Accueil > News - Blog > Grands angles et ultra-lumineux sur capteurs numériques surpixélisés... oui (...)

Grands angles et ultra-lumineux sur capteurs numériques surpixélisés... oui mais..

mardi 4 mars 2014, par Mistral75

Trois phénomènes apparaissent avec les capteurs à forte densité de pixels et les objectifs qui produisent des rayons à faible incidence (inclinés), parmi eux notamment les grands angles non rétrofocus conçus pour des boîtiers à court tirage (typiquement, les télémétriques) mais aussi les focales standards et courts téléobjectifs très lumineux quand ils utilisent des formules symétriques, y compris ceux pour reflex :

1. Le vignetage en périphérie de capteur

Il est causé par la connectique qui entoure les photodiodes et les surplombe (les photodiodes sont au fond d’un "puits" de connectique). Avec un rayon lumineux incliné, plus une photodiode est petite, plus la "zone d’ombre" créée par la connectique est importante en proportion de la surface totale de la photodiode. A taille de photodiode constante, plus le rayon lumineux est incliné, plus la "zone d’ombre" est également importante ou, ce qui revient au même, plus la probabilité que le rayon soit bloqué par la connectique est importante.

D’où un vignetage qui va croissant en s’approchant des coins.

2. Les dérives latérales magenta

Elles sont causées par l’action conjointe des micro-lentilles et du vignetage mécanique provoqué par la connectique autour de chaque photodiode.

Les micro-lentilles sont là pour concentrer (= redresser) les rayons lumineux et améliorer la sensibilité du capteur. Revers de la médaille, quand ces rayons sont inclinés elles redressent plus les rayons moins énergétiques / à plus grande longueur d’onde (vers le rouge) que ceux plus énergétiques / à longueur d’onde plus courte (vers le bleu).

Le vignetage mécanique est par conséquent plus accentué dans le bleu que dans le rouge, d’où cette dérive magenta.

3. Le crosstalk ou diaphonie ou diaphotie ( les 3 termes semblent adaptés à l’usage à quelques nuances près)

Un point dans l’espace réfléchit la lumière dans toutes les directions. Idéalement, ces différents rayons, ou plutôt la portion qui est captée par l’objectif, sont focalisés au même endroit sur la surface sensible. Ce n’est malheureusement pas toujours le cas, notamment avec les capteurs très pixelisés.

Donnée n°1 : le redressement opéré par les micro-lentilles n’est pas le même selon l’angle d’incidence du rayon (là, pour simplifier, je raisonne en lumière monochrome mais c’est la même chose pour chaque longueur d’onde) ; plus un rayon est incliné, plus il est dévié (= redressé), à l’inverse un rayon parfaitement orthogonal à la lentille "passe tout droit".

Donnée n°2 : ces micro-lentilles sont conçues pour pallier la sensibilité native réduite des petites photodiodes en concentrant le plus de rayons lumineux possible sur la photodiode. Elles sont généralement d’autant plus "agressives" (puissantes) que les photodiodes en ont plus besoin, c’est-à-dire qu’elles sont plus petites. Autrement dit, que le capteur est plus pixelisé.

Quand :

- un capteur est très pixelisé, c’est-à-dire dispose d’une réseau très dense de petites photodiodes généralement couplé à des micro-lentilles "puissantes"

- et que le faisceau de rayons émanant d’un point dans l’espace et capturé par l’objectif comprend à la fois des rayons faiblement et d’autres fortement inclinés, ce qui est le cas avec les objectifs ultralumineux,

on peut aboutir à ce que différents rayons correspondant au même point de la scène photographiée soient dirigés sur des photodiodes différentes, d’où un effet de floutage : un point est rendu par une petite tache. Comme de la coma, mais avec une cause différente : c’est l’environnement du capteur qui "étale" le point et pas l’objectif.

C’est ça le crosstalk.

Le phénomène est encore accentué :

- par le fait que les micro-lentilles ne sont pas les seuls éléments réfringents à s’interposer entre l’objectif et la photodiode, il y a aussi le verre de protection du capteur, le filtre infrarouge, le filtre passe-bas (antimoiré) éventuellement, les filtres colorés de la matrice de Bayer, etc.

- par les algorithmes de dématriçage et d’accentuation qui privilégient la singularité à l’uniformité (par exemple, un fil électrique sur fond de ciel sera rendu, et même "amplifié", et non pas noyé dans la teinte du ciel).

Combattre le crosstalk semble avoir été une des préoccupations des concepteurs du capteur du nouveau Leica M, comme l’atteste l’article de ELECTRONIQUES n°31, octobre 2012, page 12, à propos du Capteur du Leica M

Carl Zeiss choisit de son côté de prendre le problème à la racine, en concevant des objectifs ultralumineux qui produisent des rayons les plus parallèles à l’axe optique possible.

Vignetage périphérique et dérives magenta peuvent être supprimés par voie logicielle, en constituant des abaques pour chaque objectif et chaque capteur et au prix d’une augmentation du bruit numérique.

Le crosstalk ne peut pas l’être et doit être combattu par voie matérielle. A cet égard il est intéressant de voir les choix faits par les uns et les autres :

- Leica, le chantre de la compatibilité des boîtiers nouveaux avec le parc d’objectifs existants, ruse : micro-lentilles décalées, filtres supprimés (antimoiré) ou amincis (IR sur le M8..., colorés sur le M) ;

- Carl Zeiss l’opticien apporte des solutions optiques : 55 mm à formule rétrofocus (du jamais vu pour une "courte longue focale"), 85 mm f/1,4 probablement télécentrique (mais il leur faudra éviter la distorsion inhérente à ce type de formule) ;

- Sony l’électronicien, concepteur et fabricant à grande échelle de capteurs, dépose brevet sur brevet pour des capteurs "Foveon-like : si mes supputations sont exactes, une architecture de type Foveon, et le "dématriçage" associé, devraient fortement minimiser le phénomène de crosstalk.

Ps : ci dessous, quelques profil de test d’optiques soulignant l’efft du crosstalk

Répondre à cet article