Smear

[guy-jacques]

Pour saisir ce sujet, il faut se faire une idée du fonctionnement d'une cellule (photodiode, photosite, pixel) appelée, en français Dispositif à Transfert de Charges et aussi de la façon dont un capteur collecte les unes après les autres les charges recueillies sur des centaines de milliers de ces cellules.

Ce "Dispositif" a pour vocation de convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique.
Pour ne pas entrer dans une technologie (h)ardue, je vais oser une analogie… " à caractère météorologique", que les puristes me pardonnent, ce n'est pas un cours de formation professionnelle, mais une tentative de "vulgarisation".

L'énergie lumineuse portée par les photons, déjà "triés" par prisme ou filtres selon leur "couleur", arrive sur un photosite comme un brouillard de gouttelettes.
Un "entonnoir" - plutôt une lentille de concentration - dirige les "gouttelettes" vers la partie efficace de la cellule, la zone d'accumulation, où les gouttelettes se "condensent" en "gouttes" d'énergie électrique : les Charges - ces Charges sont, à ce stade, des Couples associant 1 électron (-) avec 1 "trou" (+), Hole in English…and CCD = Charge Coupled Device.
Le "brouillard" est ainsi condensé en gouttes pendant une durée (d'intégration) correspondant à l' "exposition".



Si le brouillard a provoqué une condensation excessive, le ”drain anti-smear" = anti-débordement ou Overflow est censé évacuer le "trop plein" de charges, comme pour le lavabo, mais… - à suivre plus loin.

En fin de temps d'exposition, la "porte" entre la zone d'accumulation et le registre de Transfert est ouverte… aux électrons.
Puis ce sera la barrière du Registre vertical qui va autoriser le "liquide électronique sous pression" à aller faire tourner les "petits moulins" à moudre les images.

Retour à une (presque) réalité, porte,et barrière ne sont pas matérielles mais "de potentiel" (électrique, en… volts !).
Sous une "pression électrique" forte, ces barrières de potentiel ne sont pas infranchissables : c'est ce qui se produit lorsque le "brouillard"de photons est si fort qu'il provoque une "condensation" telle que l' overflow ne peut pas à lui seul l'évacuer.
Porte et barrière sont franchies, l' excès s'évacue par le registre vertical et va affoler les "petits moulins"…

Mais pourquoi, cet "affolement" concerne t' il tous les pixels situés à la "verticale" ** de celui, ou ceux, qui déborde(nt) ?
C'est que le registre vertical est commun à chaque colonne de pixels du capteur.
Certes sur cette "canalisation verticale", les pixels sont séparés par des "clapets" mais c'est encore des barrières de potentiel… et l' excès qui s'évacue ainsi de l'un dégorge dans tous** les pixels de la colonne … ça reproduit électroniquement un grave désagrément qui se produit hydroliquement en cas d'orage violent par exemple.

On peut, judicieusement, penser qu'il suffit d'augmenter le drain d'overflow… Même si c'est un problème de potentiel électrique, spatialement, ça implique une augmentation de sa zone d'influence au dépens de celle de la zone d'intégration et comme il est question de conversion d'énergie, il y a aussi perte en rendement, donc en sensibilité…
Il faut un compromis, chaque fabricant le résout à sa façon, en (dé)favorisant plutôt l'un que l'autre mais, c'est d'autant plus tranché que les pixels sont "micro-petits".

Et, lorsque pour cause de faible lumière sur la totalité du capteur, le diaphragme est plus ouvert, le temps d'exposition allongé, une source lumineuse directement captée provoque l' affolement et le gain boosté peu en faire … la panique : c'est le SMEAR !

PS du 23/01/05:
**correction du texte initial : je ne mentionnais que les pixels situés "sous" ceux illuminés, les images de nono44 montrent bien qu'il s' agit de tous ceux de la colonne.
Les capteurs CMOS qui apparaissent maintenant en vidéo grand-public seraient "vidés" par adressage direct des photosites (donc, plus en colonne), cet effet de smear devrait être jugulé …[/i]

PS de mai 2006:
Il est maintenant confirmé que les cameras* équipées de capteurs CMOS réduisent pratiquement totalement le smear…

[nono44]

exemple de smear sur des capteurs ayant reçu une quantité trop importante de lumière .


ou encore...........



et enfin une très jolie.........

[st65]

Petit complément d'info :

1- les CCD de type FIT n'ont pas de smear, tout comme les capteurs Cmos.

2- les capteur affectés par le smear sont les CCD de type IT.
Cela est surtout dû à une construction "économique" optimisant la sensibilité au détriment du smear.


