Le capteur numérique – Chapitre 2
Le capteur est le cœur d’un appareil photo numérique, et détermine en grande partie la qualité du résultat final. Cependant, les différences entre les divers types et tailles ne sont pas toujours claires. Dans notre dernier X Story, nous avons déjà discuté de l’influence des dimensions d’un capteur. Examinons maintenant deux autres caractéristiques importantes d’un capteur : le nombre de pixels et leur taille.
La “définition” et la “résolution” d’une image : quelle différence ?
Une image numérique se compose d’un certain nombre d’éléments, dit pixels, auxquels sont attribuées des informations spécifiques. En cas d’une image couleur RVB, chaque pixel porte sa propre valeur de luminosité pour les trois composantes chromatiques.
Le nombre total de pixels (nombre en largeur x nombre en hauteur) s’appelle la définition ou la taille de l’image. La photo de gauche dans l’exemple ci-dessous contient 1800 par 1200 pixels, d’où une définition de 2,16 mégapixels. Celle de droite compte 10x moins de pixels dans chaque direction, et a donc une définition 100x plus petite.
Deux images de définition différente, représentées à taille égale.
Une image numérique n’a pas de dimensions en soi : celles-ci sont déterminées par la taille de l’affichage ou de l’impression. Un seul pixel ne mesure que quelques μm sur un écran haute résolution ou une impression de qualité supérieure, mais peut tout aussi bien avoir une taille de quelques mm2 sur un panneau d’affichage ou un écran LED géant.
Une fois que nous connaissons la taille d’une image, nous pouvons parler de sa résolution – une mesure du nombre de pixels par unité de taille, exprimée en pixels par pouce (ppi) ou en points par pouce (dpi). Les dispositifs d’affichage imposent généralement une résolution fixe, par exemple 109 ppp pour un écran de qualité, 460 ppp pour un smartphone haut de gamme, ou encore 2880×1440 ppp pour une imprimante photo. Plus la résolution est élevée, plus l’image est détaillée et donc apparaît plus nette.
Si l’image comporte plus de pixels par unité de longueur que le dispositif d’affichage ne l’exige (c’est-à-dire que l’image a une résolution supérieure à celle du dispositif), plusieurs pixels seront combinés afin de réduire la taille de l’image. À l’inverse, les pixels seront répliqués pour augmenter la taille de l’image, mais en conséquence le niveau de détail sera visiblement réduit.
Une résolution d’image trop faible se traduira par une image floue.
Le français maintient – heureusement – une distinction correcte entre les termes “résolution” et “définition”. En anglais et en néerlandais, cependant, les deux sont souvent confondus. Par exemple, on parle d’un écran ayant une résolution de 2560×1440 pixels, ou encore d’un fichier image d’une résolution de 24 mégapixels. Cette confusion peut entraîner des confusions et des malentendus…
Le capteur d’une caméra possède à la fois une “définition” et une “résolution”.
Un capteur CMOS contient un grand nombre d’éléments sensibles à la lumière, organisés en une structure matricielle. Ces photosites (en anglais : sensels, de “sensor elements”) enregistrent les informations de l’image. Chaque photosite convertit d’abord la quantité de lumière incidente en un signal électrique analogique, qu’il transmet ensuite sous forme numérique à un processeur d’images. Par commodité, le terme “pixels” est également utilisé lorsqu’il s’agit en fait de “photosites”.
Paramètres typiques d’un capteur APS-C représentatif.
Prenons l’exemple d’un capteur au format APS-C avec une définition de 24MP, comme précédemment utilisé par le Fujifilm X-T2. Avec un ratio d’aspect de 3:2, ce capteur possède 6000 pixels sur le côté long, et 4000 pixels sur le côté court.
Les dimensions d’un capteur APS-C sont d’environ 24×18 mm. Ce capteur a donc une résolution de 250 pixels par mm (6000/24 ou 4000/16) ou 6350 pixels par pouce.
La distance entre les centres des photosites adjacents – le pas des pixels – est de 4 μm (24/6000 ou 16/4000). La taille du pixel (la surface photosensible effective d’un photosite) sera en pratique toujours légèrement inférieure à 4×4 μm.
Définition du capteur et détails de l’image
Plus un capteur contient de pixels – c’est à dire plus la définition est élevée – plus il y a d’éléments disponibles pour décrire l’image enregistrée, et donc plus cette image sera détaillée (pour autant que l’objectif utilisé ait un pouvoir séparateur suffisamment élevé, et qu’aucune information ne soit perdue en aval dans la chaîne de traitement de l’image).
Un plus grand nombre de pixels permet d’imprimer à une taille plus grande, tout en conservant les détails, ou de recadrer une image plus serrée sans perte de qualité notable. Évidemment, l’industrie photo est toujours à la recherche de moyens de pousser la définition des capteurs.
Avec une taille de capteur constante, la seule façon d’augmenter sa définition est de réduire la taille des photosites (et donc d’augmenter la résolution).
Pour un même format de capteur, l’augmentation de la définition entraîne des photosites plus petits.
Cependant, il existe des limites à la taille minimale des photosites pour une technologie de capteur ou un processus de production donnés. En conséquence, chaque format de capteur est associé à une définition maximale réalisable. Cette valeur optimale monte lentement à mesure que la technologie CMOS évolue. Actuellement, les capteurs de pointe utilisent des tailles de photosites comprises entre 3,5 et 4,5 μm.
