Comme il sera discut´e dans la partie suivante, il existe de multiples mani`eres de capter l’information colorim´etrique contenue dans une sc`ene. Cette partie s’attache
`a d´ecrire le principe majoritairement utilis´e dans les capteurs d´edi´es `a la photogra-phie num´erique. Cette m´ethode [2] repose sur le principe de la synth`ese additive de la couleur dans l’espace RVB et se compose de deux ´etapes :
– Filtrage physique de la couleur : chaque pixel est recouvert d’une r´esine (Fi-gure 10) ´elabor´ee `a partir de pigments ou colorants dispersifs constituant un filtre par absorption. Ces r´esines, dont les spectres de transmission sont donc fix´es par
1. L’appareil photographique `a capteur CMOS 19
Figure 9: Principe del’illumination face arri`ere
leurs ´epaisseurs respectives, sont dispos´ees selon un arrangement dit deBayer.
C’est notamment pour cette raison qu’il est impossible de r´eunir les op´erations de filtrage et de focalisation en concevant des micro-lentilles color´ees : les pieds desdites lentilles seraient de faible ´epaisseur et laisseraient passer la lumi`ere blanche. Les r´esines bleue et verte sont passe-bandes en longueur d’onde dans le visible mais leur transmission remonte dans le proche infra-rouge (voir Fi-gure 11), tandis que la r´esine rouge constitue un filtre passe-haut. Le silicium
´etant photo-sensible de 400 `a 1050 nm, il est imp´eratif de filtrer la composante proche infra-rouge 700-1100 nm au pr´ealable. Ceci est g´en´eralement r´ealis´e au moyen d’un filtre interf´erentiel, comprenant une trentaine de couches, int´egr´e m´ecaniquement dans le boˆıtier SmOP.
– Post-traitement num´erique : cette ´etape se compose de plusieurs ajustements des composantes couleurs RVB, physiquement filtr´ees (interpolation, balance
Figure 10: Mise en ´evidence des deux ´etapes de filtrage de la couleur
des blancs et correction des couleurs, d´ecrits ci-apr`es), ainsi que d’op´erations de filtrage du bruit ´electronique.
Les r´esines color´ees organiques permettent un filtrage physique des couleurs adapt´e `a l’espace couleur RVB, grˆace aux propri´et´es suivantes :
– des profils spectraux en transmission passe-bandes pour les r´esines B et V (cf.
11)
– des maxima en transmission ´elev´es (de 70 `a 80% du flux incident, lorsqu’elles sont d´epos´ees sur verre)
– un spectre en transmission assez ind´ependant de l’angle d’incidence de la lumi`ere jusqu’`a 30◦
– les pieds des spectres se recoupent (voir 11)) `a 50% de transmission, propri´et´e indispensable `a l’op´eration de correction des couleurs.
N´eanmoins certains aspects, li´es `a l’utilisation de ces r´esines, limitent la performance du capteur d’un point de vue optique :
– Leur ´epaisseur : celle de l’empilement di´electrique a ´et´e r´eduite grˆace `a la gra-vure de la cavit´e `a 1 µm environ. Suivant la couleur consid´er´ee, celle des r´esines vaut entre 800 nm et 1 µm. Les r´esines color´ees sont donc responsables de la
1. L’appareil photographique `a capteur CMOS 21
400 500 600 700 800 900
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
λ (nm)
Transmission absolue
filtre bleu filtre vert filtre rouge
Figure 11: Spectres de transmission mesur´es des filtres color´es (d´epˆot de 1µm de r´esine sur 1mm de silice)
moiti´e de l’´epaisseur totale de l’empilement.
– Leur sensibilit´e aux traitements thermiques lors d’un d´epˆot `a haute temp´erature : au del`a de 200◦, ces r´esines fluent ou noircissent [14]. Toutes les couches di´electriques d´epos´ees entre le silicium et la passivation ´etant d´epos´ees `a des temp´eratures sup´erieures `a 400◦, il n’y a technologiquement aucune libert´e de position pour ces r´esines. Pourtant, leur positionnement au plus proche du silicium r´eduirait significativement la diaphotie.
– Leur vieillissement : soumises `a de fortes illuminations ou de fortes temp´eratures, ces r´esines vieillissent mal. Leur profil spectral en transmission s’en trouve mo-difi´e au fur et `a mesure du temps. Il en r´esulte des images aux couleurs de moins en moins proches de la sc`ene photographi´ee.