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Grosso modo sur un CCD IT, la surface sensible se repartit entre la photodiode et le condensateur de stockage et transfert


Si le condensateur est petit, la photodiode est plus grosse, donc le CCD est plus sensible et inversement...
Mais, en cas de forte luminosité sur sa photodiode, le petit condensateur va "deborder" et generer le smear.


Le remede est simple : augmenter la taille du condensateur mais du coup on reduit la surface de la photodiode...et le CCD est moins sensible.
Il est comprehensible que dans ce cas, pour retrouver la meme sensibilité, le capteur devra etre plus gros ainsi que l'objectif, entrainant un coût supérieur !



Ouala, c'est lumineux ?

[guy-jacques]

Pas du tout…

Primo : ça en jette de balancer IT / FIT (il y a(vait) aussi FT), sans donner la moindre explication sur les technologies des capteurs HAD [ oui, les CMOS et HAD sont "CCD", quand on veut faire "technologique", il faut être précis… Il ne suffit pas de sigles ou de mots comme "condensateur" ("petit" de surcroît : dans un dispositif microscopique !)].

Secondo : élucubrer sur les surfaces relatives du "sensor" proprement dit et du drain d' overflow pour justifier la plus ou moins grande (ou faible) sensibilité d'un CCD HAD (fut-il "IT") est absurde : sur les photosites de cette technologie, le drain d' overflow agit sous la cellule, il ne réduit donc absolûment pas l'entrée des photons !

Le shéma** que j' ai mis dans mon post initial est une "élucubration" pour l' adapter à la représentation figurée d' évacuation d'un liquide, le "drain anti-smear" [ anti-débordement - overflow] n' a pas sur un CCD-HAD cette position - mais il l' a sur le CMOS !]
Il ne faut pas confondre un exposé "vulgarisateur" (ce que j'ai d'entrée déclaré du mien) avec un exposé technique … surtout lorsqu'il ne l'est qu'en sigles et vocabulaire !
**Pour plus de shémas de la même veine "représentative" mais non-techique : Photodiode

Enfin trois remarques.

En surface (côté arrivée de lumière), il y a l' électrode du registre vertical :
- avec un CCD-HAD, elle n'en recouvre qu'une partie mais est "opaque";
- avec un CMOS, le drain d' overflow masque une fraction de cette surface et le reste est couvert par l' électrode (en Métal) du registre vertical [sa très faible épaisseur la rend "transparente" mais provoque cependant une,maintenant légère, perte] : c'est tout celà qui cause la moindre sensibilité du CMOS par rapport au CCD-HAD.

Les lentilles de concentrations qui pavent la surface du capteur font office d' entonnoir pour diriger les photons qu' elles recueillent vers la surface effectivement sensible de chaque cellule.

Enfin dans mon post initial, j'avais écrit:

On peut, judicieusement, penser qu'il suffit d'augmenter le drain d'overflow… Même si c'est un problème de potentiel électrique, spatialement, ça implique une augmentation de sa zone d'influence au dépens de celle de la zone d'intégration et comme il est question de conversion d'énergie, il y a aussi perte en rendement, donc en sensibilité…
Il faut un compromis, chaque fabricant le résout à sa façon, en (dé)favorisant plutôt l'un que l'autre mais, c'est d'autant plus tranché que les pixels sont "micro-petits".

À part "condensateur", FT (pardon, non, c'est "IT") et "FIT", qu'est-ce que, trois ans après l "original", ce "petit complément" apporte comme "info" utile pour la compréhension de cet effet ?

[st65]

Posté par guy-jacques

(...)
Enfin dans mon post initial, j'avais écrit:
À part "condensateur", FT (pardon, non, c'est "IT") et "FIT", qu'est-ce que, trois ans après l "original", ce "petit complément" apporte comme "info" utile pour la compréhension de cet effet ?

Tu avais simplement omis de citer les dispositifs qui en sont affectés !

Seuls les CCD bas de gamme, et donc de petite dimension, sont touchés par ce phénomene.

Pourquoi parles tu de CCD HAD ? HAD est un terme commercial appartenant à sony qui apres les Super HAD, Hyper HAD, Exview HAD, etc, ne correspond plus à grand chose.

La classification des CCD est bien :
-IT (la conception va privilegier soit la sensibilité soit la resistance au smear)
-FIT (pas de smear)
-FT (pas de smear, mais inadapté aux caméras video)

si je cite sans explications c'est que je n'ai pas envie de faire un cours sur le sujet et que tout un chacun peut trouver cela sur internet.

PS : le drain d'overflow agit surtout sur le "blooming" , l'eblouissement de la cellule. Ce phénomene affecte tous les capteurs