Présentation des capteurs d'image

La photographie permet, comme par magie, d'immortaliser un instant précis. Pour ce faire, le capteur d'image dont est équipé chaque appareil numérique est essentiel. Tout comme la rétine humaine saisit la lumière et la convertit en impulsions nerveuses que le cerveau peut interpréter, le capteur capte la lumière et la convertit en signal électrique qui est ensuite traité pour former une image numérique.

Ici, nous examinons le fonctionnement des capteurs d'image et découvrons les différents types de capteurs d'image utilisés sur les appareils Canon.

• Principes de base de l'imagerie numérique
• Capteurs CCD
• Capteurs CMOS
• Évolution des capteurs CMOS
• Capteurs DGO
• Le capteur SPAD
• Présentation des tailles des capteurs

Avec tous les types de capteurs, le processus d'imagerie commence dès lors que la lumière traverse l'objectif de l'appareil et atteint le capteur. Le capteur contient des millions de récepteurs de lumière ou de photosites, qui convertissent l'énergie lumineuse en charge électrique. La magnitude de la charge est proportionnelle à l'intensité de la lumière. Plus il y a de lumière qui atteint un photosite spécifique, plus la charge électrique qu'il produit est puissante. (Les capteurs SPAD fonctionnent un peu différemment, nous y reviendrons plus en détail ultérieurement.)

Afin de saisir les couleurs et les informations de luminosité, les photosites sont équipés de filtres couleurs rouges, verts et bleus. Cela signifie que certains photosites enregistrent l'intensité de la lumière rouge, d'autres celle de la lumière verte et d'autres celle de la lumière bleue.

Les signaux électriques provenant de tous les photosites du capteur sont envoyés au processeur d'image de l'appareil, qui interprète toutes ces informations et détermine les valeurs de couleur et de luminosité de tous les pixels (éléments d'image) qui composent une image numérique.

Si vous effectuez des prises de vue au format RAW, ces données sont enregistrées, ainsi que les informations relatives aux paramètres de l'appareil, dans un fichier RAW. Si l'appareil est configuré pour enregistrer les images dans n'importe quel autre format de fichier (JPEG, HEIF ou RAW+JPEG), tout traitement ultérieur s'effectue alors dans l'appareil, ce qui inclut généralement le réglage de la balance des blancs, l'amélioration de la netteté et la réduction du bruit, entre autres, selon les paramètres de l'appareil. Cela inclut également le dématriçage, qui permet de calculer astucieusement les valeurs exactes des couleurs RVB pour chaque pixel (n'oubliez pas que chaque photosite n'enregistre qu'une seule couleur : rouge, vert ou bleu). Vous obtenez ainsi une image numérique couleur complète. Toutefois, en réalité, si l'image est au format JPEG, les informations d'origine saisies par le capteur ont davantage été supprimées que conservées.

On entend souvent parler du nombre de mégapixels (millions de pixels) dans un capteur. Toutefois, à proprement parler, un capteur ne contient pas de pixels, mais des éléments récepteurs (photosites distincts). De plus, les éléments récepteurs du capteur ne correspondent pas exactement aux pixels de l'image numérique finale et ce, pour une multitude de raisons techniques. Il est plus exact de dire qu'un capteur compte un certain nombre de « pixels effectifs », ce qui signifie simplement que l'appareil produit des images ou des vidéos contenant ce nombre de millions de pixels. Par exemple, le capteur de la Canon PowerShot V10 est décrit comme ayant un « nombre total de pixels » d'environ 20,9 millions de pixels, mais certaines des données du capteur sont utilisées pour des processus techniques tels que la correction des distorsions et la stabilisation d'image numérique. Ainsi, la PowerShot V10 produit des vidéos (avec le stabilisateur d'image numérique vidéo) d'environ 13,1 millions de pixels et des photos (soumises à différents processus) d'environ 15,2 millions de pixels.

Il existe différents types de capteurs d'image. La photographie numérique date du milieu des années 80, avec l'introduction des capteurs CCD (dispositif à transfert de charge). Permettant pour la première fois de capturer des images sans utiliser de pellicule, ces capteurs ont révolutionné la photographie.

Les capteurs CCD sont composés d'une grille intégrée d'éléments semi-conducteurs capables d'emmagasiner une charge électrique. Lorsque la lumière atteint le capteur, ces éléments, agissant comme des photosites, absorbent la lumière et la convertissent en une charge électrique. La quantité de charge de chaque photosite est directement proportionnelle à l'intensité de la lumière qui l'a frappé.

