Dans cet article, nous allons revenir sur certaines technologies de capteurs d’appareil photo classiques, en nous concentrant sur les étapes franchies au cours des 25 dernières années.
Capteurs CCD
Les capteurs CCD (dispositif à couplage de charge) ont été les premiers à offrir des résultats impressionnants à un prix abordable pour les produits grand public. Le CCD lit un pixel à la fois, transférant la charge d'un pixel à l'autre. La vitesse de lecture dépend du courant appliqué à la puce, ce qui nécessite une consommation d'énergie importante pour une lecture plus rapide. Cependant, la lenteur de lecture du CCD, due aux limitations de puissance des appareils photo grand public, ralentissait la visée en temps réel. Du milieu des années 1990 au début des années 2010, les capteurs CCD ont constitué la base du marché naissant des appareils photo numériques. Pendant cette période, la technologie CCD a continué d'évoluer, améliorant ses performances.
Les capteurs CCD ont soutenu le développement des premiers appareils photo numériques, illustrés ici par l' appareil photo Nikon COOLPIX 995 .
Super CCD
En tant que branche de la technologie CCD, la technologie Super CCD de Fuji mérite également d'être mentionnée. Elle utilise principalement une grande photodiode et une photodiode partiellement protégée pour chaque pixel. Le capteur du Fuji S3 Pro était équipé de la technologie Super CCD, offrant une plage dynamique bien supérieure à celle de ses concurrents. Cependant, en sensibilité ISO élevée, la présence de photodiodes partiellement protégées peut potentiellement affecter la qualité de l'image.
Le Fujifilm FinePix S3 Pro , équipé du Super CCD, est également un appareil photo très emblématique.
Super CCD EXR
Fuji a perfectionné le Super CCD pour en faire le Super CCD EXR. Ce système décalait légèrement les lignes de pixels, reproduisant le motif du filtre Bayer par paires. Cela lui permettait d'offrir une résolution maximale dans un mode et des modes basse luminosité ou plage dynamique élevée dans un autre. Bien qu'elle ne soit plus utilisée, cette technologie présente des similitudes avec les capteurs Quad Bayer ou Tetracell actuels.
Technologie CMOS
Parallèlement, la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) progressait également. Les capteurs CMOS transmettent les informations de chaque pixel via un circuit. Ainsi, les informations de charge de chaque pixel n'ont pas besoin de transiter par d'autres pixels, ce qui accélère le transfert de charge et réduit la consommation d'énergie. Les capteurs CMOS sont plus économiques que les capteurs CCD. La sortie du reflex numérique APS-C D30 de Canon en 2000 a marqué les débuts des capteurs CMOS. Au cours des années suivantes, les performances des capteurs CMOS se sont améliorées, gagnant des éloges pour leurs performances ISO élevées impressionnantes.
Le Canon EOS 300D , sorti en 2003, était le premier reflex numérique à capteur CMOS à moins de 1 000 $.
À leurs débuts, les appareils photo numériques compacts équipés de petits capteurs n'ont pas rencontré un grand succès, ce qui a conduit nombre d'entre eux à continuer d'utiliser des capteurs CCD. L' appareil photo numérique Olympus XZ-1 , présenté ici, en est un exemple.
Capteur Foveon X3
Le capteur Foveon X3 est l'un des capteurs non Bayer les plus célèbres. Il s'agit essentiellement d'un capteur CMOS, mais sans filtres couleur. Il capture trois niveaux d'électrons lumineux par pixel et combine les informations chromatiques en fonction de la longueur d'onde. Sa conception s'est avérée complexe, notamment pour les couches de rouge profond, ce qui a entraîné des problèmes de bruit. Il offrait certes une meilleure résolution, mais présentait davantage de bruit à des ISO élevés.
Le premier appareil photo à être équipé du capteur Foveon X3 était le Sigma SD9 .
Capteurs rétroéclairés
Avec l'avènement de la fonction de prise de vue vidéo haute définition introduite par le Canon EOS 5D Mark II et l'avènement des appareils photo hybrides, la vitesse de lecture des capteurs CMOS a suscité un intérêt croissant. Une vitesse de lecture plus rapide est cruciale pour le cadrage en temps réel, notamment pour les appareils photo équipés de capteurs de grande taille. En 2009, l'industrie a lancé le capteur rétroéclairé (BSI), initialement développé pour les capteurs plus petits utilisés dans les smartphones et les appareils photo compacts. Le procédé de fabrication des capteurs BSI est similaire à celui des modèles existants, utilisant principalement l'arrière du capteur pour recevoir la lumière. Cela signifie que la partie avant de chaque pixel, responsable du câblage électrique et des circuits, est retirée, ce qui améliore la capacité d'absorption lumineuse de chaque pixel. Cependant, les avantages de cette technologie ne sont pas particulièrement significatifs pour les capteurs de grande taille. Par conséquent, son application aux capteurs d'appareils photo était initialement limitée.
