Les capteurs sont un élément essentiel de votre appareil photo numérique. Mais, derrière ce simple mot se cachent d’autres termes CMOS, BSI, Stacked, Rolling Shutter, Global Shutter… des mots compliqués, pas toujours compréhensibles par tous. Surtout qu’ils sont en anglais, cette langue dominant ce domaine. Pourtant, ce sont des technologies qui se cachent dans les boîtiers, qu’ils soient reflex ou hybrides, et qui influent directement sur vos images.
Nous allons donc passer en revue tout ce petit monde passionnant des capteurs, afin de vous aider à mieux comprendre votre appareil photo.
Au départ, le CCD
La technologie CCD (Charge-Coupled Device) est née à la fin des années 1960. Rapidement, elle s’est imposée, jusqu’à la fin des années 2000, début 2010. C’était la référence en photographie numérique, car elle possédait de nombreux atouts, comme :
- Très peu de bruit numérique ;
- Une excellente qualité d’image ;
- Une colorimétrie de haute tenue, très proche de ce que pouvait produire l’argentique.
Mais il y avait de nombreux inconvénients, ce qui poussera au développement d’un successeur :
- Lenteur de lecture du capteur : les pixels sont lus l’un après l’autre, chacun transmettant sa charge électrique au suivant, un peu comme un seau que l’on remplit peu à peu. À la fin, un circuit va convertir les charges accumulées en données numériques ;
- Ce transfert nécessite beaucoup d’énergie, avec un impact direct sur la batterie ;
- Pour un autofocus rapide, il faut une lecture rapide, plusieurs fois par seconde, ce qui est incompatible avec les CCD ;
- Ils ne sont pas faits pour le liveview ou la vidéo, pour la même raison que précédemment ;
- Coût de fabrication élevé ;
- Une miniaturisation trop complexe à réaliser.
Les capteurs CMOS
CMOS pour Complementary Metal Oxide Semiconductor. La révolution de ce capteur est que, contrairement au CCD qui n’avait qu’un seul circuit pour convertir les charges à l’issue de la lecture, chaque pixel dispose de son propre circuit électronique.
Les capteurs CMOS jouent un rôle central dans la capture de la lumière et sa conversion en signaux électrique. Une fois cette deuxième étape effectuée, les signaux sont envoyés vers d’autres composants de type mémoire et traitement du signal, avant la transformation en un fichier numérique susceptible de fournir une image.
Il est composé de millions de photosites, chacun correspondant à un pixel de l’image finale. Ces photosites utilisent des photodiodes pour transformer la lumière en charge électrique, influençant directement la qualité de l’image capturée. Pour reproduire les couleurs, ces capteurs intègrent des filtres colorés, comme le célèbre filtre Bayer.
Il existe plusieurs familles au CMOS.
Le capteur CMOS traditionnel
C’est celui que l’on trouve dans une majorité d’appareils photo numériques actuels. Certes, il y a eu des évolutions afin de l’améliorer (surtout sur le bus d’échange des données avec la mémoire et le processeur), mais le principe est inchangé depuis son apparition.
Chaque pixel est constitué :
- d’une photodiode qui capte la lumière ;
- de transistors qui lisent le signal électrique produit.
| Avantages | Inconvénients |
|
|
Les capteurs BSI
BSI pour Backside Illuminated.
Les capteurs BSI constituent une évolution importante des capteurs CMOS. La conception entrainant une perte de luminosité, les ingénieurs ont cherché à corriger le problème. Sur le papier, la solution était simple, puisqu’il suffisait d’inverser les photodiodes et les transistors. Dans la pratique, la réalisation a été plus complexe, rendant le procédé de fabrication plus coûteux.
| Avantages | Inconvénients |
|
|
The Stacked Sensor
Les capteurs dits empilés sont la troisième évolution du CMOS. Après avoir travaillé sur la qualité de l’image, les ingénieurs se sont donné un nouvel objectif ambitieux. Celui d’améliorer la vitesse et d’intégrer des fonctionnalités supplémentaires.
Quelques explications liminaires
Qu’il soit CMOS ou BSI, le capteur lit les informations ligne par ligne, de la première à la dernière, dans l’ordre. Pour un capteur de 36 Mpx, il y a 7360 lignes de 4912 pixels à lire, le plus rapidement possible. Avec le risque d’infimes bougés du sujet, entre le moment où la première ligne est lue et celui où la dernière l’est. Un risque presque inexistant pour les boîtiers utilisant un obturateur mécanique, mais pas pour ceux ayant un obturateur électronique. Pour rappel, ce dernier n’est pas l’apanage des boîtiers hybrides, puisqu’il se retrouve aussi dans les boîtiers reflex.
Certes, c’est souvent très peu perceptible, principalement quand les sujets bougent à grande vitesse (voiture, avion, hélice).
Une fois que la ligne est lue, l’information quitte le capteur en direction d’une mémoire plus éloignée où des traitements seront opérés avant l’enregistrement des fichiers. Ce qui implique l’utilisation d’un bus d’échange qui va ralentir la transmission. Or, il existe des bus et des mémoires plus ou moins rapides. Plus c’est rapide, plus c’est cher. Les constructeurs vont donc arbitrer en fonction des choix effectués lors de la définition de la plateforme technique. Souvent, l’option d’un bus véloce est retenue (ce qui permet l’utilisation de mémoire plus ou moins rapide, selon le principe « qui peut le plus peut le moins »), les économies étant alors réalisées sur la mémoire en fonction de la gamme :
- Bus rapide et mémoire rapide pour le haut de gamme ;
- Bus rapide et mémoire plus lente (mais aussi moins cher) pour l’entrée de gamme.
