Photographie/Acquisition des images/Les capteurs
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[modifier] Transducteur, capteur, instrument de mesure, etc.
Un appareil photographique numérique a pour mission d'enregistrer aussi fidèlement que possible l'image d'une scène choisie par le photographe. Pour ce faire, il doit fondamentalement mesurer la lumière en de multiples points, plusieurs millions actuellement. En ce sens, il constitue une sorte de chaîne de mesure dont l'un des éléments essentiels est désigné sous le nom de capteur.
Il est important de bien préciser ici quelques éléments de vocabulaire, car la tendance des photographes est d'utiliser un jargon parfois très éloigné du langage habituel des scientifiques et des techniciens.
- une chaîne de mesure est une succession d'appareils et d'éléments assurant la transmission et la transformation de l'information entre l'élément sensible à la grandeur à mesurer et le résultat de mesure.
- on appelle parfois mesurande la grandeur d'entrée que l'on désire mesurer.
- un transducteur (transducer) est un élément de liaison entre le monde physique et l'instrumentation proprement dite. Il donne une « image » de la grandeur physique à mesurer sous la forme d'une autre grandeur mesurable, ou à l'inverse, il convertit une grandeur engendrée par le système de mesure en une autre grandeur physique permettant d'agir sur le processus. Dans les amplificateurs, qui sont des transducteurs particuliers, la grandeur de sortie est de même nature que la grandeur d'entrée, mais avec des valeurs par définition plus élevées.
- un capteur (sensor) est un élément servant à la mesure proprement dite ; la grandeur physique à mesurer est convertie en une autre grandeur, généralement électrique. Cette grandeur de sortie est en quelque sorte l'« image » de la grandeur d'entrée, elle constitue un signal susceptible d'être lu directement par un observateur humain ou interprété par un autre dispositif. Pour ce faire, un capteur comporte au moins un transducteur, parfois plusieurs. Par exemple, un thermomètre à mercure ou à alcool contient un liquide qui se dilate ou se contracte sous l'effet de la température, laquelle peut être lue directement en observant le niveau de ce fluide pénétrant plus ou moins dans un fin tube calibré. Un thermocouple produit une tension électrique d'autant plus forte que la température est plus élevée, cette tension étant elle-même mesurée par un voltmètre qui la représente sous forme de la rotation d'une aiguille ou d'une valeur affichée sous forme numérique. Les capteurs sont utilisés dans un très grand nombre d'objets d'usage courant : appareils électroménagers, ascenseurs, thermostats, automobiles, avions, appareillages médicaux, systèmes robotisés et bien sûr, appareils photographiques numériques. Dans ces derniers sont tous construits autour d'un capteur d'images ; celui-ci, en réalité, est formé de plusieurs millions de petits capteurs élémentaires, ou photosites, dont chacun fournit un signal électrique à partir de la quantité de lumière qu'il reçoit.
- la confusion des termes transducteur et capteur est assez fréquente, elle est fautive mais en général elle ne présente pas une gêne très importante pour la bonne compréhension des choses.
- dans un appareil de mesure, la grandeur d'entrée est la grandeur à mesurer, la grandeur de sortie est directement accessible à l'opérateur (rotation d'une aiguille, niveau de liquide dans un tube calibré, ou de plus en plus souvent un module d'affichage numérique).
- le modèle mathématique d'un transducteur traduit la loi physique qui impose une relation entre la grandeur de sortie et à la grandeur d'entrée. L'idéal est que cette relation soit « linéaire », c'est-à-dire que la grandeur de sortie soit proportionnelle à la grandeur d'entrée, mais c'est loin d'être toujours le cas.
- l'étendue de mesure représente le domaine des valeurs du mesurande dans lequel le modèle mathématique est valable.
- la sensibilité caractérise l'ampleur des variations de la grandeur de sortie par rapport à celles de la grandeur d'entrée. Par exemple, un thermomètre à mercure dont la colonne monte de 1 cm à chaque fois que la température augmente de 1°C a une sensibilité de 1 cm/°C. Attention, cette définition est sensiblement différente de la notion de sensibilité d'une émulsion ou de la sensibilité apparente d'un capteur d'images, telle qu'on l'emploie dans le vocabulaire photographique.
- Le bruit interne est un signal aléatoire qui se superpose à l'information pertinente. Il résulte de multiples facteurs, tels que l'agitation thermique dans les résistances, de phénomènes de conduction aléatoire dans les jonctions des semi-conducteurs, etc. Ce bruit est généralement négligeable lorsque le signal est important, mais il n'en est pas de même lorsque le signal est faible.
