Le capteur
S’il ne fallait retenir que cela :
Le capteur est l’élément central de tout appareil de prise de vue. Sa fonction est de convertir la lumière qu’il reçoit en un ensemble de points lumineux constituant un fichier image. Ces caractéristiques principales sont :
- Sa définition (exprimé en mégapixels) : c’est le nombre de point qui composent l’image. Plus il est élevé, plus l’image sera « fine »
- Ses dimensions: plus le capteur est grand, mieux il se comportera dans les situations de lumière difficiles. En contrepartie, l’appareil sera plus volumineux… et plus cher.
Explications :
Pendant longtemps, les photographes et vidéastes ont utilisé des pellicules dites « argentiques » : un support à base de cellulose était recouvert d’une mince couche contenant des cristaux d’halogénure d’argent sensibles à la lumière (c’est ce que dit Wikipedia, je ne l’aurais jamais trouvé tout seul !). Ces cristaux prenaient une teinte plus ou moins sombre en fonction de la quantité de lumière reçue.
Un capteur fonctionne selon le même principe, mais en utilisant de l’électronique : il va générer un signal électrique plus ou moins important en fonction de la quantité de lumière qu’il reçoit. Voyons ça plus en détails, en supposant tout d’abord que nous capturons une image en noir et blanc.
Il nous faut tout d’abord nous intéresser la lumière. En simplifiant à l’extrême, la lumière est une onde électromagnétique (comme les ondes radio) mélangée à des « petits grains » que l’on nomme photons. Ceux-ci ont une masse nulle, mais ils ont la capacité à interagir avec certains atomes. La lumière émise par une source lumineuse (soleil, lampe…) est réfléchie par les objets éclairés. L’objectif de notre appareil de prise de vue capte cette lumière et la dirige vers le capteur.
Le capteur est composé de plusieurs millions de récepteurs élémentaires correspondant chacun à un point (ou pixel) de l’image : ce sont les photosites. Ils ressemblent à une succession de puits. L’ensemble est recouvert par un empilage d’éléments semi-conducteurs à base de silicium sensibles à la lumière. Lorsqu’ils sont « heurtés » par un photon, ces semi-conducteurs le capturent et libèrent à la place un électron qu’ils placent dans le puit correspondant. Lorsque l’obturateur est ouvert pour prendre la photo, chaque puit se remplit alors d’électrons en fonction de la quantité de lumière qu’il reçoit (plus il reçoit de photons, plus il libère d’électrons). Une fois l’obturateur fermé, il suffit de « compter » le nombre d’électrons présent dans chaque puit pour connaître la quantité de lumière qu’a reçu chaque photosite :
- S’il n’y a aucun électron, le pixel est considéré comme noir
- S’il est entièrement rempli, le pixel est considéré comme blanc.
- S’il est partiellement rempli, le pixel est d’un gris plus ou moins foncé en fonction du nombre d’électrons présents.
Bien entendu, il n’est pas possible de compter le nombre d’électrons présents dans chaque puit, ces éléments étant bien trop petits. Même s’ils sont invisibles, ils ont pour caractéristique de posséder une charge électrique connue. Il suffit de mesurer la charge électrique présente dans un puit pour estimer la quantité d’électrons. Ce signal analogique sera alors converti en un nombre entre 0 et 255 qui sera alors transmis au processeur. Celui-ci collectera les données de chaque puit et reconstituera ainsi point par point une image en 256 niveaux de gris. Les points noirs auront pour valeur 0, les points blancs 255 et les points gris entre 1 et 254 en fonction de leur luminosité. On parle d’un codage en 8 bits (28 = 256)
Et la couleur dans tout ça ?
Pour constituer une image en couleur, on positionne un filtre au-dessus des éléments semi-conducteurs. Ce filtre est composé de minuscules carrés de couleur rouge, verte ou bleue. Le plus connu est le filtre de Bayer. Chacun de ces carrés recouvre un photosite, ne laissant passer qu’une couleur (la lumière bleue pour les carrés bleus…). Chaque photosite se voit alors attribuer une couleur. A la sortie du capteur, l’image n’est plus composée de pixels gris mais de pixels rouges, verts ou bleus.
Vue « éclatée » très simplifiée d’un capteur. De bas en haut :
- Gris: puits à électrons
- Beige : semi-conducteur
- Rouge / vert / bleu : filtre de Bayer
Chaque carré correspond à un pixel
Pourtant, si nous zoomons au maximum sur une image, nous voyons des pixels de toutes les couleurs, pas uniquement rouges, verts ou bleu. En effet, pour éviter un découpage de couleur trop grossier, le processeur de l’appareil va « regarder » ce qui se trouve autour de chaque pixel et faire la moyenne des couleurs. Prenons un exemple :
Le pixel dans l’angle inférieur gauche du schéma ci-dessus est bleu mais il est entouré de 3 autres pixels verts et rouges. Supposons que les valeurs de chaque pixel soient les suivantes :
- Bleu : 208
- Vert 1 : 252
- Rouge : 55
- Vert 2 : 238
En faisant la moyenne de ces valeurs, on obtient les chiffres suivants.