Si vous vous interrogiez sur les cadences de rafales qui n’excèdent que rarement les 10 i/s, l’explication est en grande partie là. Nonobstant la problématique du miroir pour les reflex, c’est tout simplement une histoire de capteur et de choix technique autour.
Vous aurez aussi compris que, pour accélérer la rapidité de la lecture des capteurs, il va falloir agir sur l’emplacement de la mémoire.
Et la mémoire rejoignit le capteur…
Le défi a été multiple pour les ingénieurs :
- Le gabarit du capteur ne devait pas augmenter ;
- De nouvelles couches de silicium contenant des logiques de traitement avancées ;
- Une intégration de mémoire selon les modèles (ce n’est pas une obligation) ;
- Une image d’un capteur de 26 Mpx représente environ 47 Mo par fichier RAW. Pour une rafale de 20 image/s, c’est une zone tampon de l’ordre de 940 Mo qu’il faut incorporer.
La DRAM (Dynamic Random Access Memory) permet de récupérer très rapidement les données des pixels, avant de les transférer au processeur à un rythme qu’il peut gérer.
Les gains sont importants, puisque la lecture peut-être de 5 à 20 fois plus rapide. Cela dépendra si le capteur empilé intègre uniquement une couche de traitement avancée, ou s’il y a aussi de la mémoire.
Rapprocher la mémoire du « centre » des opérations est une technique qui n’a pas envahi que l’univers de la photographie ou de la vidéo. C’est aussi le cas dans le monde informatique. Des concepteurs de microprocesseurs sont aussi allés dans cette direction afin d’obtenir des gains de vitesses et de consommation électrique. Avec plus ou moins de succès. Si Apple a réussi avec ses puces Axx et Mxx (avec des gains très importants), Intel a jeté l’éponge (leur retard technologique étant trop important pour le moment) tandis qu’AMD et NVIDIA (pour les puces graphiques) y travaillent.
Revers de la médaille, cela coûte beaucoup plus. Résultat, tous les capteurs empilés n’incluent pas de la mémoire.
Fonctionnalités supplémentaires
Les ingénieurs ont profité de l’ajout de couches de silicium pour inclure des fonctionnalités de traitement d’image directement dans le capteur. C’est le cas de Sony pour corriger son système d’autofocus à la source.
Le phénomène du Rolling Shutter
Explications
Le rolling shutter est un phénomène qui introduit des distorsions de l’image quand un sujet est en mouvement rapide. Et tout est de la faute de l’obturateur électronique.
 |
 |
Si le sujet est immobile ou se déplace lentement, il n’y aura pas de déformations.
Les capteurs empilés intégrant de la mémoire ont grandement permis la fréquence de réalisation des déformations. Parce que la lecture était plus rapide. Malheureusement, cela n’a pas suffi.
Réparation
Les ingénieurs ne se reposent jamais. Ils ont dû travailler sur l’accélération de la lecture des lignes. Une idée a été de diviser l’image en trois parties et de lire en même temps les lignes de chaque tiers. En combinant ce type de lecture avec un capteur empilé, l’avancée fut réelle, mais pas suffisante. L’étape suivante fut de lire tous les pixels au même moment.
Le capteur Global Shutter était né. Il est idéal pour tous photographes utilisant un boîtier avec obturateur électronique et ayant des pratiques de clichés à hautes vitesses :
- Le sport ;
- Les oiseaux en vols ;
- Les avions (surtout à hélices) ;
- Les vidéos à mouvements rapides.
Mais il y a un inconvénient. Cette technologie étant plus complexe, elle est plus coûteuse à fabriquer. Ce qui explique pourquoi les constructeurs réservent ces capteurs à certains types de boîtiers, principalement des haut de gamme.
Récapitulatif
| Technologie | Qualité d’image | Basse lumière | Vitesse de lecture | Rafale | Rolling Shutter (obturateur électronique) |
| CCD | Très bonne | Excellente à exceptionnelle | Faible | Faible | — |
| CMOS | Bonne | Bonne | Moyenne | Correcte | Important |
| BSI | Très bonne | Excellente | Moyenne à Bonne | Bonne | Moyen |
| Stacked (Empilé) | Très bonne | Excellente | Très élevée | Excellente | Très faible |
| Global Shutter | Très bonne | Bonne à très bonne (selon le modèle) |
Instantanée | Excellente | Aucun |
Ce petit tableau permet aussi de comprendre que le nombre de pixels du capteur n’est pas le seul élément qui doit influer lors de l’achat d’un boîtier. Vos activités, vos pratiques photos vont aussi orienter le choix. Si vous faites de la macro, du paysage, du portrait ou que vous utilisiez qu’exceptionnellement l’obturateur électronique, le classique CMOS sera suffisant. Si vous faites des photos sportives, un Global Shutter sera préférable, même s’il est moins bon dans les basses lumières.
Au fil du temps, les modèles sont devenus de plus en plus sophistiqués. Nous sommes très loin des capteurs disponibles dans les années 2010-2020. Même les CMOS ne sont pas restés dans le passé. Les bus d’échanges de données sont devenus plus rapides, par exemple. Ils intègrent également des pixels à détection de phase, rendant de plus en plus obsolètes les autofocus traditionnels.
Mais cet élément central n’est rien dans un logiciel qui est en mesure d’en tirer parti. Un constructeur doit donc trouver le capteur qui conviendra à son projet, mais aussi développer un écosystème autour de ce dernier. Il lui faut une plateforme technique en adéquation.