Dans un capteur CCD, la charge de chaque photosite est transférée via la grille du capteur (d'où le terme « à transfert de charge ») et lue au bout de la rangée, de la même façon que de l'eau passerait d'un seau à un autre au sein d'une chaîne humaine. Cette méthode assure un haut degré de qualité d'image et d'uniformité car chaque pixel fait le même parcours pour produire son signal. C'est pour cette raison que le premier appareil photo numérique professionnel de Canon, l'EOS-1D, lancé en 2001, était doté d'un capteur CCD de 4,15 millions de pixels. Toutefois, ce processus nécessite également plus d'énergie que celui dans les capteurs CMOS.

En 2000, Canon a lancé son premier capteur CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire) sur l'EOS D30 de 3,1 millions de pixels. Contrairement à un capteur CCD, qui transfère les charges du capteur à un nœud de sortie unique, un capteur CMOS contient plusieurs transistors à chaque photosite, permettant ainsi de traiter la charge directement sur le site. Cela a plusieurs implications.

Pour commencer, les capteurs CMOS consomment moins d'énergie, ce qui en fait une solution économe en énergie. Ils peuvent également lire les charges électriques plus rapidement, ce qui est essentiel pour réaliser des séquences à haute vitesse. De plus, les capteurs CMOS partagent la même structure de base que les microprocesseurs informatiques, assurant ainsi une production de masse à moindre coût, tout en intégrant des fonctions supplémentaires, telles que la réduction du bruit et le traitement des images directement sur le capteur.

Tous les appareils photo hybrides Canon dotés du système EOS R disposent de capteurs CMOS, comme sur les gammes EOS DSLR, Cinema EOS et PowerShot.

La technologie des capteurs CMOS n'a cessé d'évoluer. Innovation développée par Canon, la technologie d'autofocus CMOS Dual Pixel permet d'utiliser chaque pixel du capteur pour l'imagerie et l'autofocus, assurant ainsi un autofocus plus rapide et plus précis.

Une version améliorée du système a été lancée en 2020 : le Dual Pixel CMOS AF II. Celle-ci inclut l'autofocus intelligent de suivi et de reconnaissance EOS (EOS iTR AF X), le système Canon de détection et de suivi du sujet basé sur une IA de type Deep Learning. Le Dual Pixel CMOS AF II est désormais largement répandu sur l'ensemble du système EOS R et des gammes Cinema EOS, offrant un autofocus plus rapide et plus précis ainsi qu'une meilleure couverture photo et vidéo sur des appareils comme l'EOS R7, l'EOS R6 Mark II et l'EOS C400.

L'autofocus Dual Pixel Intelligent AF, lancé en 2024 sur l'EOS R1 et l'EOS R5 Mark II, a établi un nouveau standard en matière de capacités de détection et de suivi et permis le déploiement de fonctionnalités comme le mode AF Priorité à l'action, offrant la possibilité de suivre les actions typiques de certains sports en basculant automatiquement la mise au point vers la zone où l'action se déroule.

Sur l'EOS R1, l'autofocus est encore plus optimisé : l'AF de type croisé permet au capteur de détecter la différence de phase non seulement verticalement, comme les autres systèmes AF, mais aussi horizontalement, et ce simultanément. Cette sensibilité améliorée se traduit par une précision et une vitesse de mise au point accrues dans les situations de basse lumière et de faible contraste. Vous bénéficiez en outre de performances AF encore plus stables en mode de prise de vue en continu.

La conception avec capteur empilé rétroéclairé utilisée sur l'EOS R1, l'EOS R5 Mark II et l'EOS R3 constitue une autre évolution de la technologie CMOS de Canon. Dans cette conception, les photodiodes se trouvent au-dessus de la couche de transistors pour collecter la lumière plus efficacement, réduisant ainsi le bruit d'image et garantissant une meilleure qualité d'image. En outre, la structure empilée permet une lecture plus rapide des données, contribuant alors aux performances haute vitesse de l'appareil.