La technologie CMOS continue d'évoluer. Par exemple, de nouvelles conceptions permettent d'intégrer davantage de convertisseurs analogique-numérique (CAN) dans les capteurs, et ces derniers peuvent être placés plus près des pixels. Cela minimise le bruit électronique lors de la lecture, car celui-ci est en partie déterminé par leur vitesse de fonctionnement. Par conséquent, un grand nombre de CAN ne nécessite pas que chacun d'eux fonctionne à des vitesses extrêmement élevées, ce qui permet une lecture rapide des données sans augmentation du niveau de bruit.
La technologie des capteurs rétroéclairés (BSI) a commencé à être appliquée aux capteurs d'appareils photo de plus grande taille à partir de 2014. Comme les pixels individuels des capteurs de plus grande taille occupent plus d'espace, la part d'un pixel consacrée à l'amélioration du câblage dans la technologie BSI est plus faible. Par conséquent, l'impact du BSI sur l'amélioration de la qualité d'image des capteurs de plus grande taille est relativement limité. Cependant, des améliorations ont été apportées. Premièrement, des améliorations ont été apportées aux angles de réception de la lumière des pixels afin d'optimiser la qualité des contours du capteur. Deuxièmement, le déplacement du câblage à l'arrière du pixel permet un circuit plus complexe. Ceci permet d'augmenter le nombre de convertisseurs analogique-numérique (CAN), ce qui accélère la lecture sans bruit supplémentaire.
Près d'une décennie plus tard, l'utilisation de capteurs rétroéclairés n'est pas particulièrement répandue, car elle n'a pas apporté de progrès significatifs en matière de qualité d'image.
Même dans les appareils photo numériques comme la série Sony RX100 , l’amélioration de la qualité d’image apportée par les capteurs rétroéclairés reste limitée.
L'histoire du développement des capteurs ne se limite pas à Sony et Canon . Samsung a été le premier fabricant à appliquer la technologie de capteur rétroéclairé aux appareils photo au format APS-C. Le Samsung NX1 , sorti en 2014, était un appareil photo équipé d'un capteur rétroéclairé au format APS-C.
Technologie à double gain
Les capteurs à double gain optimisent la plage dynamique. Initialement présents sur la série Nikon 1, ils offrent plusieurs modes de lecture par pixel, maximisant la plage dynamique à faible sensibilité ISO et améliorant les performances dans les ombres à sensibilité ISO élevée. Sony a intégré cette fonctionnalité pour améliorer la plage dynamique tout en améliorant les performances à haute sensibilité ISO.
Le Sony α7S offre des performances ISO élevées exceptionnelles.
Capteurs empilés
Le CMOS empilé, la technologie la plus récente, s'appuie sur le BSI. Des couches de semi-conducteurs distinctes sont connectées par des circuits, permettant ainsi des circuits complexes. Bien que complexe et coûteux, ce procédé améliore le traitement des données. Les fabricants d'appareils photo l'utilisent pour la mise en cache interne, améliorant ainsi la capture d'images parallèles et la rapidité de lecture.
La vitesse du capteur du Nikon Z9 est suffisamment rapide pour permettre un obturateur entièrement électronique. De plus, il offre des tampons séparés pour les images haute résolution, ainsi que pour l'autofocus et le cadrage en temps réel. Cependant, cela ne représente qu'une infime partie des possibilités offertes par la technologie des capteurs empilés. 
Résumé et analyse
Aujourd'hui, la plupart des appareils photo grand public offrent des performances de capteur généralement impressionnantes. Ces capteurs offrent une excellente plage dynamique à leurs réglages ISO de base, et même à des niveaux ISO élevés, leur bruit électronique est considérablement réduit, hormis le bruit photonique inhérent. Cependant, il existe encore un écart considérable par rapport aux avancées technologiques majeures. Peut-être qu'à l'avenir, de nouvelles avancées permettront d'étendre les plages ISO basses afin d'améliorer encore la qualité d'image ou de réaliser des avancées en matière de précision de reproduction des couleurs.
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