- Rouge : 55
- Vert : 240
- Bleu : 208
Comme il n’est pas possible d’attribuer 3 couleurs différentes à un même pixel, le processeur de l’appareil va créer une couleur qui sera un mélange de rouge, vert et bleu avec les proportions ci-dessus. On appelle ce codage le système RVB (Rouge / Vert / Bleu). Dans le cas présent, cette combinaison correspond à une couleur proche du Cyan. Cette notion est très importante en photo comme en vidéo car tous les logiciels de retouche l’utilisent. A noter qu’on le retrouve plus souvent sous le sigle RGB (Red / Green / Blue), l’acronyme Anglais de RVB.
Le processeur procédera ensuite de même pour tous les pixels de l’image, en attribuant à chacun une valeur moyenne dépendant des points adjacents. Nous avons pris ici un exemple simple avec 4 pixels, mais il existe différents algorithmes plus ou moins complexes pour attribuer une valeur moyenne à chaque pixel.
Nous obtenons ainsi une image composée de millions de pixels, chacun d’entre eux étant un mélange de 3 couleurs, elles-mêmes constituées de 256 niveaux. Ceci permet ainsi de restituer 256 x 256 x 256 = 16.777.216 combinaisons possibles. Pour simplifier, on parle généralement d’une image à 16 millions de couleurs.
Maintenant que le fonctionnement du capteur est compris, examinons ses 2 principales caractéristiques que sont la taille et la définition :
La taille du capteur
Il s’agit là simplement des dimensions du capteur. Le concept est facile à cerner mais il faut rentrer un peu plus dans les détails pour comprendre l’influence de la taille sur les performances.
Je ne listerai pas ici tous les capteurs présents sur le marché car il y en a trop… et cet article tournerait à l’inventaire à la Prévert. Voici les principales catégories (sachant qu’il peut exister des variantes au sein de chacune d’elles) :
- Les petits formats (de l’ordre de 5 x 7 mm) : ils sont principalement utilisés dans les smartphones et les caméras d’actions
- Les 1 pouce (env 9 x 13 mm) : on les trouve sur certains compacts moyen à haut de gamme
- Le micro 4/3 (13 x 17 mm) : popularisé à la fin des années 2000 par Panasonic et Olympus. Ils sont utilisés sur leur gamme d’appareils hybride, que l’on peut comparer à des reflex de milieu de gamme
- Les APS-C (15 x 23 mm) : ils équipent majoritairement les reflex d’entrée et de milieu de gamme. On les trouve également sur certains compacts haut de gamme
- Les pleins formats (24 x 36 mm) : utilisés sur les reflex et hybrides haut de gamme. Longtemps réservés aux photographes professionnels, ils ont fait leur entrée sur le marché des amateurs (passionnés !) il y a quelques années grâce à Sony et sa gamme Alpha 7 qui les a rendu « abordables ».
Il convient de noter que le rapport largeur sur hauteur varie d’un capteur à l’autre. Il est généralement de 1.33 sur les plus petits, mais de 1.5 sur les APS-C et plein format (c’est le même ratio que le célèbre format 10 x 15 des photos imprimées ou des cartes postales).
Pourquoi une telle diversité ?
Pour un constructeur, le choix du capteur dépend en premier lieu de la taille de l’appareil qu’il conçoit. Les petits formats sont indispensables pour assurer la compacité de nos smartphones ou des caméras d’action. Essayez-de faire rentrer un capteur plein format (24 x 36 mm) dans un GoPro qui est à peine plus grande :-).
Mais alors, si je fais de belles photos avec mon téléphone, quel est l’intérêt des grands capteurs ?
Comparons les 2 extrêmes, le petit et le plein format, et calculons tout d’abord la surface de chacun d’eux :
- Petit format : 5 x 7 = 35 mm².
- Plein format : 24 x 36 = 864 mm²… soit 25 fois plus que son petit frère ! On imagine aisément que l’on pourra y intégrer beaucoup plus de pixel pour une meilleure définition.
Imaginons maintenant que ces 2 capteurs possèdent tous les deux 20 millions de pixels. Les photosites du plein format auront donc une surface 25 fois plus importante… ce qui leur permettra de collecter 25 fois plus de lumière. Un avantage énorme lors d’une utilisation dans des conditions sombres.
On comprend donc que plus le capteur sera grand, plus il sera facile d’augmenter le nombre de pixels et / ou la taille de ceux-ci.
Donc un grand capteur, c’est mieux ?
D’un point de vue purement technique, oui. Il offrira un meilleur comportement en basse lumière et une plage dynamique plus étendue. Mais le capteur étant plus gros, l’appareil qui l’accueillera sera plus encombrant et plus lourd, de même que les objectifs associés. Et le prix sera bien entendu à l’avenant, le coût de production augmentant avec la taille du capteur (sans compter l’effet marketing). Voilà donc pourquoi il existe une telle variété de dimensions. Elles permettent aux fabricants de cibler un compromis coût / encombrement / performance adapté à chacun de leurs produits, et donc aux besoins des différents clients.
