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Les problèmes techniques que doit surmonter un capteur

Dossier - La photo numérique : du capteur à l'image
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Ce dossier s’intéressera plus particulièrement aux capteurs numériques, qui sont au cœur des appareils photo modernes, en suivant le cheminement de la formation de l’image. Il montrera les avantages et les limites de la technique numérique en photographie et aidera à décrypter la véritable signification des annonces faites par les fabricants à propos des performances de leurs appareils.

  
DossiersLa photo numérique : du capteur à l'image
 

La qualité des images actuelles repose sur une bonne maîtrise des limites et défauts inhérents aux capteurs. Les plus importants sont la sensibilité, la définition, le bruit électronique, la dynamique et les poussières.

Quels problèmes techniques un capteur doit-il surmonter ? © Gunnar Pippel, Shutterstock

Facteurs limitants et solutions

Il est évident que pour une même superficie de 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'autres termes, ils seront moins sensibles à la lumière.

La solution la plus simple serait d'augmenter la taille du capteur, mais ceci implique 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 plus important 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 très grande taille, Canon a été le premier à utiliser des capteurs full frame (proches du format 24x36), suivi ensuite par Nikon pour les reflex les plus performants. Les autres reflex utilisent des capteurs APS-C, tandis que les compacts et les bridges peuvent utiliser des formats divers, généralement de surface moindre.

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 de coût ;
  • 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 ?

La technologie BSI

Une solution apparue plus tardivement est la technologie d'illumination par l'arrière (Back Side Illuminated ou BSI). Dans un capteur classique, la lumière doit traverser plusieurs couches (dont la couche contenant les circuits électriques avant d'arriver sur la diode photosensible. Il en résulte obligatoirement une perte de lumière. Le principe consiste grossièrement à retourner cette partie du capteur pour que la lumière arrive d'abord sur la diode photosensible, sans pertes, tandis les circuits sont sur une couche inférieure. En conséquence, les photodiodes sont situées dans un puits bien moins profond que dans les capteurs classiques. Bien que cette idée semble évidente, la réalisation technique de ces capteurs est plus complexe, ce qui explique que cette solution ne soit pas encore adoptée pour tous les capteurs alors que l'amélioration de la sensibilité est notable.

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 standard en 10x15 cm et fait parfois agrandir certaines images en 13x18. Or, nous avons vu que pour ce format une définition 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 définitions nettement supérieures ?

Le bruit

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

Le signal fourni par 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 était responsable de la « neige » sur l'écran des téléviseurs analogiques lorsque l'émetteur était arrêté ou en panne. 

Ce bruit de fond est parfaitement aléatoire (ce qui était facile à 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 est plus prononcé dans les zones sombres. Image au format 1/1 (1 pixel écran = 1 pixel de l'appareil). © J.-P. Louvet

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). Toutefois, 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 d'avant le numérique savaient bien que les pellicules de forte sensibilité granulent 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 ISO5. On trouve donc sur les appareils numériques un réglage qui permet d'obtenir classiquement les sensibilités ISO 100, 200, 400, 800, 1600 voire pour certains 50.000 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 a 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... 

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 mégapixels 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.

Ajoutons aussi qu'il est ridicule de mettre un capteur avec un très grand nombre de mégapixels dans un appareil ayant un objectif de qualité très moyenne qui ne permet absolument pas de tirer parti de cette définition élevée... mais cela impressionne l'acheteur alors qu'avec moins de pixels le capteur aurait eu une meilleure sensibilité sans aucune perte pour l'image.

Autres problèmes des capteurs

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.

Il existe encore, malgré des progrès sensibles, une certaine limitation dans la dynamique des capteurs, comparée à celle des films. En clair, cela signifie que l'écart possible entre la zone la plus sombre d'une image et la zone la plus claire n'est pas encore aussi important que celui que peut accepter une pellicule argentique. Il y donc un risque, soit d'avoir des ombres complètement bouchées et très bruitées, soit les zones les plus claires grillées, d'un blanc uniforme. Le risque existe pour une photo présentant côte à côte des plages fortement éclairées par le soleil et des plages à l'ombre. Il peut exister aussi dans le cas de ciels très lumineux.

Les amateurs avertis et les professionnels exploitent généralement l'histogramme de luminosité que les reflex peuvent afficher à côté de l'image sur l'écran arrière pour vérifier qu'ils restent dans des limites acceptables. Lorsque le ciel est trop lumineux, une solution classiquement utilisée est l'emploi d'un filtre gris dégradé devant l'objectif ou d'un filtre polarisant. Certains cas plus complexes mais rares nécessitent l'emploi de la technique HDR (High-dynamic-range imaging) grâce à des logiciels qui peuvent combiner en une image unique plusieurs vues diversement exposées de la même scène.

Le capteur et la poussière

Le dernier problème rencontré avec les capteurs est celui de la poussière. Ce problème était 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 poire équipée d'un pinceau pour optique. Par contre, les tâches grasses dues au fait que les mécanismes sont légèrement huilés 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 peuvent incorporer un dispositif de dépoussiérage qui décroche les poussières du capteur en soumettant celui-ci, ou simplement le filtre passe-bas, 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.

5. ISO : International Organization for Standardization.