Signalons qu’une ´etude [15] est en cours `a STMicroelectronics pour pallier `a ces pro-bl`emes. Il s’agit de concevoir des filtres non plus organiques mais min´eraux qui
per-mettraient de modifier l’empilement en rapprochant consid´erablement les filtres du silicium, leur r´esistance en temp´erature ´etant bien meilleure (cf. Figure 12).
Figure 12: Situation possible dans l’empilement d’un filtre color´e min´eral r´esistant aux recuits
1.5.1 Interpolation des couleurs
La Figure 13 montre l’arrangement original des filtres RGB conc¸u par B. Bayer [2]. Le fait de choisir deux pixels verts pour un couple bleu et rouge est inspir´e de l’œil humain plus sensible dans le vert [16]. Chaque pixel capte physiquement une seule des trois composantes R, V ou B. Les deux autres composantes sont interpol´ees en moyennant les composantes physiquement filtr´ees par ses plus proches voisins. Il est `a noter que cet arrangement g´eom´etrique des filtres n’est pas le seul possible [17, 18]. De mˆeme, la technique d’interpolation, baptis´ee d´emosa¨ıc¸age, a fait l’objet `a de nombreuses ´etudes [19]. Enfin, comme pour les objectifs optiques, on peut d´efinir une Fonction de Trans-fert de Modulation (FTM [20]) pour qualifier la r´esolution d’un capteur. Sur ce mˆeme mod`ele, en consid´erant chaque plan couleur, on d´efinit aussi une FTM pour chaque plan couleur. Avec le motif de Bayer classique, on notera une meilleure FTM dans le vert que dans les autres couleurs, cette couleur ´etant moins interpol´ee que les deux
1. L’appareil photographique `a capteur CMOS 23
Figure 13: Principe d’interpolation des couleurs lors du filtrage colo-rim´etrique de Bayer
autres lors de l’op´eration de d´emosa¨ıc¸age. Il r´esulte de cette op´eration d’interpolation l’attribution `a chaque pixel d’un vecteur couleur `a trois composantes R, V et B, qu’on noteCinterp.
1.5.2 Balance des blancs
Une fois les trois plans couleurs s´epar´es, il faut ´equilibrer la balance des blancs : la perception du blanc d´epend du spectre de l’illuminant (jour, lampe, flash . . .) de la sc`ene observ´ee. En cons´equence, les rapports des diff´erentes intensit´es des pixels bleus, verts et rouges doivent rester les mˆemes lorsqu’on acquiert l’image d’une sc`ene blanche. Effectuer la balance des blancs consiste donc `a multiplierCinterp par une ma-trice diagonale ´equilibrant ainsi les trois composantes ind´ependamment les unes des autres :
CBB=
r 0 0
0 v 0
0 0 b
Cinterp (1.1)
1.5.3 Correction des couleurs
Avant d’obtenir le signal vid´eo final, les couleurs doivent ˆetre corrig´ees. Cette op´eration, conservant la balance des blancs pr´ec´edemment ´etablie, consiste `a corriger les trois coefficients pour que les couleurs du signal vid´eo ´emis par le capteur soient les plus proches possible des couleurs normalis´ees ´etablies par les normes CIE (Commission Internationale de l’ ´Eclairage). Cela est indispensable `a leur saine restitution lors de l’impression ou de l’affichage sur un ´ecran lui-mˆeme calibr´e sur les points de r´ef´erence fix´es par la CIE. Pour cela, on r´ealise de l´egers m´elanges entre les trois couleurs ba-lanc´ees pour obtenirCcorcorrespondant aux couleurs du signal final :
Ccor=
La somme des termes de chaque ligne est impos´ee ´egale `a 1, de sorte que la balance des blancs n’est pas modifi´ee. Les coefficientsrV,rB,vR,vB,bRetrV doivent ˆetre petits devant les coefficients diagonaux. Une correction hors diagonales trop importante si-gnifie en effet que les r´esines employ´ees ne sont pas adapt´ees `a l’espace couleur choisi.
Nous illustrerons concr`etement ces aspects de balance des blancs et de correction des couleurs au chapitre 5.