, bleu et vert émeraude.

DÉMOSAÏCAGE (DEMOSAICING) DE BAYER

Le « démosaiçage » de Bayer est le processus qui traduit ce réseau de couleurs primaires en une image finale contenant l'information couleur complète à chaque pixel. Comment est-ce possible si l'appareil ne peut pas mesurer directement la couleur complète ? Une façon de comprendre est de considérer chaque réseau 2x2 de rouge, vert et bleu comme une seule cavité couleur complète.

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Cela fonctionnerait, mais la plupart des appareils vont plus loin pour extraire encore plus d'information. Si l'appareil traitait toutes les couleurs de chaque réseau 2x2 comme arrivées au même endroit, il n'atteindrait que la moitié de la résolution en horizontal et vertical. En revanche, s'il calcule la couleur en utilisant plusieurs réseaux 2x2 chevauchants, il peut atteindre une résolution supérieure. La combinaison suivante de réseaux 2x2 chevauchants permet d'extraire plus d'information.

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Notez que nous n'avons pas calculé l'information aux bords du réseau, car nous assumions que l'image se poursuit dans chaque direction. Si c'étaient les vrais bords, les calculs seraient moins précis, n'ayant plus de pixels de tous les côtés. C'est généralement négligeable, l'information aux bords pouvant être rognée sur les capteurs à millions de pixels.

D'autres algorithmes de démosaiçage existent, qui peuvent extraire un peu plus de résolution, produire des images moins bruitées, ou s'adapter pour mieux approximer l'image à chaque emplacement.

ARTEFACTS DE DÉMOSAÏCAGE

Les images avec des détails fins proches de la limite de résolution du capteur peuvent parfois tromper l'algorithme de démosaiçage, produisant un résultat irréaliste. L'artefact le plus courant est le moiré (prononcé « moré »), qui peut apparaître sous forme de motifs répétitifs, d'artefacts colorés ou de pixels disposés en un motif de labyrinthe irréaliste :

Deuxième photo à ↓ 65 % de la taille ci-dessus

Deux photos distinctes sont montrées ci-dessus – chacune à un grossissement différent. Notez l'apparition de moiré dans les quatre carrés du bas, ainsi que dans le troisième carré de la première photo (subtil). Des artefacts en labyrinthe et en couleur sont visibles dans le troisième carré de la version réduite. Ces artefacts dépendent à la fois du type de texture et du logiciel utilisé pour développer le fichier RAW de l'appareil.

Cependant, même avec un capteur théoriquement parfait capturant et distinguant toutes les couleurs à chaque photosite, le moiré et d'autres artefacts pourraient encore apparaître. C'est une conséquence inévitable de tout système qui échantillonne un signal continu à intervalles ou emplacements discrets. Pour cette raison, pratiquement tous les capteurs photographiques numériques intègrent un filtre passe-bas optique (OLPF) ou un filtre anti-aliasing (AA). C'est généralement une fine couche juste devant le capteur, qui floute efficacement les détails potentiellement problématiques plus fins que la résolution du capteur.

RÉSEAUX DE MICROLENTILLES

Vous vous demandez peut-être pourquoi le premier schéma ne plaçait pas chaque cavité directement côte à côte. Les capteurs réels n'ont pas de photosites couvrant toute la surface du capteur. En fait, ils peuvent n'en couvrir que la moitié pour laisser place à l'électronique. Chaque cavité est montrée avec de petits pics entre elles pour diriger les photons vers l'une ou l'autre. Les appareils numériques contiennent des « microlentilles » au-dessus de chaque photosite pour améliorer leur capacité de collecte de lumière. Ces lentilles agissent comme des entonnoirs qui dirigent les photons dans le photosite où ils seraient autrement inutilisés.

Des microlentilles bien conçues améliorent le signal photonique à chaque photosite, créant ainsi des images moins bruitées pour le même temps d'exposition. Les fabricants ont pu utiliser les améliorations de conception des microlentilles pour réduire ou maintenir le bruit dans les derniers appareils haute résolution, malgré des photosites plus petits, dus à l'intégration de plus de mégapixels dans la même surface de capteur.

Pour aller plus loin sur les capteurs d'appareils photo numériques, consultez :
Tailles des capteurs d'appareils photo numériques : Comment influencent-elles la photographie ?