Sujet 1- Le capteur numérique
Un appareil photo numérique (APN) est équipé d’un capteur numérique. Il n’utilise donc pas de pellicule comme les anciens appareils photos. Le capteur numérique est, avec l’objectif, la pièce maîtresse de l’APN qui va conditionner la qualité technique des photos.
Quelles sont les principales tailles de capteurs, leurs caractéristiques et leur impact sur les photos ?
Qu’est-ce qu’un capteur numérique ?
Un capteur numérique est un composant en silicium constitué de photosites juxtaposés en matrice, c’est-à-dire de petites cellules photo-électriques qui captent la lumière pour chaque pixel (point élémentaire) qui composera l’image. Un capteur capte la lumière suivant un large spectre. Pour qu’un photosite reproduise une couleur donnée,la lumière est filtrée par un filtre vert, bleu ou rouge contenu dans la matrice de Bayer, matrice de filtres de couleur placée entre la micro lentille et le capteur. La micro lentille concentre la lumière sur le photosite. Un filtre infrarouge (IR) limite cette fréquence de lumière. On le supprime pour les APN destinés à la photo astronomique, le ciel profond contenant beaucoup d’infrarouges ayant un intérêt pour ce type de photographie. Un filtre antialiasing (AA) ou filtre passe-bas évite le phénomène de moiré sur des surfaces texturées (tissus, toitures, …). La tendance est à supprimer ce filtre sur les appareils récents car il « floute » un peu les photos. Dans ce cas l’effet moiré est contrôlé par une disposition adaptée des photosites.
Un microprocesseur analyse les informations de lumière transmises par le capteur, les reconstitue (dématriçage) en une image lisible sur l’écran arrière et les enregistre sur une carte électronique.
Les caractéristiques d’un capteur numérique
♦ La taille
Il existe des capteurs de tailles très différentes (Image 2). Les plus gros sur les appareils réflex ont une taille équivalente au format des pellicules des anciens appareils photos (24x36mm). Cependant certains appareils dits « moyen format » peuvent avoir des capteurs plus grands. Les smartphones sont les appareils ayant des capteurs de seulement quelques millimètres (taille de l’ongle du petit doigt).
- Qualité des photos
Un grand capteur donne un signal fort moins perturbé par le bruit électronique qu’un petit capteur. Il donnera donc des photos de meilleure qualité.
- Définition de l’image
Un capteur de grande taille pourra contenir plus de photosites qu’un capteur plus petit, donc fournir une image plus détaillée.
- Profondeur de champ
La profondeur de champ est la distance sur laquelle un sujet apparait comme étant net. La profondeur de champs varie avec la focale de l’objectif et l’ouverture utilisée. Mais pour une même focale et une même ouverture, la profondeur de champ sera d’autant plus faible que la taille du capteur est importante. Avec les petits capteurs, la profondeur de champs sera toujours importante, et il sera difficile de « détacher » le sujet du fond. Les images des petits capteurs seront donc moins « artistiques ». En effet, le flou d’arrière plan (ou bokeh) étant un élément important du rendu artistique des photos.
- Focale des objectifs
La taille du capteur détermine le coefficient multiplicateur des objectifs. La référence utilisée pour la focale des objectifs est le format 24x36mm. Par exemple la focale d’un objectif utilisé sur un appareil disposant d’un capteur APS C (Nikon) est à multiplier par 1,5. Ainsi, un objectif de 50mm en APS C a en réalité une focale de 75mm en équivalent 24×36. La même focale initiale représentera en réalité 100mm en micro 4/3. Il est donc plus facile d’obtenir des longues focales avec des petits capteurs (d’où les focales astronomiques de certains bridges). Par contre les petits capteurs sont désavantagés en grand angle (focales courtes).
♦ Le nombre de photosites
- Dynamique du capteur
Très logiquement, plus le nombre de photosites est élevé, plus ils sont petits. Or la caractéristique essentielle d’un photosite est sa taille. Plus il est gros, plus il capte de lumière, donc plus la dynamique du capteur sera élevée et plus il donnera de détails dans les ombres et les lumières. La dynamique native d’un capteur se mesure en IL (indice de lumination). Un capteur sensible permettra de faire des photos dans une situation de faible éclairage. Un capteur peu sensible ne peut pas être « poussé » en sensibilité(1) au-delà d’une certaine limite au-delà de laquelle le « bruit électronique » perturbe la lisibilité de la photo (présence de points ou de moutons colorés). La tendance actuelle d’augmenter le nombre de photosites sur les petits capteurs se fait donc au détriment de la qualité des photos.
(1) La sensibilité native d’un capteur peut être augmentée en amplifiant le signal électronique qu’il génère. Mais plus un signal est amplifié, plus il est susceptible d’être perturbé par le bruit électronique. D’où l’importance de la taille des photosites. La sensibilité s’exprime sur un APN en ISO. Quand on double le nombre d’ISO, par exemple en passant de 200 à 400, on double la sensibilité du capteur. Les APN compacts à petits capteurs ne peuvent guère dépasser 400 à 800 ISO, alors que les réflex à grand capteur donnent de bonnes images à 1600 à 3200 ISO, voire plus sur les réflex professionnels.
- Définition de l’image
Lorsque le nombre de pixels est élevé sur un gros capteur (on arrive couramment à 24 millions de photosites, voire davantage sur les réflex plein format récents), meilleure sera sa résolution, donc la définition de l’image produite. On comprend très bien qu’un photosite générant un pixel sur l’image, plus y en a, plus il y a de détails dans l’image, ceci sous réserve que le bruit électronique soit bien contrôlé. Sur les petits capteurs disposant d’un nombre important de photosites, la correction du bruit électronique amène le logiciel interne à lisser les détails de l’image, qui sera donc moins détaillée.
- Taille de l’image, format du fichier
Le nombre de photosites d’un capteur détermine la taille de l’image qui peut être obtenue (image 4). La taille de l’image dépend du support sur lequel on la visualise. Par exemple, une photo imprimée doit avoir une « densité » de pixels de 300 par pouce (environ 120 par cm). Avec un capteur de 16 millions de pixels (4614×3464) la dimension maximale d’une image imprimée de qualité sera d’environ 39 x 29 cm. Par contre, un affichage sur écran d’ordinateur haute résolution (par exemple 1600×1000 ) ne nécessite en théorie que 1,6 millions de photosites. Donc si les images doivent être uniquement regardées sur un ordinateur, il n’est pas utile, pour la qualité de la photo, d’utiliser un APN dont le capteur est trop chargé en photosites.
Le nombre de photosites détermine corollairement à la taille de l’image la taille du fichier correspondant à l’image (voir sujet 2).
Conclusion
La taille du capteur et le nombre de photosites (résolution) sont déterminants pour la qualité d’une image, mais cette affirmation est à pondérer :
- la résolution du capteur est à adapter au support sur lequel sera visualiser la photo : une photo imprimée en grand format demandera un gros capteur avec beaucoup de photosites, alors que le visionnage sur écran d’ordinateur est beaucoup moins exigeant.
- La qualité de l’image peut être fortement altérée par le bruit électronique si on augmente la sensibilité
- la qualité de l’image finale dépend aussi du logiciel interne de l’appareil et des traitements effectués en post production
- La qualité de l’image dépend des objectifs utilisés (voir Thème 1- 3 l’optique) lien à venir
- la qualité technique n’est qu’une des composantes de la qualité visuelle d’une photo, la qualité artistique étant également à prendre en compte dans l’appréciation globale d’une photo
Sujet 2 : les formats d’image enregistrés par les APN