L'EOS R1 et l'EOS R5 Mark II sont également dotés d'un processeur d'image DIGIC Accelerator qui augmente le volume de données que l'appareil photo est en mesure de traiter. L'utilisation conjointe du capteur empilé rétroéclairé haute vitesse et du processeur DIGIC Accelerator permet de bénéficier de nombreuses fonctionnalités, comme des vitesses d'obturation électronique accrues, un enregistrement simultané de photos et vidéos, et une réduction significative de la distorsion d'image par rapport aux appareils des générations précédentes.

Une technologie de capteur similaire est également présente sur certaines caméras Cinema EOS. L'EOS C80 et l'EOS C400 disposent de capteurs CMOS 6K plein format rétroéclairés (BSI) offrant un niveau de performance accru en basse lumière par rapport aux capteurs avec éclairage par l'avant. Outre une plage dynamique de 16 diaphs et un niveau sonore minimal, la vitesse de lecture rapide du capteur BSI atténue également la distorsion d'image.

Le capteurs CMOS de Canon est en permanence en phase de recherche et de développement. Cela a abouti à un capteur CMOS plein format 35 mm ultra-haute sensibilité doté de photorécepteurs plus grands (environ 7,5 fois plus grands que ceux des capteurs précédents). Ces photorécepteurs plus grands peuvent capter plus de lumière, atteignant ainsi une sensibilité équivalent à 4 millions d'ISO et permettant à un appareil de capturer des images aux couleurs éclatantes dans des environnements très sombres. Cette technologie est utilisée dans la caméra vidéo ultra-basse lumière Canon ME20F-SH.

Canon a également mis au point un capteur doté d'un nombre très élevé de pixels, utilisant des techniques de miniaturisation avancées pour réduire la taille des photosites. Cela facilite la capture d'image haute résolution, le nombre de pixels pouvant atteindre 250 millions de pixels. Dans une image capturée à l'aide de cette technologie, il est non seulement possible de distinguer les lettres figurant sur un avion en plein vol à plus de 18 km, mais aussi d'obtenir une résolution environ 30 fois supérieures à celle de vidéos 4K. Cela représente un grand potentiel pour les applications dans le domaine de la surveillance, l'observation astronomique et l'imagerie médicale.

Les capteur CMOS actuels présentent toutefois un inconvénient : pour des raisons techniques (bande passante des données, par exemple), leurs données sont lues séquentiellement, et non pas toutes en même temps. Cela engendre des problèmes, tels que la distorsion, provoquée par « l'obturateur roulant », des sujets en mouvement rapide qui ont changé de position lors de la lecture du cadre. La conception avancée du capteur CMOS empilé rétroéclairé utilisée sur des appareils comme l'EOS R1 et l'EOS R5 Mark II, en revanche, permet d'atteindre des vitesses de lecture accrues, réduisant considérablement ce problème. En effet, il est quasi-inexistant sur l'EOS R1, qui présente une réduction de 40 % d'obturation de l'image comparé au capteur CMOS aux capacités de lecture déjà élevées de l'EOS R3.

Canon recherche activement d'autres solutions, telles que la technologie de « l'obturateur global », qui permet de lire l'ensemble du capteur en une seule fois. Toutefois, cette technologie est très complexe, elle ajoute du bruit sur l'image et a également des répercussions sur son coût, et ne permet pas encore de produire des photos de très haute qualité.

Le capteur DGO (sortie à gain double) est un capteur d'image avancé utilisé sur les caméras vidéo professionnelles Canon EOS C300 Mark III et EOS C70.

Le capteur DGO de Canon lit chaque pixel à deux niveaux d'amplification distincts (un élevé, l'autre faible), puis combine les deux lectures en une seule image. La lecture à un niveau élevé d'amplification est optimisée pour saisir les moindres détails des zones d'ombres, le tout en réduisant le bruit. La lecture à un niveau faible d'amplification est conçue pour conserver et reproduire fidèlement les informations des zones lumineuses. La combinaison de ces deux lectures produit une image dotée d'une plage dynamique plus étendue, plus détaillée et avec moins de bruit par rapport aux images créées à l'aide des technologies de capteurs classiques.

La technologie DGO n'utilise pas plus d'énergie qu'un capteur classique. Elle est également compatible avec le système d'autofocus CMOS Dual Pixel de Canon et le stabilisateur d'image électronique, assurant ainsi un autofocus rapide et fiable, ainsi qu'une image parfaitement sable.

