Les capteurs en photo numérique

Voilà quelque temps que je voulais développer un article sur les capteurs en photo numérique. Ce petit rectangle de silicium qui a remplacé nos bons vieux rouleaux de pelloches de films argentiques dans nos appareils photographiques a cette même fonction (enregistrer une image), mais présente toutefois des caractéristiques particulières.

LES FORMATS EN PHOTOGRAPHIE ARGENTIQUE

Pour commencer on peut classer sommairement les formats d’appareils argentique en trois grandes familles :

• Les micros formats (format 110, format 126, Disc)
• Les petits formats (film 135)
• Les moyens et grands formats (film 120 et +)

Le choix des formats à l’époque de l’argentique

Aujourd’hui pour un photographe qui veut s’équiper avec un appareil numérique, se pose le choix du format : plein format 24 x 36 mm, ou APS-C 16 x 24mm. Toutefois cette réflexion sur le choix du format n’est pas propre au numérique. Au temps de l’argentique, ce problème du choix du format se posait déjà.

À partir des deux types de films les plus communs (le format 120 et le format 135, mais il en a existé bien d’autres, voir le tableau ci-dessous), il était possible d’obtenir des images de surfaces et de ratios différents.

Les films 120 étaient utilisés sur les appareils dits « moyens et grands formats ». Toutefois en fonction de l’appareil on pouvait obtenir des images de format :

• de 6 x 6 cm (format carré utilisé en particulier par Hasselblad et Rolleiflex),
• de 4,5 x 6 cm (utilisé par le Mamiya 645, et le Pentax 645)
• de 6 x 7 cm (utilisé dans le Pentax 67, et le Mamiya RB67 Pro),
• de 6 x 9 cm, de 6 x 12 cm et même de 6 x 17 cm (format panoramique tel que Tamiyama).

Les films 135 étaient utilisés dans les appareils dits « petits formats ». En fonction de l’appareil, on pouvait ainsi obtenir une image de formats différents :

• des carrées de 24 x 24 mm,
• des rectangulaires horizontales de 24 x 32 mm (ratio 4:3),
• de 24 x 34 mm (utilisé sur les tout premiers appareils Nikon),
• de 24 x 65 mm (utilisé sur l’Hasselblad XPan) format panoramique.
• et même des « demi-images » verticales de 18 x 24 mm.
• de 24 x 36 mm popularisé par Leica. Oskar Barnack l’inventeur du Leica fut à l’origine de ce format 24×36 mm.

La référence au format 24 x 36 mm

Ce format 24 x 36 mm (soit un rapport de 3/2, c’est-à-dire que la photo est 1,5 fois plus longue que large : 24mm x 1,5 = 36mm), a pour origine le film de dimension 35 mm utilisé par le cinéma. Comment le rapport d’aspect 3: 2 du film 35 mm a-t-il duré près de 100 ans en tant que ratio dominant dans la photographie. Le format 3: 2 a de toute évidence les proportions les plus proches du rectangle d’or que tout autre format dans la photographie. Il lui donne ainsi le potentiel de présenter plus esthétiquement la composition d’une photographie.

Le rectangle d’or

Ce format 24 x 36 mm (film 135) est devenu enfin tellement dominant à l’époque de l’argentique, que lors du passage au numérique celui-ci est resté une référence pour la taille des capteurs numérique sous l’appellation « plein format ».

Toutefois, lors du développement du numérique, les premiers reflex étaient équipé de capteur APS-C (petit capteur) et ce pour une question de coût. Chez Nikon l’un des premiers fabricants à équiper ses appareils de capteur « plein format », le premier modèle fut le Nikon D3.

Les anglophones l’appellent « Full Format », traduit par « Plein Format », et ne doit donc pas être confondu avec l’acronyme de « Full Frame ». Dans ce dernier cas, un capteur photo « Full Frame » est un capteur dont 100 % de la surface disponible est dédiée à la captation de lumière, ce qui est incompatible avec l’architecture des CMOS. Ainsi, un capteur CMOS de 24 x 36 mm de dimension est Full Format, mais pas Full Frame, une perte de résolution est dû par la présence de l’amplificateur sur le photosite. Cependant, en pratique le terme de full-frame est souvent utilisé pour désigner un capteur 24 x 36 mm (plein format).

Exemple : Prenons le cas du Nikon Z9, le capteur comporte 52,37 millions de pixels dont 45,7 millions de pixels effectifs. Une partie des pixels (52,37 – 45,70) est dédié au système. Les photos ont une dimension de 8256 × 5504 pixels soit 45 441 024 pixels.

