Tailles de capteurs d'appareils photo numériques : influence sur la photographie
Cet article répond à une question cruciale : comment la taille du capteur de votre appareil photo numérique influence-t-elle différents types de photographie ? Le choix de la taille du capteur est analogue à celui entre les formats 35 mm, moyen format et grand format en argentique — avec quelques différences notables propres au numérique. La confusion règne souvent sur ce sujet en raison de la multitude d'options et des nombreux compromis liés à la profondeur de champ, au bruit d'image, à la diffraction, au coût et à l'encombrement.
Aperçu des tailles de capteurs
Les tailles de capteurs varient considérablement selon l'usage, le prix et la portabilité recherchée. Le graphique ci-dessous montre les tailles relatives des formats les plus courants :
Les capteurs « plein format » (équivalent 35 mm) les plus répandus sont ceux des Canon 1Ds/5D et Nikon D3. Les Canon Rebel/60D/7D ont un facteur de recadrage de 1,6×, tandis que les reflex Nikon grand public utilisent un facteur 1,5×. Le facteur 1,3× (série Canon 1D) n'est pas représenté ici.
Les smartphones et compacts utilisent des capteurs minuscules (∼1/4″ à 2/3″). Olympus, Fuji et Kodak ont standardisé le système 4/3 (facteur 2×). Le moyen format et au-delà existent mais restent rares et très onéreux ; les mêmes principes s'appliquent néanmoins.
Facteur de recadrage et multiplicateur de focale
Le facteur de recadrage (crop factor) est le rapport entre la diagonale du capteur et celle d'un capteur plein format 35 mm. Il indique quelle portion de l'image projetée par un objectif 35 mm est « rognée » par le capteur plus petit.
On pourrait croire que perdre de l'information est toujours néfaste, mais cela a des avantages : la plupart des objectifs sont plus piqués au centre, leur qualité se dégradant vers les bords. Un capteur recadré élimine donc les zones les moins nettes de l'image, ce qui est bénéfique avec des objectifs de qualité moyenne (dont les bords sont souvent faibles).
En contrepartie, on transporte un objectif plus gros que nécessaire — un facteur clé pour la photo de voyage ou de randonnée. L'idéal serait d'utiliser toute la lumière transmise par un objectif de haute qualité, homogène jusqu'aux bords.
De plus, la performance optique des grands-angles est rarement aussi bonne que celle des focales plus longues. Un capteur plus petit force à utiliser un grand-angle plus large pour obtenir le même champ, ce qui peut dégrader la qualité. Les petits capteurs agrandissent aussi davantage la zone centrale de l'objectif, rendant sa limite de résolution plus visible avec des objectifs modestes.
Le multiplicateur de focale relie la focale utilisée sur un petit format à celle d'un 35 mm donnant le même champ ; il est égal au facteur de recadrage. Un 50 mm sur un capteur 1,6× donne le champ d'un 80 mm sur plein format (1,6 × 50 = 80 mm).
Attention : ces termes peuvent tromper. La focale de l'objectif ne change pas selon le capteur — seul son champ de vision change. Un 50 mm reste un 50 mm. Par ailleurs, « facteur de recadrage » n'est pas adapté aux tout petits capteurs quand on utilise des objectifs conçus pour eux (l'image n'est pas rognée).
Encombrement et poids des objectifs
Les capteurs plus petits permettent des objectifs plus légers (à champ, plage de zoom, construction et ouverture équivalents). Cette différence est critique pour la photo animalière, la randonnée et le voyage, où l'on utilise souvent de gros objectifs ou porte son matériel longtemps. Le graphique ci-dessous illustre cette tendance pour une sélection de téléobjectifs Canon typiques du sport et de l'animalier :
Implication : pour obtenir la même taille de sujet sur un 35 mm qu'avec un 200 mm f/2,8 sur un capteur 1,5× (nécessitant un 300 mm f/2,8), il faut porter 3,5× plus de poids ! Sans compter l'encombrement, qui peut attirer l'attention en public. Les objectifs plus lourds coûtent aussi bien plus cher.
Sur les reflex, les capteurs plus grands offrent des viseurs plus grands et plus nets, utiles pour la mise au point manuelle. Mais ils sont plus lourds et coûteux car ils nécessitent un prisme/pentamiroir plus grand.
Exigences de profondeur de champ
À mesure que la taille du capteur augmente, la profondeur de champ diminue pour une même ouverture (si l'on cadre le sujet de même taille et distance). Car les grands capteurs obligent à se rapprocher du sujet ou à utiliser une focale plus longue pour le remplir le cadre. Il faut donc fermer davantage le diaphragme pour maintenir la même profondeur de champ. Le calculateur ci-dessous prédit l'ouverture et la focale nécessaires pour conserver la même profondeur de champ (en gardant la perspective).