[modifier] Les capteurs d'images
Le capteur est l'organe de base de tous les appareils numériques. Il fournit des signaux électroniques qui, une fois convertis en données numériques, permettront par la suite d'obtenir une image observable par un œil humain.
Les capteurs sont constitués d'un très grand nombre d'éléments sensibles, ou photosites, qui réagissent fondamentalement à la lumière et non aux couleurs. Il est nécessaire d'une part de limiter le rayonnement qu'ils reçoivent au domaine visible en éliminant par un filtrage global les rayonnements invisibles, infrarouge et ultraviolet, et d'autre part de les spécialiser en ne leur permettant de recevoir qu'une partie du spectre, correspondant à l'une des trois couleurs primaires rouge, vert et bleu.
Il existe toutefois quelques appareils destinés à fournir des images en fausses couleurs utilisant l'infrarouge et/ou l'ultraviolet, dans ce cas les filtres seront bien sûr différents de ceux des appareils ordinaires.
Pour restituer une image conforme autant que possible à la vision humaine, il faut pouvoir enregistrer à la fois les nuances colorées et les luminosités. L'invention déterminante dans ce domaine est due à Bryce Bayer, un chercheur des laboratoires Kodak qui a fait breveter en 1975 le réseau de filtres rouges, verts et bleus qui porte son nom et que l'on trouve, parfois sous une forme un peu différente, dans la quasi totalité des appareils numériques.
Bryce Bayer s'est vu décerner le 17 novembre 2009 le Progress Award de la Royal Photographic Society.
Le filtre de Bayer permet à un simple capteur CCD ou CMOS d'obtenir une image colorée en utilisant une seule surface à la place d'un ensemble cher et compliqué comprenant trois capteurs situés derrière un système de répartition du faisceau lumineux.
[modifier] Les capteurs CCD
Ils ont été inventés en 1969 dans le laboratoire Bell de Murray Hill (New-Jersey, États-Unis) par William S. Boyle et George E. Smith. Ces deux physiciens ont reçu, à ce titre, deux des prix Nobel de physique 2009.
Ce sont les capteurs CCD qui ont permis l'apparition de la vidéo numérique, puis l'essor des appareils numériques, particulièrement celui des appareils compacts.
[modifier] Les capteurs CMOS
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Dans les capteurs d'images, le bruit se manifeste par l'apparition de pixels colorés de façon aléatoire et qui deviennent particulièrement gênants dans les ombres des images.
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L'une des caractéristiques les plus importantes d'un capteur est sa sensibilité. En photographie, on essaie de réaliser des photosites capables de réagir à des niveaux de lumière extrêmement faibles, de façon à autoriser la prise de vues dans des conditions de très faible éclairage.
Un autre caractéristique importante est l'étendue de mesure. En-dessous d'une certaine valeur de la grandeur à mesurer, d'un certain seuil, aucun signal n'est décelable et donc aucune mesure n'est possible. Au-dessus d'une autre valeur plus grande, le signal n'augmente plus, il se produit un effet de saturation qui rend à nouveau toute mesure impossible. Entre les deux, le signal varie selon une loi caractéristique qui permet d'obtenir la valeur recherchée. L'étendue de mesure, que l'on appelle parfois « dynamique », est d'autant plus grande que l'écart des valeurs du seuil de sensibilité et du seuil de saturation est plus important. Dans l'état actuel des techniques, les capteurs ne font guère mieux que les pellicules argentiques sur ce point, et leur « dynamique » reste beaucoup plus faible que celle de l'œil, ce qui ne va pas sans poser de problèmes pratiques.
[modifier] Formats des capteurs
[modifier] Un peu d'histoire récente
En 2009 la grande mutation de l'argentique vers le numérique est en train de s'achever. C'est l'apparition des capteurs électroniques et la multiplication des ordinateurs personnels qui l'ont à la fois provoquée et permise.
Comme chacun le sait, longtemps, le format 24 x 36 a été de loin le plus largement utilisé dans le domaine de la photographie « conventionnelle », aussi bien chez les amateurs que chez les professionnels. En revanche, tout le monde ou presque a oublié que les premiers capteurs utilisés dans les appareils reflex numériques destinés aux professionnels étaient eux aussi au format 24 x 36, ce qui permettait évidemment d'utiliser en partie les structures éprouvées des boîtiers argentiques ; ces capteurs n'offraient toutefois qu'un nombre finalement très limité de pixels, c'est-à-dire une faible définition d'image, et ceci pour un prix absolument prohibitif.