Tableau concernant les principaux formats de films argentiques utilisés

Cartouche film 135

Film 120

Bobine film 120

GENERALITES SUR LES CAPTEURS EN PHOTO NUMERIQUE

Lors du passage à la photographie numérique, on a en fait remplacé la pellicule par un capteur numérique. Les capteurs numériques sont tout comme l’halogénure d’argent des films argentiques des éléments photosensibles, c’est à dire capables de ce fait de réagir à la lumière.

Petite historique sur les capteurs numériques

A l’instar des films argentiques composés de cristaux d’argent sensibles à la lumière, les capteurs numériques sont composés de photosites, c’est-à-dire de petites cellules photo-électriques qui captent la lumière pour chaque pixel (picture element) qui constituera le fichier numérique de votre image.

Par ailleurs, il existe plusieurs technologies de capteurs :

• Les capteurs CCD (Charge Coupled Device), le premier capteur CCD est apparu en 1969.

• Les capteurs CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductors) sont apparus au début des années 1990. En raison du progrès technologique, ils ont remplacé les capteurs CCD dans beaucoup de domaines. Sans vouloir rentrer dans des aspects techniques complexes, le CMOS présente des avantages de taille :
  • coût plus faible
  • consommation électrique réduite
  • vitesse de lecture plus élevée

En outre, on parle souvent de capteur de X milliers de pixels pour parler de la définition d’un capteur. Il s’agit d’une erreur de terminologie, on devrait plutôt employer le terme de photosites qui sont les éléments constituant un capteur, pour parler de sa définition. Ce sont les photosites qui captureront la lumière, et qui produiront les pixels (picture element) de votre fichier numérique après traitement par le processeur de votre appareil.

Taille et définition des capteurs numériques

La définition d’un capteur et la taille d’un capteur sont deux éléments différents et indépendants à ne pas confondre.
Exemple :

• le Nikon D4 avait un capteur plein format 24 x 36 mm et une définition de 16millions de pixels (photosites)
• le Nikon D500 avait un capteur APS-C 16 x 24 mm et une définition de 20millions de pixels (photosites)

Dans cet exemple, le capteur le plus grand, est celui qui est le moins défini. On touche là au problème de la taille des photosites. A taille de capteur identique plus le nombre de photosites est important plus la taille de ceux-ci est petite.

Impact sur l’image de la taille et de la définition du capteur :

• la définition du capteur (le nombre de ses photosites) influe plusieurs éléments :
  • sur la dimension de vos images. Un capteur très défini vous permettra de ce fait de procéder à des tirages (agrandissement) de vos photographies de plus grande dimension et de plus grande qualité.
  • un capteur très défini va engendrer plus de bruit numérique dans les sensibilités élevées. En effet, pour augmenter la densité des photosites sur une même surface de capteur, il faut que ceux-ci soient plus petits. Or, plus les photosites sont petits, moins ils sont sensibles pour capter la lumière.
•  la taille du capteur, quant à elle, influe sur le rendu de l’image, en particulier sur la notion de profondeur de champ.

Capteur numérique du Nikon Z9

LES DIFFERENTES TAILLES DE CAPTEURS EN PHOTO NUMERIQUE

Le capteur plein format (full-format)

Il mesure 24 x 36 mm ( rapport d’aspect 3: 2) pour être directement équivalent à la pellicule argentique de même taille. On le trouve plutôt sur des appareils haut de gamme.
 

Le capteur APS-C

Capteur plus petit que le plein format ( rapport d’aspect 3: 2), dans des proportions allant d’une diagonale de 1,5 à 1,6 fois plus petite.
15,7 x 23,6 mm – Nikon Sony Fuji coef. 1,5 par rapport au 24 x 36 mm
14,8 x 22,2 mm – Canon coef. 1,6 par rapport au 24 x 36 mm
Ce format de capteur est très courant sur les appareils d’entrée et de moyenne gamme.
 

Le capteur APS-H

Capteur 19 x 28,7 mm ( rapport d’aspect 3: 2), dont la diagonale est 1,25 fois (arrondi à 1,3) plus petit que le plein format, propre à certains reflex Canon. Ce format n’est à ma connaissance plus utilisé aujourd’hui.
 

Le capteur Micro 4/3

Ce format de capteur a été baptisé « système micro quatre tiers ». Capteur 13 x 17,3 mm –  coef. 2 par rapport au 24 x 36 mm. Les proportions de l’image passent de 3/2 à 4/3, et donnent l’impression d’une image plus carrée.
Olympus et Panasonic ont créé conjointement le système Micro Four Thirds ou Micro quatre tiers, système photographique reposant sur des appareils photographiques hybrides, et annoncé le 5 aout 2008. En 2014 Kodak a ensuite rejoint les deux concepteurs initiaux.

