Format et Architecture

Les critères de choix peuvent être complètement dépendants de l'application, du budget, ou de l'histoire du laboratoire. Bien qu'il n'y ait pas de règle générale, on retrouve souvent le même type de matériel pour le même type de laboratoire :

• Applications scientifiques: transfert de bloc

• Télévisions et grand public: transfert interligne

• Applications industrielles: capteurs linéaires, balayage progressif, TDI, ...

• Applications militaires: tout ce qui conviendra ...

Pour « Monsieur tout le monde » le bruit n'est pas forcément prépondérant, mais par contre pour les applications professionnelles mettant en jeu de nombreux relais, le bruit devra être le plus bas possible. Pour les applications industrielles, c'est l'application, et plus précisément son contexte, qui guideront notamment l'éclairage mais aussi le choix du capteur. Le coût reste bien sûr un enjeu fort selon les laboratoires. Enfin, pour les applications militaires, tout conviendra au but final : visualiser le phénomène désiré, et ce parfois coûte que coûte...

Durant la dernière décennie, les fabricants se sont attachés principalement, d'un point de vue de la géométrie, à maximiser le facteur de remplissage, donc à couvrir la zone imagée le plus possible par des pixels sensibles. Cependant, l'augmentation du nombre de pixels pour augmenter la résolution entraine une diminution de la sensibilité, une augmentation du rapport Signal/Bruit, et un rétrécissement de la gamme dynamique, puisque les pixels sont plus petits ; les Super-CCD permettent de résoudre ces problèmes et d'améliorer la qualité de l'image finale.

En 2000, les premiers Super-CCD visent à améliorer le rendement ; les générations suivantes visent à améliorer la résolution, puis la génération d'après tend à augmenter la sensibilité.

Le fait que la photodiode soit octogonale (Fig.22) et la disposition des photosites en nid d'abeille a permis l'augmentation de la surface efficace de chaque photosite. La surface d'une photodiode dans un Super-CCD d'1/2 pouce et trois millions de pixels est 2,3 fois supérieure à celle d'un CCD classique de même taille. C'est grâce à cela que la sensibilité, le rapport Signal/Bruit et la gamme dynamique ont pu être améliorés. La disposition en nid d'abeilles des pixels permet également de mieux se rapprocher de la qualité de la vision humaine.

De leur côté, les Super-CCD HR offrent une bien meilleure résolution ; ils interpolent un pixel au milieu de chaque paire de capteurs. Une autre des caractéristiques avantageuses du Super-CCD HR est la finesse de ses électrodes, qui diminue la profondeur des puits des photosites. Ainsi les photosites reçoivent une plus grande proportion de lumière. De plus, les Super-CCD continuent à évoluer. On pointe notamment les modèles Super-CCD SR, et le Super-CCD EXR, qui combine les performances des deux précédents et permet d'obtenir une image très proche de celle perçue par l'œil humain.

Traditionnellement, il n'y a qu'une photodiode par photosite pour capturer toute la gamme de lumière ; dans les Super-CCD SR, il y a deux types de photodiodes différentes par photosite (Fig.25).

Les photosites sont donc dédoublés ; les photodiodes S ont une haute sensibilité mais une gamme dynamique relativement étroite ; elles capturent les couleurs sombres et moyennement claires. Les photodiodes R, quant à elles, ont une plus faible sensibilité (c'est-à-dire qu'elles enregistrent une image plus sombre) ; cela leur permet de capter des détails dans les zones de plus forte luminosité, ce qu'une photodiode conventionnelle ne peut pas faire.

De plus, l'augmentation de la gamme dynamique (ou latitude d'exposition) du capteur autorise, jusqu'à un certain point, une exposition incorrecte (plus de tolérance pour les conditions d'éclairage difficile, surexposition ou sous-exposition). Le Super-CCD SR se décline en deux générations, pour lesquelles le principe est le même, mais la disposition des photodiodes change. Dans la première version, chaque photosite est séparé en deux pour contenir les deux photodiodes ; dans la deuxième version, la photodiode S occupe toute la surface du photosite, et la photodiode R est mise en place entre les photosites octogonaux. Cette technique permet d'augmenter la sensibilité, puisque la surface des photodiodes S dans la version SR II est supérieure à celle dans la version SR.

Révélé en 2008, le capteur Super-CCD EXR est le résultat de l'addition des caractéristiques des Super-CCD HR et des Super-CCD SR ; il en résulte un capteur universel « trois en un », qui joue sur la très haute résolution, la haute sensibilité et une large gamme dynamique, et qui améliore donc radicalement la qualité des images.

Le Super-CCD EXR est modulable, de façon à modifier son comportement en fonction de l'objet photographié, afin d'obtenir la meilleure image possible. Ce capteur présente trois modifications principales par rapport aux capteurs des générations précédentes.

• Tout d'abord, les filtres de couleur sont disposés différemment sur la matrice.

Ce changement de disposition est dû à la nécessité d'avoir un bruit faible. En effet, pour gagner en sensibilité, on amplifie le gain électronique en sortie du capteur, ce qui crée un bruit supplémentaire. Une technique pour réduire ce bruit consiste à regrouper les pixels (pixels binning). Classiquement, le binning s'effectue par regroupement horizontal ou vertical des pixels, ce qui génère des défauts dus au trop grand éloignement des pixels de même couleur que l'on rassemble ; la suppression de ces défauts entraine une grande perte de résolution.

• Le deuxième avantage que présente le Super-CCD EXR par rapport aux capteurs de la génération précédente est l'extension de sa gamme dynamique ; il permet de capter deux images différentes pour un même objet, l'une en haute sensibilité, l'autre en faible sensibilité. En effet, s'inspirant de la technologie du Super-CCD SR, le EXR exécute un « Contrôle de Double Exposition » (Dual Exposition Control) : c'est-à-dire que deux pixels adjacents de même couleur ont deux sensibilités différentes (la moitié des photodiodes du capteur a donc une haute sensibilité, l'autre moitié une faible sensibilité). Ceci s'opère grâce au contrôle du temps d'exposition des photodiodes. Tandis que les pixels A ont un temps d'obturation au 1/100ème de seconde, les pixels B sont au 1/400ème. Les pixels A enregistrent donc des détails dans les tons sombres, tandis que les pixels B enregistrent les nuances des zones claires. La combinaison des deux rendus permet donc de bien conserver la lumière sur la totalité de l'image.

• La troisième caractéristique du Super-CCD EXR est sa haute résolution ; sa structure lui permet d'exploiter tous les pixels, et son processeur lui permet d'optimiser le traitement du signal afin d'obtenir la meilleure résolution possible. Malgré le fait qu'il ait été conçu pour avoir une meilleure sensibilité (et donc, regroupement des pixels), il offre la même qualité d'images qu'un autre capteur de 12 Mégapixels.

La technologie des capteurs CMOS (cf. infra) évolue également spatialement; dans une des dernières générations, le changement de disposition des photodiodes, qui pivotent de 45°, permet de gagner en résolution, jusqu'à 1,4 fois la résolution d'un capteur CMOS conventionnel de mêmes caractéristiques. Grâce à sa nouvelle structure, la génération IMX021 de capteurs CMOS permet d'obtenir des images de haute qualité avec un bruit réduit.

Quant aux capteurs Sony Exmor R, leurs photodiodes ne sont pas à la même place que sur les capteurs classiques ; elles se trouvent juste en dessous du filtre de couleur, ce qui permet d'augmenter la sensibilité et de beaucoup diminuer le bruit.