Un capteur photographique est un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique (UV, visible ou IR) en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié, puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique.
Le capteur est donc le composant de base des appareils photo et des caméras numériques, l'équivalent du film (ou pellicule) en photographie argentique.
Le capteur photographique met à profit l'effet photoélectrique , qui permet aux photons incidents d'arracher des électrons à chaque élément actif (photosite) d'une matrice de capteurs élémentaires constitués de photodiodes ou photomos. Il est nettement plus efficace que la pellicule : jusqu'à 99 % (en théorie) et près de 50 % (en pratique) des photons reçus permettent de collecter un électron, contre environ 5 % de photons qui révèlent le grain photosensible de la pellicule, d'où son essor initial en astrophotographie.
Deux grandes familles de capteurs sont disponibles : les CCD et les CMOS.
Les CCD existent encore sur les marchés des appareils compacts et les appareils à très haute résolution. Les appareils reflex les plus courants quant à eux l'ont délaissé et utilisent majoritairement des capteurs CMOS.
Capteur CCD
Le CCD (Charge-Coupled Device, ou en français « dispositif à transfert de charges ») est le plus simple à fabriquer. Inventé par George E. Smith et Willard Boyle dans les Laboratoires Bell en 1969 (cette invention leur rapporte la moitié du prix Nobel de physique en 2009), il est rapidement adopté pour des applications de pointe (imagerie astronomique) puis popularisé sur les caméras et appareils photo.
Principe thumb|Le principe du transfert de charges.
Un CCD transforme les photons lumineux qu'il reçoit en paires électron-trou par effet photoélectrique dans le substrat semi-conducteur, puis collecte les électrons dans le puits de potentiel maintenu au niveau de chaque photosite. Le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue.
À la fin de l'exposition, les charges sont transférées de photosite en photosite par le jeu de variations de potentiel cycliques appliquées aux grilles (bandes conductrices horizontales, isolées entre elles par une couche de ) jusqu'au registre horizontal (voir animation ci-contre).
Au niveau du registre de sortie, la charge totale peut être lue par un suiveur de tension, généralement un unique transistor n-MOS. La charge est stockée sur la grille du transistor, plaçant cette électrode à une tension dépendant de la capacité qui la sépare de la masse. Plus la capacité est faible, plus grand sera le facteur de conversion entre charge et tension, et donc le signal de sortie. Ce signal sera, à l'extérieur du CCD, mesuré par un circuit à « » avant d'être amplifié et numérisé. Le double échantillonnage permet de s'affranchir du bruit de mesure introduit à chaque réinitialisation de la tension de grille du suiveur de tension, après la lecture de chaque pixel. Une mesure est effectuée directement après la réinitialisation, et une autre après le transfert de charge du pixel en cours de lecture, de sorte que l'intensité du pixel soit déterminée par la différence entre ces deux mesures et indépendante de la valeur variable obtenue à la première mesure.
Ces électrodes sont isolées par une couche de SiO2, complétée par l'action d'une fine zone dopée « n », le « canal enterré » (buried channel), du substrat de type « p ».
Trois types de CCD se sont succédé et coexistent toujours. Le CCD « plein cadre » (full frame) : où l'ensemble de la surface contribue à la détection. C'est le plus sensible mais il présente plusieurs inconvénients : les électrodes (grilles) en silicium polycristallin circulent au-dessus de la couche photosensible et absorbent une part importante de la partie bleue du spectre (0,35-0,45 micromètre) ; il nécessite un obturateur externe pour permettre le cycle de transfert de charge sans illumination ; il est très sensible à l'éblouissement (blooming). Quand un photosite déborde, il inonde ses voisins. Pour pallier cet inconvénient, il peut être équipé d'un dispositif dit « drain d'évacuation de charges » (LOD-Lateral Overflow Drain) qui élimine les électrons en trop plein des photosites et limite la propagation de l'éblouissement, mais diminue la sensibilité. Les CCD « plein cadre » récents ont des photosites au pas de 6 micromètres capables de stocker jusqu'à et ont un rendement quantique supérieur à 20 %. On sait, en 2013, fabriquer des CCD « plein cadre » de 80 mégapixels (surface utile de 53,7 × 40,4 mm). Le CCD « à transfert de trame » (full-frame transfer) : il associe deux matrices CCD de même dimension, l'une exposée à la lumière, l'autre masquée. On peut ainsi procéder à un transfert rapide de la matrice d'exposition vers la matrice de stockage puis à la numérisation de celle-ci en parallèle avec l'acquisition d'une nouvelle image. le principal inconvénient est de diviser par deux la surface du photosite à taille de capteur égale (sensibilité moitié moindre) les autres inconvénients (réponse spectrale, éblouissement) demeurent.
Le CCD « interligne » : plus complexe ; il associe une photodiode à chaque cellule CCD. C'est lui qui est principalement utilisé dans les . La photodiode spécialisée permet de retrouver une réponse spectrale couvrant correctement le spectre visible (0,35 - ) il est généralement équipé d'un drain d'évacuation de charges qui limite la propagation de l'éblouissement il est par contre intrinsèquement moins sensible, les photodiodes ne représentant que 25 % à 40 % de la surface totale. Ce défaut est partiellement corrigé par un réseau de micro-lentilles convergentes qui améliore le rendement quantique de 15 % à 35-45 % Les CCD interlignes récents ont des photosites au pas de capables de stocker jusqu'à .
En 2009, il devient possible de fabriquer des CCD interlignes de pour le grand public (surface utile de ).