Très vite, d'autres appareils de type « compact » se sont répandus, avec des capteurs minuscules mais un nombre de pixels qui est passé en peu d'années de quelques centaines de milliers à plusieurs millions. Soit dit en passant, les opticiens ont dû s'adapter et fournir des objectifs très petits, mais dotés d'un pouvoir séparateur très élevé. Très vite aussi, les téléphones mobiles ont été dotés de systèmes photographiques incorporés, avec des capteurs de surface utile limitée à quelques millimètres carrés.
Il a fallu attendre un peu pour voir naître un véritable développement des appareils reflex numériques. Diverses considérations économiques mais aussi techniques, parmi lesquelles la nécessité de réaliser des viseurs suffisamment lumineux, interdisaient de les doter de capteurs aussi petits que leurs cousins compacts. On a donc vu apparaître des formats voisins du 18 x 24 ou « demi-format 24 x 36 » utilisé auparavant par quelques appareils argentiques fabriqués par Canon, Olympus et quelques autres marques. Les capteurs au format DX utilisés par Nikon mesurent 16,7 x 25,1 mm, tandis que les capteurs dits « APS-C » en souvenir du défunt « nouveau format » argentique APS, mesurent en principe 15,1 x 22,7 mm mais parfois un peu plus, jusqu'à environ 17 x 25 mm, selon les marques et les appareils. Le capteur au format « Four-Thirds » lancé par Olympus est encore plus petit, avec 13 x 17,3 mm.
Parallèlement, des appareils reflex de prix plus abordable comportant un capteur de dimensions proches du format 24 x 36, dits « full-frame » ou « plein format » ont fait leur apparition. Le format FX de Nikon correspond à 23,9 x 36 mm. En 2008, ces appareils ont commencé à réaliser une percée qui devrait selon toute vraisemblance se confirmer à très court terme. Si le format des capteurs montés sur les appareils reflex tend à croître, il n'en est pas de même pour les compacts et les bridges qui sont au contraire de plus en plus miniaturisés.
[modifier] Les problèmes techniques liés aux dimensions des capteurs
[modifier] Mégapixels et qualité des images
Les millions de minuscules éléments photosensibles, ou photosites, présents sur un capteur doivent se partager une quantité de lumière d'autant plus faible que la surface réceptrice est plus petite. De plus, une bonne partie de la surface des capteurs reste en réalité inutilisée car il faut bien installer les conducteurs électriques chargés de transmettre les signaux aux circuits électroniques de l'appareil. Il est facile de comprendre qu'avec un nombre identique de pixels, la quantité de lumière reçue par chaque photosite sera plus importante pour un grand capteur que pour un petit. Le signal électronique envoyé sera plus pur, moins entaché par le bruit numérique, particulièrement dans les zones les plus sombres de l'image. On peut bien sûr réduire le bruit électronique par voie logicielle, mais c'est toujours plus ou moins au détriment de la netteté des images.
Un capteur de format proche de 24 x 36 reçoit environ 2,5 fois plus de lumière qu'un capteur APS-C. Si leur nombre n'a pas été exagérément augmenté, les photosites sont plus larges et offrent également une meilleure « dynamique », c'est-à-dire qu'ils sont capables de différencier les niveaux lumineux sur une étendue plus large, offrant donc un meilleur rendu des couleurs et des valeurs, en particulier dans les zones sombres du sujet.
L'avantage procuré par des photosites plus grands disparaît lorsque, à surface égale du capteur, on cherche à augmenter le nombre de pixels. Cette augmentation, si elle se fait conjointement avec l'utilisation d'objectifs « de course », permet bien entendu d'obtenir des agrandissements de très grand format où les pixels restent discrets. En contrepartie, elle fait grimper très fortement le coût des capteurs et donc des appareils qui les utilisent, sans pour autant fournir de meilleures images pour des agrandissements de format inférieur à A3. Bien entendu, elle n'a aucun intérêt d'aucune sorte si les photographies sont destinées à l'examen sur un écran informatique et a fortiori avec un vidéoprojecteur. Il ne faut pas oublier non plus qu'en photographie numérique, si les photographies ratées ne coûtent rien ou presque, il n'en est pas de même pour les photographies réussies qu'il faut stocker, traiter, trier, etc.