Les petits capteurs autres

Pour informations, ces très petits capteurs sont présents sur les compacts, certains bridges et les smartphones.

Comparatif visuel de la taille des principaux capteurs

Les grands formats en numérique

• Phase-one XF System, IQ4 capteur de 150 mpx et de 54,3 x 40 mm
• Hasselblad X2D, capteur 100 mpx et de 43,8 x 32,9 mm
• Fuji GFX 100S, capteur de 102 mpx et de 43,8 x 32,9 mm 
• Pentax 645Z, capteur de 50 mpx et de 43,8 x 32,8 mm 

Ces appareils onéreux sont l’équivalent de ce que fut le grand format (6 x 6 cm, 6 x 7cm, 6 x 9 cm) à l’époque de l’argentique. Ils sont plutôt utilisés en studio, en architecture ou dans l’industrie. A noter toutefois que certains de ces appareils ne sont pas plus onéreux que certains haut de gamme 24 x 36 mm plein format. Ensuite se pose toutefois le problème du coût des optiques !

Pour une très grande majorité de photographes, le choix du format va se poser entre le plein format (24 x 36 mm) et le format APS-C. Le choix des grands formats en numérique (Phase-one, Hasselblad etc.) restera l’apanage de professionnels très spécialisés, ou d’amateurs fortunés!

N’oublions pas aussi les smartphones qui ont fait de très gros progrès en photo, et qui ont remplacé la plupart des appareils compacts.

Désignation commerciale des Objectifs suivant la taille du capteur

Attention, la plupart de ces appellations concernent le format de capteur, il faut dorénavant prendre en compte le type de boîtier (reflex ou hybride), le tirage optique étant différent (plus court sur les hybrides de par l’absence de miroir) les constructeurs ont opté pour une baïonnette différente. (ex: monture Z chez Nikon)
A noter que les objectifs plein format sont utilisables sur les boitiers APS, à l’inverse les objectifs pour format APS ne sont pas utilisables sur les boitiers plein format, car ils ne couvrent pas la totalité du capteur, d’où un vignetage très important, voir une image ronde !

PARTICULARITES DES CAPTEURS EN PHOTO NUMERIQUE

Sensibilité des capteurs en photo numérique

La norme ISO détermine tout d’abord la sensibilité à la lumière des capteurs numériques.
En photographie argentique c’est le choix de la pellicule qui détermine la valeur ISO. Chaque bobine de film a une sensibilité propre et il est en conséquence impossible de changer la sensibilité d’une vue à l’autre sur une même bobine. La seule possibilité qui existait en photographie argentique, était de « pousser » la sensibilité avec certains films par exemple de 400 iso à 800 iso (cette opération s’appliquait obligatoirement à tout le film) et de le signaler ensuite au laboratoire lors du traitement chimique.

En photographie numérique, le photographe indique directement sur le boîtier photographique la valeur Iso. Cette sensibilité peut ainsi être changée d’une photographie à l’autre.
La plupart des appareils numérique ont introduit la notion d’Iso automatique. Vous indiquez au boitier une valeur iso minimal et une valeur iso maximale, ainsi qu’une vitesse minimale. Le réglage de l’appareil se fera non plus sur deux paramètres (vitesse/diaphragme) mais sur trois paramètres (vitesse/diaphragme/sensibilité).

Pour les capteurs numériques, la montée en sensibilité (Iso) est liée en premier lieu à la définition de celui-ci, et à la taille des photosites. Ainsi plus les photosites sont gros et mieux ils réagissent à la lumière et la transforment facilement en courant électrique. On arrive ici en conséquence à un point crucial en photo numérique, l’apparition du « bruit numérique » lors de la montée en iso.

Le bruit numérique

On appelle bruit numérique toute fluctuation parasite ou dégradation que subit l’image de l’instant de son acquisition jusqu’à son enregistrement. Le bruit numérique est une notion générale à tout type d’image numérique. Ceci quel que soit le type du capteur à l’origine de son acquisition. Visuellement, on distingue en général deux types de bruit numérique qui s’accumulent :

• Le bruit de chrominance , qui est la composante colorée des pixels bruités. Il est visible sous la forme de taches de couleurs aléatoires.
• Le bruit de luminance , qui est la composante lumineuse des pixels bruités. Il est visible sous la forme de taches plus foncées ou plus claires. Ces taches donnent un aspect granuleux à l’image.

