Des capteurs photo pas comme les autres Avancées techniques et perspectives.

25 Mars    2015

Des capteurs photo pas comme les autres

Avancées techniques et perspectives

Cet article vise à présenter des avancées, des nouveautés ou des projets concernant les capteurs qui apportent des améliorations notables sur le plan technique pour donner au photographe des outils de plus en plus performants avec des limites repoussées.



25/03/2015

Vers des capteurs courbes ?

Les capteurs photos sont plans, c'est bien connu, et pourtant cela entraîne des complications pour les optiques qui sont placées en amont de ces capteurs. Les lentilles de l'objectif vont avoir tendance à former une image sur une surface courbe dite surface de Petzval (schéma ci-dessous) ...

... ce qui implique l'ajout de lentilles pour remédier à ce problème qui rend floue l'image en bordure de champ.

Certains chercheurs ont eu l'idée de s'inspirer de la structure de l’œil humain qui derrière les structures optiques (cornée, cristallin, iris) utilise des capteurs disposés sur une surface courbe (cellules à cônes et à bâtonnets organisées sur la rétine):


Ce qui conduit à envisager l'évolution suivante qui propose de passer d'un capteur (sensor) plan à un capteur courbe :

Cette géométrie permettrait de réaliser des objectifs plus simples, de meilleure qualité, pour un coût plus raisonnable.

Mais il y a d'autres avantages pour ces capteurs courbes : des gains de sensibilité importants, des réductions de l'aberration sphérique qui serait réduite grâce à la forme même du capteur, permettant au passage l'usage d'optiques plus lumineuses qu'il n'est possible de le faire avec des capteurs plats.

Sony vient de présenter un capteur expérimental de type CMOS dont​ la fabrication associe un procédé de chauffage/refroidissement à un procédé de diminution de pression qui va permettre d'utiliser un capteur plan, de le positionner dans un "encadrement", de le déformer (par voie thermique) et d'orienter cette déformation dans le bon sens (par la création d'une dépression) :

Voici ce prototype de Sony :


Les premières retombées prévisibles sont pour

- les appareils à grands capteurs dont les objectifs pourront être plus compacts et légers

- les smartphones, qui pourront être équipés soit de capteurs un peu plus grands, soit de meilleurs objectifs tout en conservant un encombrement réduit.




15/03/2015

Les capteurs X-Trans de Fujifilm

Les composants du capteur X-Trans II


1. Micro lentilles

2. Filtres colorés X-Trans

3. Filtres d'interception gauche/droit de la lumière

4. Capteur de détection de phase / Pixel filtre vert

5. Photodiode

Le capteur X-Trans CMOS II intègre une matrice de filtres colorés originale bénéficiant d'une répartition plus aléatoire éliminant la nécessité de recourir à un filtre passe-bas optique (OLPF). Ce type de filtre est utilisé sur les appareils conventionnels pour éviter les effets de moiré au détriment de la résolution. La matrice du capteur X-Trans CMOS II est traversée par une lumière non filtrée issue directement de l'objectif pour proposer un niveau de résolution sans précédent.

De la matrice de Bayer à la nouvelle matrice du capteur X-Trans :​

Matrice de Bayer

Matrice X-Trans

4 photosites = 2 x 2
Matrice de Bayer

36 photosites = 6 x 6
CMOS X-Trans

Les filtres couleur généralement utilisés dans les capteurs d'aujourd'hui utilisent la matrice de Bayer. Il s'agit d'une matrice répétitive de grilles de 2x2 (4 photosites) se composant d'un photosite R (rouge), de deux photosites V (vert) et d'un photosite B (bleu), disposés selon un motif régulier.
Une matrice de 6x6 a été développée par Fujifilm pour le X-Pro1 afin de casser le caractère cyclique de la matrice 2x2. Elle dispose de 36 photosites (6x6), créant une combinaison plus complexe comparée à la matrice de Bayer afin de réduire considérablement la régularité du motif répétitif. La complexité de cette matrice est suffisante pour empêcher la présence de moiré dans la plupart des cas.

