4.10. Capteurs couleur

La photodiode de chaque cellule est aveugle aux couleurs. Elle compte les photons de toutes les longueurs d’onde que le silicium absorbe, sans distinguer le rouge du vert ni du bleu. Pour obtenir une image en couleur à partir d’un capteur aveugle aux couleurs, le fabricant recouvre la grille de pixels d’un réseau de filtres colorés (CFA) : une fine pellicule de colorant qui ne laisse chaque cellule voir qu’une seule des trois couleurs primaires.

4.10.1. Le motif de Bayer

La disposition de CFA dominante est le motif de Bayer, nommé d’après son inventeur chez Kodak. La pellicule alterne deux types de rangées : les rangées paires forment un motif rouge-vert répété (rouge, vert, rouge, vert) et les rangées impaires forment un motif vert-bleu répété (vert, bleu, vert, bleu). Dans la plus petite tuile répétée – deux rangées sur deux colonnes – une cellule voit le rouge, une voit le bleu, et deux voient le vert.

Le réseau de filtres colorés de Bayer. Chaque cellule du capteur ne voit qu’une seule des trois couleurs primaires ; le vert apparaît dans deux cellules sur quatre.

Le vert est doublé à dessein. La vision humaine est bien plus sensible au vert qu’au rouge ou au bleu, et la luminance perçue d’une scène est portée pour l’essentiel par le canal vert. Échantillonner le vert au double de la densité du rouge et du bleu place le budget de résolution là où l’œil le remarque le plus, et masque la douceur de chrominance qui en découle.

4.10.2. Ce que chaque pixel enregistre

Un capteur couleur ne stocke malgré tout qu’un seul nombre par pixel – le décompte des photons qui ont franchi le filtre coloré de ce pixel. Une cellule à filtre rouge enregistre sa valeur de canal rouge ; les valeurs verte et bleue au même emplacement sont tout simplement absentes des données. Il en va de même pour les cellules vertes et bleues.

Les données qui sortent du capteur au format Bayer brut sont donc d’un canal par pixel, disposées selon le motif de Bayer, plutôt que des trois canaux par pixel d’une image couleur finalisée. La reconstruction des deux canaux manquants à chaque position de cellule s’appelle le débayerisation.

4.10.3. Microlentilles et angle du rayon principal

Le filtre coloré n’est pas la seule chose au-dessus de la photodiode. Au-dessus se trouve une minuscule microlentille qui focalise le cône de lumière entrant sur la zone active de la photodiode, et la microlentille est conçue en supposant que la lumière arrive presque perpendiculairement à la surface du capteur. Lorsque la lumière arrive au contraire selon un angle prononcé – l”angle du rayon principal qui croît vers les coins de tout objectif réel – une partie peut atterrir sur le filtre du pixel voisin, captant la mauvaise couleur et produisant une diaphonie de couleur. Les pixels de coin perdent également en saturation, car une partie du cône manque entièrement la photodiode.

Les capteurs compensent en décalant la microlentille de chaque pixel radialement vers l’extérieur depuis le centre du capteur, par anneaux concentriques qui s’étendent du milieu jusqu’aux coins. Le décalage est nul au centre et atteint quelques microns au niveau de l’anneau le plus externe, réglé sur un profil de CRA spécifique intégré à la conception du capteur. Associer un capteur à un objectif dont le profil de CRA diffère sensiblement de la cible de conception laisse des erreurs de couleur et de sensibilité visibles dans les coins, ce qui explique pourquoi les capteurs d’image et les objectifs sont généralement choisis ensemble.