En photographie argentique, un problème semblable existait (bien que d’origine différente). La sensibilité des films argentiques était alors liée à la grosseur des cristaux d’argent (l’équivalent des photosites de nos capteurs numériques). Sur des films très sensibles (ayant des cristaux d’argent plus gros) l’image présentait souvent un aspect plus granuleux. Cet aspect pouvait varier suivant les marques de film et la nature des révélateurs utilisés.

La dynamique des capteurs en photo numérique

On peut définir la dynamique d’un capteur numérique comme sa capacité à enregistrer un maximum d’information aussi bien dans les zones les plus sombres que dans les zones les plus claires d’une image, soit des situations de zones de lumière très contrastées. Ainsi on entend certains photographes parler de zone « bouchée » ou de zone « cramée » en commentant leurs photos. 

Exploiter la dynamique d’un capteur

Pour exploiter au mieux la dynamique d’un capteur, il est préférable :

• d’utiliser les prises de vue en RAW. Le JPEG est à proscrire autant que possible. Parce que ce dernier est codé sur 8 bits tandis que le RAW est codé, sur 12 à 16 bits. Ce qui veut dire qu’il y a beaucoup plus d’informations disponibles.
• d’utiliser le plus possible les sensibilités basses moins de 400 ISO. De ce fait plus la sensibilité sera basse, plus il y aura d’informations présentes dans votre fichier numérique.
• d’utiliser de bonnes optiques.  Une optique très lumineuse vous évitera enfin de trop monter en sensibilité dans certaines situations de manque de lumière.

Le post-traitement des fichiers Raw est perçu par beaucoup de photographes comme une contrainte, mais cette étape est très importante. Les logiciels de traitement des fichiers RAW ont des capacités importantes pour récupérer des informations dans les zones « bouchées » ou « cramées ».
Si vous partez du principe « je ne travaille qu’en Jpeg », est-il judicieux d’investir dans un appareil très haut de gamme dont vous n’exploiterez pas toutes les possibilités et les qualités ?

La dynamique des capteurs de quelques modèles d’APN

 IL :  indice de luminescence EV : Exposure Value en anglais.

La dynamique est exprimée soit en ratio de contraste (10 000:1 par exemple), soit en dB, soit en EV (ou IL en français). Plus la dynamique du capteur est grande, plus il y aura de nuances et donc d’informations disponibles dans l’image.

Ainsi à chaque fois que vous doublez la quantité de lumière, vous augmentez d’1 EV, et à chaque fois que vous divisez la quantité de lumière par deux, vous diminuez d’1 EV.

Quelques valeurs de référence :

• 3 IL : nuit ou pièce très faiblement éclairée.
• 16 IL : plein soleil avec des ombres dures.
• L’oeil humain a une dynamique de 24 EV (avec toutefois un temps d’adaptation)

La valeur des diaphragmes est toujours indiquée sous la forme d’un rapport

(échelle normalisée) : f/1 – f/1,4 – f/2 – f/2,8 – f/4 – f/5,6 – f/8 – f/11 – f/16 – f/22 – f/32
La valeur suivante de cet échelle est obtenue en multipliant par racine de 2 (1,41425) la valeur précédente. (ex: pour f/2 : on a 2 x 1,41425 = 2,8 )
Ce rapport correspond à la distance focale de l’objectif divisé par l’ouverture du diaphragme.
Exemple :

• un objectif de 300 mm de focale avec une ouverture de diaphragme de 75 mm correspond donc à une valeur de diaphragme de 300/75 soit f/4
• un objectif de 500 mm de focale avec une ouverture de diaphragme de 178 mm correspond donc à une valeur de diaphragme de 500/178 mm soit f/2,8

Lorsque l’on passe d’une valeur d’ouverture de diaphragme standard à une valeur consécutive, on multiplie ou divise par deux la surface d’ouverture du diaphragme. En conséquence, la quantité de lumière qui traverse l’objectif est aussi multipliée ou divisée par deux. (voir le tableau ci-dessous)

Correspondance IL & couples Vitesse/Diaphragme pour 100 ISO

Focale des objectifs et leurs équivalences

On dit fréquemment qu’un objectif de 50 mm sur un capteur plein format, devient un 75 mm sur un capteur APS-C, ou un 100 mm sur un capteur micro 4/3. En réalité la focale de l’objectif ne change pas, un 50 mm reste un 50 mm quelle que soit la taille du capteur utilisé. En pratique votre 50 mm sur un capteur APS-C enregistre une image plus petite, car il ne peut pas utiliser la surface compète de l’image envoyée par cet objectif, le résultat est le même que si vous recadriez l’image fournie par un capteur plein format en post traitement. C’est le « crop de recadrage » de 1,5 chez Nikon/Fuji/Sony, 1,6 chez Canon, 2 chez Olympus/Panasonic si vous utilisez une optique plein format sur une capteur APS-C ou Micro 4/3.

