Vous vous intéressez aux caméras de cinéma ; et vous entendez parler par ici et là de capteurs CCD et de capteurs CMOS ; et vous vous posez des questions sur eux ? Dans cet article, découvrez :

• Ce qu’est un capteur,
• Ce qui fait la différence entre un capteur CCD et un capteur CMOS,
• Les avantages et inconvénients d’un capteur CMOS,
• Quelques exemples de caméras équipées de capteurs CCD et quelques exemples de caméras dotées de capteurs CMOS.

Un capteur, ça sert à quoi ?

Un capteur est un composant électronique photosensible (qui réagit à la lumière) fait de photosites rectangulaires, carrés ou octogonaux organisés à la façon d’un damier.

Un capteur permet de convertir un rayonnement électromagnétique (IR, visible, UV) en un signal électrique analogique. C’est ce signal qui est amplifié, numérisé et traité pour obtenir une image numérique.

Notez que la taille d’un capteur a une incidence sur la profondeur de champ : plus le capteur est grand, plus petite est la profondeur de champ.

Il existe deux grandes familles de capteurs :

• Les capteurs CCD,
• Les capteurs CMOS

Les différents types de capteurs : le capteur CCD et le capteur CMOS

Inventé dans les laboratoires Bell en 1969 per Willard Boyle et George E. Smith, le capteur Charge-Coupled Device (CCD) est connu en français sous le nom de « Dispositif à Transfert de Charge (DTC) ».

Il existe trois types de capteurs CCD : le CCD Full Frame (plein cadre), le CCD Full-Frame Transfer (à transfert de trame), et le CCD « Interligne ».

Quant au capteur Complementary Metal Oxide Semi-Conductor communément appelé capteur CMOS, il a été inventé à peu près à la même époque. Mais il n’a pas été tout de suite adopté. Car, à l’époque, la qualité d’image des capteurs CCD était meilleure ; ce qui n’est plus le cas aujourd’hui.

Plus loin, vous en saurez davantage sur la différence entre les deux types de capteurs. En attendant, sachez que les caméras sont équipées d’un capteur tri CCD/CMOS ou d’un capteur mono CCD/CMOS.

Dans un capteur mono CCD/CMOS, les photosites sont recouverts d’un filtre bleu, rouge, ou vert. Mais la sensibilité d’un photosite au vert est beaucoup moins importante ; ce qui nécessite 2 photosites pour le vert.

Par conséquent, pour obtenir une couleur, il faut 4 photosites : 2 pour le vert, un pour le rouge, et un pour le bleu.

Plus grande est la quantité de photosites sur un capteur, plus grand est le nombre de pixels. Or, pour des raisons de prix, dans les entrées de gamme, on réduit la taille des capteurs. Par conséquent, quand il y a augmentation du nombre de photosites sur une surface plus petite de capteurs, il y a baisse de la qualité de l’image.

Mais un capteur tri CCD/CMOS est composé de trois capteurs qui captent chacun de façon indépendante l’une des couleurs : rouge, bleue, verte. Conséquences : définition plus précise, image mieux restituée.

Mais comment fonctionne un capteur CCD ?

Comme vous le savez peut-être, quand on appuie sur le déclencheur d’un appareil, le diaphragme s’ouvre et laisse le passage à une certaine quantité de lumière composée de photons.

Chaque photon transporte une énergie particulière qui, absorbée par un atome de silicium, libère un électron.

L’ensemble des électrons ainsi obtenus constitue une charge qui va être isolée, puis conduite vers un amplificateur qui s’occupe alors de la conversion charge/tension.

Dans un capteur CCD, l’amplificateur est disposé au bout d’une ligne de pixels. Il récupère alors à la volée l’ensemble des charges accumulées dans cette ligne pour chaque pixel. Cette récupération se fait grâce à un champ électrique qui aide au transport des charges de pixel en pixel jusqu’à l’amplificateur.

Les caméras équipées de capteurs CDD ne sont pas destinées qu’à un usage industriel, médical, ou de surveillance. Il en existe de dédiées au cinéma. En voici quelques exemples :

• La Sony F35 qui est équipée d’un capteur CCD Super 35 mm offrant une pleine résolution de 1920*1080 pour une fréquence atteignant les 50 i/s en mode progressif,
• La HSC 100-Sony qui dispose de trois capteurs CCD Power HAD FX 2/3’’ pleine résolution 1920 x 1080,
• La PANASONIC AK-HC3500A qui utilise trois capteurs CCD 2/3’’ de 2,2M de pixels,
• Etc.

Mais ce que vous devez savoir, c’est que les capteurs CCD et les capteurs CMOS ne fonctionnent pas de la même manière.

Dans un capteur CMOS, chaque pixel contient une photo-diode (qui peut être faite d’un matériau autre que le silicium) et son propre amplificateur. La photo-diode va servir à la conversion photo-charge et au stockage des charges. Quant à l’amplificateur, il va aider à la conversion des charges en tensions dans le pixel lui-même.

