La photo numérique : du capteur à l'image - 04/02/2008

Il est évident qu'à superficie égale du capteur, plus on met de photosites, plus ceux-ci seront petits, donc moins ils recevront de lumière. Le signal qu'ils produiront sera  plus faible. En d'autre terme ils seront moins sensibles à la lumière.

La solution la plus simple serait d'augmenter la taille du capteur, mais ceci se heurte à des contraintes. La première est la contrainte financière car plus la surface est importante plus il y a de risques que la puce présente un défaut avec pour conséquence la mise au rebut d'un nombre non négligeable de capteurs sur les chaînes de fabrication, ce qui fait rapidement augmenter le prix de revient. Si on excepte le marché très étroit des dos numériques professionnels où l'on rencontre des capteurs de grande taille, à ce jour (2007) seul Canon équipe depuis quelque temps ses reflex les plus coûteux d'un capteur de taille proche du 24x36 traditionnel, suivi fin 2007 par Nikon. Tous les autres reflex plafonnent avec des capteurs APS-C.

Les autres solutions possibles sont une meilleure occupation de la surface du silicium en réduisant autant que faire se peut l'espace entre deux photosites (mais il y a des limites liées à l'isolation électrique et aux circuits desservant les photosites), l'utilisation des micro-lentilles collectrices plus efficaces surmontant chaque photosite, la réduction de toutes les sources de bruit (voir ci-dessous) dans le capteur et les circuits annexes, mais il y a des limites théoriques, pratiques et peut-être de coût, enfin l'amélioration du traitement électronique du signal. Toutes ces pistes ont été exploitées et ont conduit à des gains de qualité importants. Jusqu'où peut-on aller encore ?

Le nombre de pixels augmentant d'année en année il est manifeste en effet que des progrès sont faits, mais il convient de se demander s'ils sont toujours dans l'intérêt de l'utilisateur. En effet l'utilisateur d'un compact se contente habituellement de tirages standards en 10x15 cm et fait parfois agrandir certaines images en 13x18. Or nous avons vu que pour ce format une résolution de 3-4 millions de pixels est suffisante. Mais dira-t'on, qui peut le plus peut le moins, donc pourquoi se limiterait-on alors que beaucoup de compacts annoncent maintenant des résolutions de 6 voire 7 millions de pixels pour des capteurs de 1/2,5'' ?

C'est le moment de faire connaissance avec l'ennemi le plus difficile à vaincre en photo numérique : le bruit.

Le signal fourni pas un photosite étant proportionnel à la quantité de lumière reçue on s'attend à ce que celui-ci soit égal à zéro dans l'obscurité. Or c'est malheureusement faux. Les électroniciens savent bien que tout circuit présente un bruit de fond. Celui-ci peut être causé par diverses choses : une couche isolante qui n'isole pas à 100% ou des électrons qui « s'échappent » sous l'effet de l'agitation thermique. C'est la raison pour laquelle les capteurs CCD utilisés pour détecter de très faibles intensités lumineuses (par exemple en astronomie) doivent être refroidis à une température très basse. Bien entendu ceci est inapplicable pour un appareil de photo, mais on comprend facilement qu'il vaut mieux ne pas laisser celui-ci en plein soleil sur la lunette arrière de la voiture, le bruit augmentant rapidement avec la température  !

L'appellation de bruit ou bruit de fond provient du fait que ce phénomène électronique a d'abord été constaté sur des circuits audio : c'est lui qui est responsable du grésillement qui trouble la réception d'une station de radio trop lointaine ; c'est lui qui est responsable du souffle que l'on entend lorsqu'on est en recherche entre deux stations (du moins si le récepteur n'est pas équipé d'un circuit de suppression de ce souffle) ; c'est lui enfin qui est responsable de la « neige » sur l'écran du téléviseur lorsque l'émetteur est arrêté ou en panne.
Ce bruit de fond est parfaitement aléatoire (ce qu'il est facile de voir sur l'écran du téléviseur), c'est-à-dire qu'il ne s'agit pas d'un signal continu qu'on pourrait soustraire facilement pour ne garder que ce qui correspond à l'image. Le signal émis par chaque photosite est donc un mélange d'un signal proportionnel à la quantité de lumière reçue et de celui du bruit de fond. Pour une bonne illumination ce bruit est totalement négligeable face au signal lui-même, mais il n'en va pas de même pour les zones les plus sombres de l'image qui vont donc être affectées par le problème. Ceci se traduit par l'apparition d'une granulation qui peut être assez désagréable dans certaines situations limites, les grains étant plus ou moins colorés. Au bruit propre du photosite on doit ajouter celui de toute l'électronique associée à la récupération du signal et à son amplification. Finalement l'origine de bruit est complexe et celui-ci peut devenir très gênant.

On remarque que le bruit (modéré ici) est plus prononcé dans les zones sombres
Image au format 1/1 (1 pixel écran = 1 pixel de l'appareil)

Il est évident que si les photosites ne captent pas assez de lumière il faut amplifier le signal. C'est d'ailleurs ce qui se produit quand on change la sensibilité de l'appareil : en fait la sensibilité du capteur est toujours la même mais on amplifie davantage le signal (ce qui permet de réduire le temps de pose ou de fermer davantage le diaphragme pour augmenter la profondeur de champ). Mais si la lumière captée par les photosites est plus faible, le bruit, lui, garde toujours la même intensité. Comme on amplifie à la fois le signal (plus faible) et le bruit celui-ci devient très perceptible quand on choisit une forte sensibilité. Les photographes savent bien que les pellicules de forte sensibilité granulent également plus que celles qui sont lentes (pour des raisons totalement  différentes), mais la granulation due au bruit dans un appareil numérique est souvent plus déplaisante que celle du film en raison de son aspect.

