Mémoire De Fin d'Études : Le Capteur Vidéo Exige-t-Il De Nouvelles Performances Optiques ?

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e Haute D´ﬁnition, laisse une grande place ` l’optique dans l’int´gration des rayons e a e lumineux (prisme dichro¨ ıque qui s´pare les longueurs d’onde). La seconde, tr`s e e r´cente technologiquement mais inspir´e par une conception tr`s traditionnelle de e e e la cam´ra, essaie de conserver toutes les caract´ristiques d’une cam´ra ﬁlm (mˆme e e e e tirage optique, mˆmes objectifs, mˆme surface). e e Nous essaierons de d´ﬁnir tr`s simplement, sans exhaustivit´ scientiﬁque, nos e e e deux sujets d’´tude : d’abord l’optique puis le capteur. Cela nous permettra de e tenter une premi`re comparaison, de voir si les d´fauts de l’un sont compens´s ou e e e bien magniﬁ´s par l’autre. Puis nous analyserons toutes les sp´ciﬁcit´s optiques e e e du capteur constitu´ de ﬁltres optiques, de mat´riaux r´ﬂ´chissants, de compoe e e e ` travers la demande des chef op´rateurs d’avoir sants optiques (microlentilles). A e une bonne r´solution, nous essaierons de rassembler les donn´es quantitatives de e e chaque domaine et de les comparer pour voir quel est l’´l´ment limitatif (optique ee ou capteur). Les chiﬀres n’aident pas ` comprendre toutes les implications esth´a e tiques d’une technologie, donc nous int´grerons des notions : piqu´, sensation de e e nettet´, profondeur de champ, etc. pour justiﬁer certaines conclusions. Le num´e e rique apporte une nouvelle sensation, plus piqu´e que la pellicule qui adoucit plus e les transitions dans le ﬂou. Nous aurons ainsi scrut´ tous les obstacles qui se dressent sur le chemin des e rayons lumineux et qui ﬁltrent l’information. Cette d´marche d’analyse et d’´tat e e de l’art de la relation qui existe entre un objectif et un capteur m`ne vers une e utilisation en tournage plus consciente de leurs diﬀ´rentes particularit´s et des e e nouveaux d´fauts induits. Au del` de ces d´fauts, ce sont aussi de nouvelles possie a e bilit´s visuelles ou de mise en sc`ne. Le premier exemple, le plus ´vident ` voir en e e e a projection, est celui de la profondeur de champ. La r´alisation d’une ﬁction en Pare tie Pratique de M´moire a permis d’exp´rimenter des situations particuli`rement e e e diﬃciles pour l’objectif et d’observer un r´sultat sur grand ´cran. e e

Abstract

We stand at the boundary between two ﬁelds of study: optic and electronic. These two domains entertain very strong connections. On the level of photosites, we speak of opto-electronic conversion. One can compare the deﬁnition of a sensor with an optical deﬁnition. In this thesis, we will focus particularly on the relationship between sensor and lens. These days witness the apparition of numerous types of professional digital cameras, which seem to follow two diﬀerent types of conception. The ﬁrst and most ancient of the two, represented by the High Deﬁnition cameras, allows optics to play an important part in the integration of light rays (dichroic prisms separating the wavelengths). The second one, very recent in its technology though inspired by a very traditional conception of movie cameras, tries to preserve all the characteristics of a ﬁlm camera (same back focus, same lenses, same surface). We will try to deﬁne, very simply, and not exhaustively from a scientiﬁc point of view, both objects of our study: ﬁrst optics, and second sensors. This will enable us to set up a ﬁrst comparison, and to see whether the defaults of the one are compensated or on the contrary magniﬁed by the other. Then we will analyse all the optical speciﬁcities of those sensors made up of optical ﬁlters, reﬂecting materials, optical components (microlenses). Basing ourselves on the directors of photography’s request for a good resolution, we will try to assemble the quantitative data of each ﬁeld in order to identify the limitative element (optic, or sensor). Since numbers are little help when it comes to understanding all the aesthetical implications of a technology, we will also integrate such notions as perception of detail and sharpness, depth of ﬁeld, etc., in order to justify certain conclusions. Digital cameras bring a new sensation, sharper than ﬁlm, which tends to soften the transitions towards blurriness. We will by then have intensively studied all the obstacles which the light rays encounter along their path, and which ﬁlter the information. This approach to the existing relationship between a lens and a sensor, on both analytical and “state of the art” levels, will lead to a ﬁeld exploitation in shooting conditions with heightened awareness of the various speciﬁcities and the new induced ﬂaws of these objects. Beyond these new ﬂaws, there also lie new visual possibilities, and therefore new storytelling possibilities. The ﬁrst example of these is also the most easily noticeable in projection: the use of depth of ﬁeld. Directing a short ﬁction as a practical illustration of this thesis enabled me to experiment some particularly diﬃcult situations for a ﬁlm objective, and then to observe the result in the projection room.

Table des mati`res e

R´sum´ e e Abstract Table des mati`res e Introduction 4 5 6 9

D´ﬁnition des deux domaines d’´tude e e

performances optiques Caract´risation d’un objectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e Caract´risation d’une image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e Les familles optiques ´tudi´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13 13 18 19 23 23 24 26 29 30 32 33 36 37 39 40

1 Les 1.1 1.2 1.3

2 Les d´fauts optiques e 2.1 Les aberrations . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Les aberrations chromatiques . . . 2.1.2 Les aberrations monochromatiques 2.2 La diﬀraction . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Les d´fauts de construction . . . . . . . . e 3 La nature des capteurs 3.1 CCD vs CMOS . . . . . 3.2 La matrice . . . . . . . . 3.3 La surface . . . . . . . . 3.4 Taille de capteur . . . . 3.5 La s´paration trichrome e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

` TABLE DES MATIERES 4 Le capteur est-il adapt´ aux optiques ? e 4.1 Le foyer image . . . . . . . . . . . . . . 4.2 La surface . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 La partie active du photosite . . . . . . 4.4 Le domaine paraxial . . . . . . . . . . . 4.5 La nature discr`te du capteur . . . . . . e ´ 4.6 Evolutions . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 44 44 45 46 49 50 51

. . . . . .

Etude du couple objectif/cam´ra e

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54 54 61 63 65 67 67 70 71 73 74 74 78 79 80 80 84 86 90 91 91 95

5 Le couple objectif/capteur 5.1 Le prisme s´parateur . . . . . . . . . . . e 5.2 Les aberrations chromatiques du capteur 5.3 Les plans de focalisation . . . . . . . . . 5.4 Les objectifs t´l´centriques . . . . . . . ee 6 Transmettre juste ce qu’il faut 6.1 Th´orie de l’information . . . e 6.2 Spatial oﬀset . . . . . . . . . 6.3 Le ﬁltre passe-bas optique . . 6.4 Tout transmettre ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 Le traitement d’image 7.1 La correction de contour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 La Correction des Aberrations Chromatiques . . . . . . . . . . . . 7.3 Correction de ﬂare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Histoires de r´solutions e 8.1 La d´ﬁnition du capteur et de l’image . . . . . . . . . . . . . . . . e 8.2 La reconstruction d’image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Performances des optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Un 9.1 9.2 9.3 nouveau piqu´ e Les optiques s’optimisent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le cercle de confusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les transitions ﬂou/net . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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