À définition constante (même nombre total de pixels), la taille des photosites augmente (et la résolution diminue) avec la taille du capteur. Les images enregistrées avec de tels capteurs ne présentent aucune différence de détail lorsqu’elles sont affichées ou imprimées à la même taille.
Les différents formats de capteurs ayant la même définition ont des tailles de photosites différentes.
Cela explique pourquoi les capteurs aux définitions plus élevées apparaissent d’abord dans des formats plus grands, permettant une taille de photosite relativement plus étendue. D’autre part, des facteurs techniques et économiques limitent le format maximal des capteurs qui peuvent encore être fabriqués de manière rentable. Actuellement, cette limite se situe autour de 54x40mm.
Si nous gardons une taille de photosite constante (et donc la même résolution), nous obtenons une série de capteurs dont la définition augmente avec la taille du capteur.
Si la taille des pixels reste la même, la taille du capteur détermine le nombre total de pixels.
Tous les capteurs des appareils Fujifilm Série X et GFX récents sont basés sur une même technologie CMOS de pointe, avec une taille de photosite de 3,76 μm. Sur les modèles APS-C – dont le X-T4, le X-Pro3, le X-S10 et le X100V – cela représente une définition de 26,1 mégapixels. Le capteur “au-delà du plein-format” des GFX100 et GFX100S offre un total de 102 mégapixels.
La couleur coûte (un peu) en résolution
À première vue, chaque photosite du capteur fournit les informations pour un pixel de l’image finale. Cependant, les photosites sont “daltoniens” : ils ne saisissent qu’une valeur de luminosité. Pour obtenir une image en couleur, un filtre portant un motif RVB est placé au-dessus du capteur. Ainsi, un photosite individuel enregistre soit une valeur rouge, verte ou bleue. Les valeurs RVB d’un pixel sont calculées en combinant les informations provenant de plusieurs photosites proches.
La grande majorité des appareils photo numériques – y compris les Fujifilm GFX50S/GFX50R et GFX100/GFX100S – utilisent une matrice de couleur Bayer, répétant un motif 2×2 avec une zone rouge, une zone bleue et deux zones vertes chacune. La résolution des informations sur la couleur est donc environ deux fois supérieure à celle des informations sur la luminosité. Ce n’est pas du tout un problème : la vision humaine est beaucoup moins sensible aux variations chromatiques qu’aux variations de luminosité.
Grâce à la matrice de couleur, les photosites enregistrent également des informations chromatiques.
À l’exception de certains modèles d’entrée de gamme (tels que le XF10, le X-A7 et le X-T200) dotés d’un capteur à 24MP, Fujifilm utilise sa propre matrice de couleur X-Trans pour les appareils photo de la série X. Ici, un motif 6×6 plus grand contient vingt carrés verts, huit rouges et huit bleus. Cet arrangement permet d’obtenir une plus grande netteté et une plus haute pureté des couleurs, ainsi qu’une plus faible probabilité de motifs d’interférence (moirés).
Une taille de photosite plus petite, une qualité d’image plus faible ?
Un capteur d’une certaine taille reçoit, indépendamment de sa définition, une quantité totale de lumière incidente qui sera “répartie” entre les photosites individuels. Toutefois, avec un plus grand nombre de photosites, chacun reçoit une quantité de lumière plus faible, et l’information qui en résulte pourrait être plus sensible aux signaux parasites.
On en conclut souvent que les appareils photo dotés d’un capteur de plus haute définition fourniront une image de moins bonne qualité (avec plus de bruit) dans des conditions de lumière moins favorables et en utilisant des valeurs ISO plus élevées.
Toutefois, l’évolution rapide de la technologie des capteurs a largement remédié à ce problème. Par exemple, l’efficacité des microlentilles (qui concentrent la lumière incidente sur le photosite) et la transmission de la lumière à travers le filtre coloré ont été améliorées. Une construction plus intelligente du capteur CMOS lui-même apporte également des avantages significatifs. Dans le type classique, les connexions électriques sont situées le long de la face supérieure de la couche semi-conductrice : par conséquent, une partie de la lumière incidente ne peut atteindre les photosites.
La structure schématique d’un capteur CMOS classique (éclairé par l’avant).
En inversant la couche semi-conductrice et en illuminant, pour ainsi dire, les photosites par l’arrière (arrangement rétro-éclairé ou back-side illuminated) l’efficacité lumineuse d’un capteur CMOS BSI est fortement augmentée et la sensibilité au bruit est réduite.
Un capteur rétro-éclairé (BSI-CMOS) enregistre davantage de lumière et est donc plus efficace.
D’autres améliorations se trouvent dans la chaîne de traitement en aval, comme la conversion analogique-numérique paramétrable (préservant la plage dynamique sur une large gamme de luminosité) et des algorithmes plus performants pour le traitement du signal et la réduction numérique du bruit.
Tous les appareils photo récents de la Série X et du GFX de Fujifilm utilisent la même technologie de pointe pour leurs capteurs BSI-CMOS (avec une taille de photosite de 3,76 μm et une conversion analogique-numérique à double gain). En ajoutant le support du processeur d’image X-Processor 4, ils permettent de réaliser des images d’une grande netteté, aux couleurs précises et avec une plage dynamique étendue.
Détail de l’installation The Accused par Mark Dion, collection Verbeke Foundation.
Prise de vue avec GFX100S et GF80mmF1.7 (f/8, 2.5s, ISO 400 – environ 62MP après recadrage).
Les quatre zones recadrées à 100% (voir ci-dessous) témoignent d’ une excellente reproduction des détails, même en basse lumière.