Un photon donne naissance dans un photosite à une paire électron + trou et le rendement de la conversion (appelé rendement quantique) est excellent alors qu'il est de l'ordre de 5% seulement pour le film (en effet il faut un nombre non négligeable de photons pour impressionner un seul grain de sel d'argent). Toutefois le rendement final du capteur est nettement inférieur au rendement théorique : d'une part la mosaïque du filtre (matrice de Bayer) absorbe beaucoup de lumière ; d'autre part les photosites ne couvrent pas 100% de la surface du capteur.

Finalement, malgré le rendement quantique élevé de la technologie CCD ou CMOS, si on veut limiter le bruit à des valeurs acceptables on retombe sur des sensibilités qui sont du même ordre que celle des films couleurs. Cette sensibilité, qui détermine le rapport diaphragme/vitesse d'obturation pour un éclairement donné, s'exprime par une valeur ISO (4) (anciennement pour les films on parlait de sensibilité ASA, ce qui revient au même, seul l'organisme définissant la norme ayant changé). On trouve donc sur les appareils numériques un réglage qui permet d'obtenir classiquement les sensibilités ISO 100, 200, 400, 800, 1600 voire même 3200 en jouant sur l'amplification du signal du capteur. Bien entendu seuls les appareils les plus perfectionnés offrent (ou devraient offrir) la possibilité d'atteindre les sensibilités les plus élevées tout en limitant le bruit à un niveau à peu près acceptable. Le bruit n'est pas forcément rédhibitoire si l'on n'agrandit pas trop les images et si le fabricant a été assez honnête pour ne pas proposer une sensibilité exagérée par rapport aux performances de son capteur. De plus il est possible de le réduire à posteriori par un traitement logiciel de l'image.

À taille de capteur égale certains fabricants maîtrisent beaucoup mieux le problème du bruit que d'autres en travaillant sur tous les niveaux : sensibilité du capteur et réduction à son niveau des facteurs de bruit connus ; amélioration des circuits de traitement du signal... D'autres  maîtrisent moins le problème et les amateurs avertis connaissent bien le cas d'un compact d'une marque prestigieuse où le bruit devient excessif dès lors qu'on veut monter au delà de 100 ISO !

On comprend maintenant en quoi la course au nombre de pixels sans augmenter la taille du capteur peut être un leurre dans la mesure où elle ne s'accompagnerait pas d'un effort comparable pour réduire tous les facteurs de bruit de l'image. Malheureusement le nombre de pixels est le critère qui est le plus mis en avant dans la présentation d'un modèle. L'idéal serait de comparer avant achat les images obtenues par  divers appareils réglés sur la même sensibilité élevée. Or le bruit est difficile à bien visualiser sur l'écran LCD d'un appareil. Autant dire que même si on fait un essai comparatif dans un magasin il ne permettra pas de faire un tri efficace, sauf dans les cas les plus flagrants. La lecture de revues ou de sites web spécialisés est nettement plus utile. Le comble du ridicule est atteint avec la course aux millions de pixels pour les téléphones portables, performance totalement disproportionnée, ces appareils étant équipés d'objectifs basiques.

Un autre défaut des capteurs est le blooming, ou éblouissement. En effet lorsque des photosites sont saturés par un plage de luminosité trop intense les électrons excédentaires qu'ils produisent ont tendance à fuir vers les photosites voisins en produisant un halo qui ne sera pas forcément semblable dans le sens vertical et horizontal, en fonction de la structure intime du capteur. Là encore il y a des moyens, en travaillant sur les circuits électroniques, pour contenir ce phénomène dans des limites acceptables mais comme pour le bruit, tous les fabricants ne se valent pas. Les capteurs CMOS se comportent mieux dans l'ensemble que les CCD de ce point de vue. Foveon affirme que son capteur est très peu affecté par cet effet.

Le dernier problème rencontré avec les capteurs est celui de la poussière. Ce problème est négligeable avec un appareil argentique puisque la surface sensible est différente pour chaque image. Ce sont les capteurs des reflex qui sont le plus exposés aux poussières pour plusieurs raisons : le changement d'objectif en fonction du type de sujet, pratiqué par tous les amateurs avertis et les professionnels, ouvre la chambre photographique et l'expose aux poussières extérieures ; le mouvement de « pompage » important des zooms peut aspirer des poussières ou remettre en suspension celles qui seraient dans le boîtier ; il en est de même pour le mouvement du miroir et de l'obturateur plan focal. Les poussières sèches peuvent être enlevées avec un soufflage doux obtenu avec une bombe pressurisée ou une poire équipée d'un pinceau pour optique. Par contre les poussières grasses nécessitent un nettoyage délicat et à moins d'être très minutieux il vaut mieux confier l'appareil à un spécialiste.

Les reflex récents utilisent des revêtements antistatiques pour les surfaces à l'intérieur de la chambre de prise de vue et ils incorporent un dispositif de dépoussiérage qui décroche les poussières du capteur en soumettant celui-ci, ou simplement le filtre passe-bas (ce qui semble plus astucieux) à de courtes vibrations ultrasonores (grâce à un quartz piézoélectrique). Enfin certains offrent la possibilité de corriger automatiquement par voie logicielle les défauts introduits par les poussières résiduelles.

(4) ISO : International Organization for Standardization. ASA : American Standards Association