Dans tous les CCD, le bruit (électrons parasites) augmente très fortement avec la température : il double tous les 6 à . C'est pourquoi on doit refroidir les CCD pour l'astrophotographie utilisant de très longs temps de pose. Dans les photoscopes, le temps d'exposition utilisable à température ambiante est de l'ordre de la minute, un photosite se remplissant par le jeu des diverses fuites en 5 à .
Couleurs
Les capteurs CCD sont sensibles à l'ensemble du spectre de la lumière visible. Grâce à une matrice de filtres colorés, par exemple un filtre de Bayer, constitué de cellules colorées des couleurs primaires, chaque photosite du capteur ne voit qu'une seule couleur : rouge, vert ou bleu. Sur chaque groupe de quatre photosites on trouve un pour le bleu, un pour le rouge et deux pour le vert ; cette répartition correspond à la sensibilité de notre vision.
Du fait de la précision requise, les pastilles colorées du filtre sont déposées directement sur le capteur avec une technologie proche de la photolithographie des circuits intégrés, de même que le réseau de microlentilles.
C'est le logiciel du photoscope qui va recréer les couleurs, en tenant compte des courbes de réponse spectrale pour un résultat final en trichromie ; un des problèmes est de limiter le bruit électronique qui se traduit par des effets de moiré sur les zones de faible lumière par de judicieux compromis lors du traitement d'image (interpolation, filtrage : voir l'article Traitement du signal).
Filtres à infrarouges et filtres antialias Tous les capteurs couleur CCD ont en commun d’être munis d'un filtre infrarouge (souvent plaqué directement à leur surface) ; mais ce filtre remplit simultanément plusieurs fonctions : élimination intégrale du rouge profond (longueur d'onde supérieure à ) et de l’infrarouge (d'où son nom ; pratiquement tous les capteurs CCD sont affectés par l'infrarouge proche), un rendu conforme à la sensibilité spectrale de l’œil humain (c'est la raison pour laquelle ces filtres ont une couleur bleue) par absorption croissante dans le domaine du rouge au-delà de , élimination de la lumière violette et ultraviolette en deçà de , si tant est que le capteur soit encore réceptif à ces longueurs d'onde.
Sans ce filtre, les taches bleu foncé et rouge foncé seraient trop claires sur le cliché. Les objets chauds (mais non les flammes ou une lampe à souder) seraient eux aussi trop lumineux et présenteraient un aspect irréel. Enfin, toutes les surfaces qui réfléchissent ou émettent des infrarouges ou des ultraviolets seraient rendus par des couleurs inattendues.
Avec les matrices Bayer et les autres capteurs à CCD unique, il est nécessaire d'utiliser un filtre anticrénelage, afin de mixer les pixels d'objets voisins, de sensibilité différente aux couleurs. Sans ce filtre, un point ou une ligne de couleur claire pourraient n'être représentés que par une seule couleur. Les filtres antialias évitent en outre que des lignes ou arêtes qui feraient un angle très faible avec les rangées de pixel, prennent un aspect en marches d'escalier. Les filtres anti-alias entraînent une réduction minime de la précision de l'image.
Filtres antialias et filtres infrarouges sont souvent associés dans les appareils à CCD.
Progrès constants
Des améliorations sont régulièrement apportées aux capteurs CCD de façon à en améliorer la sensibilité en augmentant la surface active : Dans les super-CCD HR (Fujifilm), chaque photosite possède une surface octogonale ; Puis (Fujifilm, 2004) les photosites sont dédoublés en un élément de grande taille « S » et un élément plus petit « R » qui étend la dynamique vers les hautes lumières (de 2 bits) en deux générations successives, SR et SR II ; Le super-CCD HR (Fujifilm, 2005) bénéficie d'électrodes plus fines qui diminuent la profondeur des « puits » des photosites qui reçoivent donc une plus grande proportion de la lumière ; L'utilisation d'électrodes en oxyde d'indium-étain (ITO), plus transparentes dans le bleu, améliore la réponse spectrale des CCD pleine trame (Kodak, 1999) ; Le CCD progressif (Kodak, 2005) dispose de drains d'évacuation de charges (LOD) plus fins, au bénéfice là encore de la surface utile.
Capteur CMOS
Un capteur CMOS () est composé de photodiodes, à l'instar d'un CCD, où chaque photosite possède son propre convertisseur charge/tension et amplificateur (dans le cas d'un Capteur à pixels actifs (APS)).
Leur consommation électrique, beaucoup plus faible que celle des capteurs CCD, leur vitesse de lecture et le plus faible coût de production sont les principales raisons de leur grande utilisation.
De la même façon que beaucoup de CCD, les capteurs CMOS pour image couleur sont associés à un filtre coloré et un réseau de lentilles, encore plus nécessaire vu la faible surface relative de la photodiode, seule zone sensible.
vignette|droite|Le capteur X3 met à profit le fait que les grandes longueurs d'onde de la lumière pénètrent plus profondément dans le silicium.
Ce capteur permet la détection des trois couleurs rouge, vert et bleu par un seul photosite, au moyen de trois couches de silicium recouvertes de photosites et disposées en sandwich et filtrées chacune par un filtre bleu, vert ou rouge ; chacune des couches de photo-récepteurs est précisément espacée relativement aux longueurs d'onde bleue, verte et rouge de la lumière visible. Pour simplifier, nous pourrons dire qu'en recevant un rayon incident, la couche superficielle du silicium arrête le bleu, que la couche médiane arrête le vert et enfin que le rouge est stoppé par la couche inférieure, comme l'illustre la figure ci-contre.
Le capteur X3 a été développé par la société américaine Foveon, rachetée en 2008 par Sigma, qui bénéficie depuis d'un droit d'exploitation exclusif.