Les capteurs CCD et CMOS mesurent l'intensité de la lumière, c'est-à-dire la façon dont de nombreux photons atteignent le capteur dans un délai donné. Les capteurs SPAD (diode à avalanche à photon unique) fonctionnent différemment. Ils utilisent l'effet « d'avalanche » dans des semi-conducteurs. Lorsqu'un photon frappe le capteur, il génère un électron, ce qui déclenche une réaction en chaîne ou une « avalanche » de production d'électrons. Cet effet en cascade entraîne la circulation d'un courant important, qui est lu en tant que signal de tension sous forme de train d'impulsions correspondant à des photons distincts.

Du fait de cette technologie de détection de la lumière unique, les capteurs SPAD offrent des performances incroyables en basse lumière. Grâce à l'exceptionnel capteur SPAD, Canon a développé la MS-500, une caméra révolutionnaire à objectif interchangeable capable de capturer des images couleurs haute définition dans des conditions de très basse lumière, voire dans l'obscurité quasi totale d'un environnement nocturne.

De plus, grâce à sa monture à baïonnette pour un objectif de diffusion 2/3 pouces, la MS-500 peut utiliser la vaste gamme d'objectifs de diffusion de Canon, dont les excellentes performances optiques sont dignes d'un super téléobjectif. Ainsi, la caméra est capable de restituer les sujets à plusieurs kilomètres de distance, même s'ils ne sont pas éclairés, ce qui en fait un atout considérable pour la sécurité, la surveillance et un large éventail d'applications scientifiques.

Il est évident que les millions de pixels d'un capteur (nombre total ou nombre de pixels effectifs) ne font pas tout. Sa taille physique est également un facteur important. Les capteurs APS-C sont physiquement plus petits que les capteurs plein format. Ainsi, même si le nombre de pixels est identique, un appareil doté d'un capteur plein format doit offrir une plage dynamique plus étendue et de meilleures performances en basse lumière. S'il possède le même nombre de millions de pixels mais qu'il couvre une zone plus large, ses photosites sont plus larges, ce qui lui permet de capter davantage de lumière. Cela fait des appareils photo plein format comme l'EOS R1 et l'EOS R5 Mark II le choix idéal pour les professionnels, notamment ceux spécialisés dans la photographie de paysage, d'architecture ou de portrait.

À l'inverse, étant donné que les capteurs APS-C sont plus petits, votre sujet remplit davantage le cadre qu'il ne le ferait si vous utilisiez le même objectif, avec les mêmes paramètres, sur un appareil plein format. Un capteur APS-C augmente alors la portée de votre objectif. Sur les appareils Canon, le « facteur de recadrage » est d'environ 1,6x. Vous bénéficiez ainsi d'une distance focale effective 1,6 fois supérieure à celle du même objectif sur un appareil plein format. Par exemple, un objectif 50mm possède alors le champ visuel d'un objectif 80mm (50 x 1,6 = 80). Par conséquent, les appareils APS-C conviennent à de multiples usages, notamment à la photographie animalière et de rue. En outre, grâce au capteur plus petit, les appareils photo APS-C, tels que l'EOS R50 et l'EOS R10, sont plus petits et plus légers que leurs équivalents plein format, ce qui en fait la solution idéale pour la photographie de voyage ou de nature.

Certaines caméras vidéo utilisent des capteurs Super 35 mm (zone active d'environ 24,6 x 13,8 mm, selon la résolution). Ces derniers sont légèrement plus larges que les capteurs APS-C (22,2 x 14,8 mm), mais leur zone est plus deux fois plus petite que celle des capteurs plein format (36 x 24 mm). Ils sont beaucoup utilisés dans le secteur du cinéma en raison de leur équilibre entre coût, qualité d'image et rendu cinématographique (faible profondeur de champ). Les caméscopes et autres types d'appareils utilisent diverses autres tailles de capteurs, tels que le capteur CMOS empilé de type 1.0 de 20,1 millions de pixels du PowerShot G7 X Mark III compact et le capteur CMOS 1/2.3 pouces de 11,7 millions de pixels du PowerShot PX.

Le choix de la taille du capteur dépend en grande partie de vos besoins de prise de vue et de votre budget. Chaque taille de capteur offre des avantages distincts, et les comprendre peut vous aider à sélectionner la caméra adaptée à vos besoins spécifiques. Cependant, vous pouvez comprendre pourquoi la normalisation sur les « pixels effectifs » fournit une mesure plus simple pour comparer différentes caméras et différentes technologies !