L’avantage ? Un temps de lecture fortement réduit car l’information de chaque pixel peut être lue sans avoir besoin de faire le transfert !

Mais ce n’est pas le seul avantage des capteurs CMOS. Il y en a de nombreux autres que vous découvrirez ci-dessous.

En attendant, voici quelques exemples de caméras numériques de cinéma qui utilisent les capteurs CMOS :

• Les caméras EOS Cinéma de chez Canon (EOS C500 PL, EOS C300 PL, XC10, etc) équipées de grands capteurs CMOS Super 35 mm,
• La caméra RED WEAPON qui dispose d’un capteur CMOS Full-Frame (Vista Vision) de 40.96mm x 21.6mm capable d’offrir des images 8K de 8192 x 4320 pixels ; ou encore la RED DRAGON équipée d’un capteur CMOS 6K qui offre une résolution d’image de 6144*3160 pour une fréquence de 82 i/s à 6K et 120 i/S à 5K. Tenez, ce capteur s’avère même capable de capter 20 stops de plage dynamique jusqu’à 2000 ISO natif.
• L’ Alexa 65 dont le capteur CMOS 6,5 K permet de filmer en pleine définition 6560 x 3102 px de 20 à 27 ips.
• La Sony PXW-FS7 équipée d’un capteur CMOS Exmor de type Super35 à puce unique et capable de prendre en charge le tournage en 4K** 60p ou en Full HD à une fréquence de 60 i/s en 4k ou 180 i/s en HD.

Voilà, passons maintenant aux avantages et inconvénients du capteur CMOS.

Les avantages et inconvénients du capteur CMOS

Aujourd’hui, les capteurs CMOS n’ont presque plus d’inconvénients si on les compare aux capteurs CCD.

Les capteurs CCD avaient la réputation de fournir une meilleure qualité d’image en haute et basse sensibilité ainsi qu’une meilleure stabilité des performances.

Mais les capteurs CMOS actuels sont, en termes de bruit de lecture, beaucoup plus performants. Par exemple, récemment, Adimec, un producteur d’appareils de surveillance et de vision industrielle, a comparé les CCD et les CMOS : au niveau des bruits de lecture surtout quand la lumière est faible, alors qu’un Leica M Monochrom équipé d’un CCD plein format sans filtre de Bayer plafonne à 10.000 Iso, un Nikon D4s ou un Sony Alpha 7S atteint les 400.000 Iso. L’écart est remarquable !

De plus, il y a eu d’énormes progrès quant à la sensibilité sur les capteurs de reflex (comme en témoigne le Nikon D90), la dynamique, la qualité en basse sensibilité, et la reproduction plus fiable des couleurs.

Mais ce qui est le plus impressionnant, c’est l’efficacité actuelle (mesurée par le rapport efficacité quantique/bruit de lecture) des CMOS comparée aux CCD. Alors que les CCD n’ont presque pas progressé depuis 2011, les CMOS ont en 4 ans quadruplé leurs performances et sont désormais les meilleurs, et ce même au niveau de l’infrarouge.

En plus, les capteurs CMOS ont nettement progressé au niveau de leurs capacités à conserver les détails d’un très bon objectif : s’ils souffraient autrefois d’un crosstalk qui réduisait légèrement le micro-contraste, aujourd’hui ils sont passés maîtres dans leur élimination pour les grandes longueurs d’onde. Mais ce n’est pas tout !

Les capteurs CMOS offrent également vitesse, consommation d’énergie faible, élimination de l’équilibrage des taps, et moins de composants électroniques ; et ils coûtent moins chers ; ce qui ne gâche rien !

Autre chose : d’un point de vue technique, le capteur CMOS et les circuits électroniques peuvent être montés en un seul système. Cela permet de simplifier le design de l’appareil et d’y intégrer plus de fonctions.

Par ailleurs, la caméra équipée de capteurs CMOS est beaucoup plus tolérante aux changements de lumière. Cela est dû à deux facteurs : un meilleur déchargement électrique lors d’une saturation, et une plage dynamique étendue.

La seule chose que l’on pourrait encore reprocher aux capteurs CMOS, c’est leur obturateur rotatif qui lit ligne par ligne. Cela est à l’origine du délai entre le haut et le bas de l’image. Conséquences : des déformations des lignes verticales sur les mouvements panoramiques et « l’effet Jello ».

Mais avec le lancement des premiers Sony Pregius, caméras industrielles désormais équipées de capteurs CMOS à obturateur global de la marque, ce problème va progressivement disparaître. Car ledit obturateur utilise, comme les CCD, une mémoire tampon. Par conséquent, ils assurent la simultanéité de capture de la totalité de leur surface.

Voilà, vous êtes-vous déjà servi de caméras équipées de capteurs CMOS ? Si oui, partagez votre expérience avec nous dans les commentaires ci-dessous !