*Si la même perspective est souhaitée.
Exemple : pour reproduire sur plein format la même perspective et profondeur de champ qu'un 10 mm à f/11 sur un capteur 1,6×, il faut un 16 mm à environ f/18. Inversement, un 50 mm f/1,4 sur plein format donne une profondeur de champ si faible qu'elle exigerait une ouverture f/0,9 sur un capteur 1,6× — impossible avec des objectifs grand public !
Portrait (faible PdC) Paysage (grande PdC)
Une faible profondeur de champ est recherchée en portrait pour flouter l'arrière-plan ; une grande profondeur de champ est souhaitée en paysage. C'est pourquoi les compacts peinent à produire un flou d'arrière-plan significatif en portrait, tandis que les grands formats peinent à obtenir une profondeur de champ suffisante en paysage.
Note : le calculateur suppose qu'on dispose sur le nouveau capteur (#2) d'un objectif reproduisant le même champ que sur l'original (#1). Si on utilise le même objectif, les exigences d'ouverture restent identiques (mais il faut se rapprocher du sujet), ce qui change la perspective.
Influence de la diffraction
Les capteurs plus grands peuvent utiliser des ouvertures plus petites avant que le disque d'Airy de la diffraction ne dépasse le cercle de confusion (défini par la taille de tirage et le critère de netteté). C'est principalement parce qu'ils n'ont pas besoin d'être agrandis autant pour un même tirage. Exemple : un capteur de 8×10 pouces n'aurait pas besoin d'agrandissement pour un tirage 8×10, alors qu'un 35 mm en nécessiterait un important.
Utilisez le calculateur ci-dessous pour estimer quand la diffraction commence à réduire la netteté. Notez qu'il indique seulement quand la diffraction devient visible à l'écran à 100 % — sa visibilité sur le tirage final dépend aussi de la distance de vision et de la taille du tirage. Pour aller plus loin : diffraction limits and photography.
L'apparition de la diffraction est progressive : des ouvertures légèrement plus grandes ou plus petites que la limite ne changent pas brutalement l'aspect. C'est une limite théorique ; les résultats réels dépendent aussi des caractéristiques de l'objectif. Les diagrammes ci-dessous montrent la taille du disque d'Airy (résolution théorique maximale) pour deux ouvertures face à une grille représentant la taille des pixels :
Densité de pixels limitant la résolution (exigence de faible PdC) Disque d'Airy limitant la résolution (exigence de grande PdC)
Implication importante : la taille de pixel limitée par la diffraction augmente pour les capteurs plus grands (si les exigences de profondeur de champ restent identiques). Cette taille de pixel est celle où le disque d'Airy devient le facteur limitant de la résolution totale — pas la densité de pixels. Par ailleurs, la profondeur de champ limitée par la diffraction est constante pour toutes les tailles de capteur. Ce facteur est critique lors du choix d'un appareil pour votre usage, car plus de pixels n'apporte pas nécessairement plus de résolution (pour vos exigences de PdC). Pire, plus de pixels peut nuire en augmentant le bruit et en réduisant la plage dynamique (section suivante).
Taille des pixels : bruit et plage dynamique
Les capteurs plus grands ont généralement des pixels plus grands (pas toujours), ce qui leur donne le potentiel de produire moins de bruit et d'offrir une plus grande plage dynamique. La plage dynamique décrit l'étendue des tons qu'un capteur peut capturer entre le blanc pur et le noir où la texture se confond avec le bruit. Des pixels plus grands ont un volume plus grand — donc une plus grande capacité de photons — ce qui augmente généralement la plage dynamique.
Note : cavités représentées sans filtres couleur
De plus, des pixels plus grands reçoivent un flux de photons plus important pendant une exposition donnée (au même diaphragme), donc leur signal lumineux est plus fort. Pour un même bruit de fond, cela donne un meilleur rapport signal/bruit — et une photo plus lisse.
Pixels plus grands (avec capteur plus grand) Pixels plus petits (avec capteur plus petit)
Ce n'est pas systématique : le bruit de fond dépend aussi du procédé de fabrication et de l'efficacité de l'extraction de l'information tonale par pixel (sans ajouter de bruit). Mais la tendance générale tient. Autre aspect : même si deux capteurs ont le même bruit apparent à 100 %, celui qui a plus de pixels produira un tirage final plus propre. Car le bruit est moins agrandi (pour une taille de tirage donnée), donc sa fréquence est plus élevée et son grain plus fin.
Coût de production des capteurs numériques
Le coût d'un capteur augmente dramatiquement avec sa surface. Un capteur de surface double coûte plus du double — vous payez plus cher par unité de « surface de capteur » en augmentant la taille.