Les avantages du capteur X-Trans sont bien réelles. Elles se traduisent par une grande finesse des images, une grande justesse des couleurs et des contrastes, mais surtout par une montée en sensibilité remarquable. Un Fujifilm X-T1, mais également un Fuji X-E2 doté du même capteur (et moins cher), rivalise avec des appareils tels que le Nikon D610 doté d'un capteur plein format 24x36 dans les hautes sensibilités : voir par exemple l'extrait ci-dessous tiré du "comparomètre" de l'excellent site Imaging Resource.   

Fujifilm X-T1 (ou X-E2) - 6400 ISO

Nikon D610 - 6400 ISO

On constate une qualité d'image proche pour les deux appareils, avec toutefois une plus grande finesse des détails avec le D610 (24 millions de pixels pour le Nikon contre seulement 16 millions de pixels pour le Fuji). Par contre l'image délivrée par Fuji est moins bruitée (surtout en terme de bruit chromatique).

Sans oublier que les capteurs x-Trans de Fuji sont associés à des objectifs au minimum très bons, et la plupart du temps excellents. Ces objectifs peuvent être coûteux, mais ce coût apparaît assez raisonnable lorsqu'on le compare à des optiques de qualité comparable des consurrents.




15/03/2015

Les capteurs Foveon de Sigma

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E

Cell content

Le capteur d'image directe Foveon X3 des appareils numériques SIGMA enregistre, pour chaque pixel, les trois couleurs qui composent la lumière : le bleu, le vert et le rouge. Les autres capteurs utilisent un filtre qui ne permet à chaque pixel de ne voir qu'une seule couleur : soit bleu, soit vert, soit rouge. L'image capturée par les reflex SIGMA est donc une image vue intégralement en couleurs par le capteur, alors que les autres appareils photo numériques restituent une image calculée, reconstituée à partir d'informations partielles correspondant au tiers de l'information totale de l'image réelle. Il en résulte une très grande qualité d'image, et un rendu des détails plus riche que celui d'un capteur conventionnel qui comporterait au moins le double de pixels "classiques" obtenus par interpolation. En effet, un capteur conventionnel de 10 millions de pixels n'enregistre que le tiers de l'image finale, avec 2,5 million d'informations en bleu, 5 millions en vert et 2,5 million en rouge et calcule donc les 2/3 de l'image qui lui manquent lors de la capture. L'image issue des appareils numériques SIGMA est plus précise, avec en particulier plus de détails dans les couleurs, plus naturelle, et sans artefacts tels que le moirage.

En pratique, le capteur Foveon de Sigma délivre (ici sur Sigma DP2 Quattro ) des images d'une très grande finesse comme le montre l’extrait ci-dessous (extrait tiré du comparomètre d'Imaging Resource) :

Foveon                                                                                                                 100 ISO                                                                                                                        X-Trans

​Par contre ce capteur, dans des environnements sombres qui vont nécessiter l'utilisation d'une sensibilité élevée, s'effondre complètement comme le montre l'évolution ci-dessous (comparaison avec le capteur X-Trans). Le même extrait est présenté à 100, 1600 et 6400 ISO. Le capteur Foveon fournit un excellent résultat à 100 ISO, avec une très grande finesse et des couleurs éclatantes. Ici il devance clairement le capteur X-Trans ...

Foveon - 100 ISO

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X-Trans - 100 ISO

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... mais l'image à 1600 ISO est très dégradée. En fait même le petit capteur d'un compact (1/ 2/3 ") fournirait un résultat nettement plus satisfaisant ...

Foveon - 1600 ISO

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X-Trans - 1600 ISO

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... et à 6400 ISO l'extrait devient une bouillie jaunâtre inacceptable. Pourquoi ne pas limiter la montée en sensibilité de l'appareil plutôt que de fournir un pareil résultat ?

Foveon - 6400 ISO

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X-Trans - 6400 ISO

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Ce capteur présent dans le Sigma DP2 Quattro doit donc être réservé à des environnements lumineux où il fournit des photos d'une qualité exceptionnelle (photos en extérieur par beau temps ou en studio).



About the Author

Chercheur au CNRS, je suis passionné de photographie. J'apprécie les aspects techniques dont les avancées sont spectaculaires, mais je préfère me concentrer sur les aspects artistiques et esthétiques.

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