J’ai eu à faire ce choix il y a quelques mois lorsque j’ai décidé de remplacer mon reflex milieu de gamme vieux de 10 ans (je faisais de plus belles photos avec mon téléphone). Je m’étais fixé 2 contraintes. Comme j’aime beaucoup la randonnée en montagne et l’alpinisme, je voulais un appareil d’un encombrement et d’un poids modérés pour ne pas surcharger mon sac à dos. A ce titre, mon choix s’orientait vers un capteur micro 4/3 ou éventuellement APS-C. Mais pour compliquer les choses, j’aime également partir très tôt le matin pour photographier la montagne (ou d’autres paysage) aux premières lueurs du jour… voire même avant. Dans ces conditions de basse lumière, un capteur plein format est la meilleure option…. mais elle va à l’encontre de mon objectif de poids / encombrement. J’ai finalement décidé de céder aux sirènes du plein format. Je ne le regrette pas car je me fais plaisir dans ma pratique photographique, mais j’accepte de partir en randonnée avec un plus gros sac. Et également de ne pas le prendre lorsque je pars faire de l’alpinisme. J’ai également accepté (tout comme ma femme !) le surcoût conséquent d’un tel appareil, mais cela m’oblige pour l’instant à me contenter de l’objectif de base livré avec l’appareil. Les objectifs pleins format étant chers, je compléterai ma collection lentement année après année.
Il s’agit là d’un exemple. Chacun définira en fonction de sa pratique le type de capteur dont il a besoin. Gardons à l’esprit que malgré ses nombreuses qualités le plein format n’est pas forcément le Saint-Graal du photographe en raison des fortes contraintes d’usage et de prix qu’il impose.
Tout ça c’est bien, mais à quoi ça sert ?
Nous y voilà. Si comme moi vous avez connu les jeux vidéo des années 80, vous avez sans doute en tête le style inimitable de PacMan. On peut supposer que ses créateurs le voulaient rond mais on voyait très bien qu’il était composé d’une juxtaposition de carrés. C’était là le résultat de la mauvaise définition des « cartes graphiques » de l’époque : chaque pixel était un gros carré. Puis les années passant, la définition s’est améliorée et la taille des pixels a diminué (il y a plus de pixels dans une même taille d’écran). Les contours de PacMan se sont donc affinés.
C’est bien entendu la même chose pour les capteurs. Plus leur définition est élevée, plus ils sont capables de restituer des détails avec finesse.
Donc plus la définition est grande, mieux c’est ?
La 1° réponse qui vient à l’esprit est bien entendu « oui ». Une définition plus élevée signifie plus de pixels, donc des points de plus petites dimensions qui seront mieux à même de resituer les détails. Néanmoins, ce constat mérite d’être nuancé. A l’heure actuelle (toujours en 2019), la définition standard des écrans est dite « 4K », soit 3.840 x 2.160 = 8.294.400 pixels. Un capteur d’environ 8 millions de pixel sera donc suffisant pour en profiter pleinement. Utiliser une définition plus importante aura tout de même 2 avantages :
- Si vous souhaitez imprimer des photos, plus elle sera définie et plus il sera possible de faire une impression de grande taille.
- Une image de haute définition permettra de zoomer sur des détails (par exemple un animal photographié de loin sans téléobjectif) en gardant une finesse d’image convenable.
Au chapitre des inconvénients, on en retiendra 2 :
- Un capteur de grande définition générera des fichiers plus volumineux (il y a plus de pixels donc plus d’informations à stocker), nécessitant un espace de stockage adapté. Dans le cas de la vidéo, le montage de fichiers HD (et encore plus 4K) demande une puissance de calcul et de stockage importante nécessitant un ordinateur conséquent.
- Comme évoqué dans le chapitre précédent, une grande définition signifie des pixels de plus petites dimensions (à taille de capteur équivalente). Ceux-ci seront moins à même de collecter la lumière, rendant le capteur moins performant par faible luminosité.
Note : on commence à voir apparaître des écrans de définition 8K, soit 7.680 x 4.320 = 33 millions de pixels. Peut-être seront-ils amenés à se généraliser dans les années à venir, ce qui nécessiterait des capteurs de définition équivalente pour en profiter… mais à ce jour ils sont très chers (3.000 € pour un moniteur, de 5.000 à 15.000 €pour un téléviseur !) et ne peuvent pas encore être considérés comme grand public.
Nous comprenons maintenant à quel point le type de capteur est important lors de l’achatd’un appareil photo ou d’une caméra. Il n’y a pas de bon ou de mauvais choix. Certains ne jurent que par les micro 4/3, d’autres sont des adeptes du plein format quand leur collègues seront séduits par le compromis offert par l’APS-C. Au final, vous aurez compris que c’est votre pratique photographique qui devra guider votre choix plus que les sirènes du marketing.