PROFONDEUR DE CHAMPS ET TAILLE DES CAPTEURS NUMERIQUES

Définition de la Profondeur de champ

La profondeur de champ désigne la zone de netteté d’une image, à l’avant et à l’arrière du plan de mise au point. Ansi dans cette zone, les sujets sont nets, alors qu’en dehors de cette zone, les sujets sont flous. La profondeur de champ va dépendre cependant de plusieurs paramètres :

• la distance de la mise au point
• l’ouverture du diaphragme,
• la focale de l’objectif
• la taille du capteur de l’appareil

Cette notion de profondeur de champ est ainsi liée avec la notion de « bokeh » les flous d’arrière plan.

Profondeur de champ liée à la taille du capteur

Avec des capteurs numériques de petite taille, on constate en fait que la profondeur de champ est plus grande qu’avec un capteur de grande taille. Ici il ne s’agit pas d’un problème lié au numérique, mais d’un problème purement optique. Ce problème est le même en photographie argentique. En pratique, avec un capteur de petite taille, il faudra utiliser une optique de focale plus courte pour obtenir un cadre d’image identique (voir tableau).
Exemple : Si vous utilisez une optique de focale 50 mm sur un plein format, il vous faudra donc utiliser une optique de 33 mm sur un capteur APS-C pour obtenir le même cadre d’image. Or, plus une focale est courte plus grande est la profondeur de champ. On obtient ainsi plus de profondeur de champ avec un grand angle qu’avec un téléobjectif.
Il suffit de se référer à la notion d’objectif standard , c’est à dire un objectif ayant un champ de vision sensiblement identique à l’oeil humain (environ 47°), on estime toutefois que les focales suivantes correspondent sensiblement à la vision du champ humain :

• avec le plein format 24 x 36 mm : focale de 45 à 50 mm
• avec le format APS-C : focale de 28 à 30 mm
• avec le format 6 x 6 cm et 6 x 7 cm: la focale standard se situe entre 80 et 90 mm

Profondeur de champ liée à l’ouverture de l’objectif

Toutefois la taille du capteur n’est pas le seul élément à prendre en compte. La luminosité de l’objectif (son ouverture maximale) a également un impact important sur la profondeur de champ. Ainsi plus vous ouvrez le diaphragme de votre objectif, plus vous diminuez la profondeur de champ. C’est ce que fait un photographe lorsqu’il veut isoler son sujet, ou avoir des flous d’arrière plan plus importants et plus harmonieux (le bokeh). Cette opération est toutefois plus facile à réaliser avec un objectif très lumineux (f/1,8, f/2,8 ou f/4 à comparer à des optiques ouvrant à f/5,6 ou f/6,3).
Ainsi en photo animalière, il m’était plus facile d’obtenir de beau flou d’arrière plan lorsque j’utilisait un téléobjectif Nikon 500mm f/4 AFS-VR qu’avec une zoom Nikon 100/400mm f/4,5-5,6-S qui à 400 mm ouvre à f/5,6, même si ce dernier permet d’obtenir de jolies bokeh.
En principe, la plupart des objectifs comportent une échelle de profondeur de champ. Ainsi sur les réflex où la mesure de la lumière s’effectue avec l’objectif à pleine ouverture, il existe un bouton de test de profondeur de champ. Ce bouton de test permet donc de fermer le diaphragme à la valeur réelle mesurée par l’appareil, pour apprécier dans le viseur la profondeur de champ. Sur les hybrides, la visée est toujours à ouverture réelle.

GLOSSAIRE

IL :  indice de luminescence
EV : Exposure Value en anglais
Pixel : picture element, taille de quelques µm, jointifs ou non
Pitch : distance interpixel, varie selon le format du capteur 
Format : line, interline, field, frame, full frame 
Photosites : cellule photoélectrique qui transforme une intensité lumineuse en signal électrique
Sensibilité : à la quantité de lumière et à sa couleur, en fonction du semiconducteur, du type de dopage, et du revêtement 
Bruit : tout signal ne participant pas à la transcription électrique de l’image désirée , donc signal parasite
Taux de transfert (en pix/s, ou en octets/s): dépend de la résolution et du format, vitesse de transfert d’un pixel

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