Technologie numérique
Le capteur CCD est une surface à cellule photosensible qui transfère la charge électrique générée par les photons incidents (photons->électrons) de cellule en cellule vers un collecteur.
Ce dernier la conserve et la transfert de nouveau vers un convertisseur qui la traduit en tension utilisable (électrons-> tension). Ces différentes étapes sont réalisées de façon séquentielle avec un jeux d’horloges.
Cette tension analogique est ensuite amplifiée puis reconvertie numériquement pour être exploitée par les logiciels de traitements d’image.
Les avantages du CCD sont les suivants :
- qualité des images élevées par un taux de remplissage important (proche de 1) : rendement.
- bruit faible car peu d’électronique sur le capteur.
- capteur très sensible à la lumière.
Pour les inconvénients suivants :
- saturation des capteurs aux hautes luminosités (blooming).
- nécessité d’horloges multiples pour le transfert des charges.
- forte consommation électrique.
Le capteur CMOS, c'est quoi ?
Le fonctionnement du capteur CMOS est assez similaire au capteur CCD à ceci prêt que la conversion de la charge électrique en tension mesurable est réalisée par chacune des cellules photosensible directement sur le site d’acquisition des photons incidents (dans la surface sensible elle-même).
Le processus d’amplification puis de conversion en numérique pour post traitement logiciel est basé sur le même principe que le capteur CCD.
Les avantages du CMOS sont les suivants :
- bonne miniaturisation car électronique et capteur présent sur le même composant.
- faible coût de production (90% identique à la DRAM)
- lecture de certaines zones du capteur permettant des acquisitions à haute cadence.
- faible consommation énergétique et conversion directe de la charge sans horloge.
Pour les inconvénients suivants :
- bruit généré par l’électronique
- taux de remplissage modéré
La préférence du CMOS
Malgré la très bonne qualité du capteur CCD, le CMOS s’impose petit à petit dans le ciel de l’astrophotographie principalement par son coût peu élevé qui ont conduit à des améliorations de ces capacités.
Le bruit électronique est diminué par un montage de cette dernière sous la cellule photosensible.
Le taux de remplissage a été augmenté par l’emploi de micro-lentilles permettant d’optimiser le flux lumineux.
Composition d'un capteur
La surface du capteur est une matrice à 2 dimensions de photosites. Chaque photosite réalise une mesure de luminosité élémentaire et indépendante appelée après traitement pixel (picture element).
On obtient d’ailleurs la résolution du capteur en nombre de pixel puis la taille de l’image par la longueur et largeur en pixels (information mise en avant par les constructeurs).
La finesse de l’image (détails visibles) seront données par la taille d’un pixel : plus ils sont petits plus les détails sont fins.
Le photosite, c'est quoi?
Le photosite est composé :
- d’une électrode metallique ou porte
- d’un isolant (dioxyde de silicium)
- d’un semi-conducteur (substrat de silicium)
Le fonctionnement du photosite repose sur l’effet photoélectrique qui permet à un photon incident d’arracher des électrons sur son électrode semi-transparente.
Les électrons s’accumulent dans la zone désertée appelée puits pendant le temps d’intégration du capteur et sont ensuite recueillis. Leur nombre sont proportionnel à la quantité de lumière reçue.
La couleur et le capteur couleur
Les capteurs numériques sont sensibles aux intensités de lumière qu’ils modélisent en niveau de gris donc en monochrome. Pour obtenir la couleur, on peut placer en avant de notre capteur des filtres colorés de type RVB (Rouge, Vert, Bleu) ou CMY (Cyan, Magenta et Jaune). Ce dernier jeux permettant une meilleur bande passante et sensibilité.
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Les capteurs couleurs sont des capteurs qui intègre directement ces filtres sur leur photosite sous le nom de matrice de Bayer du nom de son inventeur.
Il y a 50% de filtres vert (en référence à la sensibilité de l’œil humain dans le vert) ou jaune pour 25% de filtres rouge et bleu ou cyan et magenta. La composition du pixel de couleur est réalisée par la combinaison de plusieurs photosites. Il existe également des photosites qui sont directement sensibles aux 3 couleurs : le capteur Foveon.
Par sa sensibilité supérieur au capteur couleur pour une dimension identique, le capteur monochrome est en grande partie utilisé pour l’astrophotographie.
Les filtres : le filtre anti-IR
Ce filtre est placé en amont du capteur afin de limiter le spectre lumineux reçu par le capteur qui est assez sensible aux infrarouge et permettre un rendu fidèle des paysages terrestre à l’œil humain. Néanmoins, ce filtre arrête une bonne partie du rayonnement H-alpha qui est visible et très utile en astronomie.
En effet ce rayonnement provient de l’atome d’hydrogène, principal composant de notre Univers. Il sera donc nécessaire de défiltrer et refiltrer une caméra possédant ce type filtre afin de profiter pleinement du spectre.
Pour information, les caméras purement dédiées à l’astrophotographie en sont dépourvus mais pas les APN.
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Les filtres : le filtre anti-alising
Le filtre anti-aliasing placé devant le capteur permet de limiter la taille des détails capturer à une dimension de 2 pixels. Ceci permet d’enlever l’effet de crénelage sur les formes arrondies ou pentues en réalisant un léger flou par répartition de l’intensité lumineuse sur des pixels adjacents.
Un capteur standard est ainsi composé de :
- d'un filtre anti-IR
- d'un filtre anti-aliasing
- de microlentilles pour augmenter le rendement
- d'une matric de Bayer (uniquement capteur couleur)
- des photosites
Convertisseur analogique/numérique
Les tensions utilisables vont être ensuite convertie en numérique afin de former l’image en pixel. Le convertisseur est défini en taille de bit qui va définir le nombre de niveau. Plus ce dernier est grand, plus la représentation des couleurs ou gris de l’image sera nuancée et fidèle.
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Le décodage d'une image
Plus le nombre de pixels sera important, plus la restitution de l'original en image sera meilleure.
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