[modifier] Compatibilité des objectifs
Les photographes qui possèdent une gamme d'objectifs importante pour leur boîtier 24 x 36 sont tentés réutiliser leurs « cailloux » sur leurs boîtiers reflex numériques. Si la compatibilité mécanique est obtenue, ce qui est généralement le cas pour toutes les montures autofocus des grandes marques, l'utilisation de capteurs plus petits que 24 x 36 fait que le champ embrassé par ces objectifs est également plus étroit. En fait tout se passe comme si l'on ne conservait que la partie centrale de l'image 24 x 36 et par conséquent, comme si la distance focale se trouvait augmentée dans un rapport de 1,5 ou 1,6 selon le capteur utilisé. Les très coûteux objectifs grand-angulaires achetés pour le boîtier argentique n'offrent alors plus qu'un angle très restreint, un 17 mm fait à peine mieux qu'un 28 mm en 24 x 36, un 24 mm un peu moins bien qu'un 35 mm, un 50 mm devient l'équivalent d'un petit téléobjectif. Un zoom transtandard 28-80 mm devient à peu près un 45-128 mm, et ainsi de suite. Si cette diminution de l'angle est un grave inconvénient pour les courtes focales, elle devient au contraire un avantage pour les longues focales, un 200 mm devenant l'équivalent d'un 300 ou 320 mm, un 500 mm d'un 750 ou 800 mm, etc., puisque cet allongement apparent de la focale se fait sans augmentation du poids du fourre-tout et sans dépense supplémentaire.
Les amateurs de photographie de nature, et en particulier ceux qui « chassent » des animaux aussi difficiles à approcher que l'isard ou la grue cendrée, sont devenus « accros » des boîtiers reflex à petits capteurs qui leur permettent d'épargner à la fois leurs vertèbres et les finances du ménage. Cependant, l'augmentation apparente de focale n'explique pas à lui seul cet enthousiasme, comme nous le verrons plus loin.
Pour retrouver les grands angles de prise de vues, il faut au moins compléter sa gamme d'objectifs par de nouveaux objectifs à focale très courte tels que des focales fixes de 10 ou 12 mm, ou encore des zooms tels que 10-20 mm ou 12-24 mm par exemple. Ces objectifs sont malheureusement à peu près aussi onéreux que leurs équivalents pour le 24 x 36, mais si leur cercle de couverture convient parfaitement à des formats de capteurs du type APS-C, en revanche ils ne permettent plus de couvrir le format 24 x 36 ; leur utilisation sur les boîtiers argentiques donnerait des images incomplètes, noires aux extrémités.
Les « heureux » possesseurs de ces objectifs devront bien évidemment s'en débarrasser à prix bradé s'ils décident de passer définitivement du format APS-C ou DX aux grands capteurs. Et on leur conseille même de prier le ciel pour que les fabricants continuent de maintenir une offre suffisamment étoffée en APS-C lorsque les capteurs 24 x 36 seront devenus les plus courants, ce qui ne demandera vraisemblablement qu'un petit nombre d'années. Il faut malheureusement se rendre à l'évidence, la photographie numérique est devenue à bien des égards le domaine du matériel jetable.
Naturellement, ceux qui possédaient une grosse collection d'optiques haut de gamme destinées aux boîtiers argentiques 24 x 36, et qui ont eu la bonne idée de ne pas s'en débarrasser, seront très heureux de pouvoir réutiliser ce matériel, malgré quelques restrictions éventuelles, sur leur tout nouveau boîtier « plein format ».
[modifier] Facteur de multiplication de focale et illusions associées
Utilisons le même téléobjectif, par exemple un 200 mm, sur un boîtier reflex numérique muni d'un capteur 24 x 36 mm, puis sur un autre boîtier muni d'un capteur DX ou APS-C dont la surface vaut un peu moins de la moitié du précédent.
Avec le second boîtier, le cadrage correspond à ce que l'on obtiendrait sur le premier avec une focale de l'ordre de 300 à 320 mm. Cependant, le boîtier 24 x 36 permet d'obtenir exactement la même image que le second : il suffit pour cela de découper la zone centrale pour n'en garder que la surface correspondant à celle d'un capteur APS-C ou DX. Comme en plus, à qualité d'image égale, l'appareil au format DX offrira quelques 24 Mpixels, tandis que l'autre n'en offrira que 12, le calcul est vite fait ... En gardant la moitié de l'image de 24 Mpixels, il en reste 12, CQFD.
[modifier] Dimensions, poids et prix
Tout comme dans le cas de la photographie argentique, une surface sensible plus grande signifie que l'obturateur, le miroir de renvoi, le pentaprisme, etc., sont également plus gros et plus lourds. Il ne faut jamais oublier que si toutes les proportions sont conservées, en doublant les longueurs, on multiplie les surfaces par 4, tandis que les volumes et donc les poids sont multipliés par 8. Dans la réalité, le rapport des poids et des encombrements d'un appareil reflex au format 24 x 36 par rapport à ceux d'un appareil au format DX ou APS-C est heureusement bien inférieur à 8, tandis que la différence des prix tend à diminuer au fil des mois.
[modifier] Images en réserve
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Acquisition des images
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