Plaquette de silicium (divisée en petits capteurs) Plaquette de silicium (divisée en grands capteurs)
On comprend cela en regardant la fabrication : chaque capteur est découpé dans une plaquette de silicium (wafer) contenant des milliers de puces. Chaque plaquette coûte très cher (milliers de dollars), donc moins de puces par plaquette = coût unitaire bien plus élevé. De plus, la probabilité d'un défaut irrécupérable (trop de pixels chauds, etc.) augmente avec la surface, donc le rendement de capteurs utilisables chute. En supposant que ces facteurs (puces par plaquette et rendement) dominent, le coût augmente proportionnellement au carré de la surface (capteur 2× plus grand = 4× plus cher). La réalité industrielle est plus complexe, mais cela donne une idée de l'envolée des coûts.
Cela ne signifie pas que certains formats resteront prohibitifs ; leurs prix peuvent baisser, mais le coût relatif du grand format restera significativement plus élevé (par unité de surface) que celui d'un format plus petit.
Autres considérations
Certains objectifs ne sont disponibles que pour certaines tailles de capteur (ou ne fonctionnent pas comme prévu autrement), ce qui peut influencer votre choix selon votre style. Notamment les objectifs à décentrement/bascule (tilt/shift), qui permettent d'augmenter (ou diminuer) la profondeur de champ apparente par la bascule, et de contrôler la perspective et réduire (ou éliminer) les lignes verticales convergentes par le décentrement (utile en architecture). Par ailleurs, les objectifs ultra-grand-angles lumineux (f/2,8 ou plus) sont moins courants pour les capteurs recadrés, ce qui peut être décisif pour le sport ou le photojournalisme.
Conclusions : détail global et facteurs en concurrence
La profondeur de champ est bien plus faible pour les grands capteurs, mais on peut utiliser des ouvertures plus petites avant d'atteindre la limite de diffraction (pour votre tirage et critère de netteté). Quelle option offre le plus de détail potentiel ? Les grands capteurs (et comptes de pixels correspondants) produisent indéniablement plus de détail si l'on peut sacrifier la profondeur de champ. En revanche, si l'on souhaite maintenir la même profondeur de champ, les grands capteurs n'ont pas nécessairement d'avantage en résolution. De plus, la profondeur de champ limitée par la diffraction est la même pour toutes les tailles de capteur. En d'autres termes, si l'on utilise la plus petite ouverture avant que la diffraction ne devienne significative, toutes les tailles de capteur produisent la même profondeur de champ — même si l'ouverture limitée par la diffraction diffère.
Notes techniques : Ce résultat suppose que la taille de pixel est comparable à celle du disque d'Airy limité par la diffraction pour chaque capteur, et que chaque objectif est de qualité comparable. La fonction de bascule (tilt) est bien plus courante sur les grands formats — permettant de modifier l'angle du plan focal et d'augmenter la PdC apparente.
Autre résultat important : si la profondeur de champ est le facteur limitant, le temps de pose requis augmente avec la taille du capteur pour la même sensibilité. Ce facteur est surtout pertinent en macro et en photo de nuit. Notez que même si des photos peuvent être faites à main levée sur un petit format, elles ne le pourront pas nécessairement sur un grand format.
D'un autre côté, les temps de pose n'augmentent pas forcément autant qu'on le pense, car les grands capteurs ont généralement moins de bruit (et peuvent donc monter en ISO tout en gardant un bruit perçu similaire).
Idéalement, les niveaux de bruit perçus (à taille de tirage donnée) diminuent généralement avec les capteurs plus grands (quelle que soit la taille des pixels).
Quelle que soit la taille des pixels, les grands capteurs ont inévitablement plus de surface de collecte de lumière. Théoriquement, un grand capteur à petits pixels aura encore moins de bruit apparent (pour un tirage donné) qu'un petit capteur à gros pixels (et donc bien moins de pixels au total). Car le bruit du capteur haute résolution est moins agrandi, même s'il semble plus bruité à 100 % à l'écran. On peut aussi moyenner des pixels adjacents du capteur haute résolution (réduisant le bruit aléatoire) tout en conservant la résolution du capteur à faible nombre de pixels. C'est pourquoi les images réduites pour le web et les petits tirages semblent si exemptes de bruit.
Notes techniques : On suppose que les différences d'efficacité des microlentilles et d'espacement des pixels sont négligeables. Si l'espacement doit rester constant (à cause des circuits de lecture sur la puce), des densités de pixels plus élevées réduisent la surface de collecte sauf si les microlentilles compensent. On ignore aussi l'impact du bruit de motif fixe ou de courant d'obscurité, qui peut varier selon le modèle et les circuits de lecture.
En résumé : les grands capteurs offrent généralement plus de contrôle et de flexibilité artistique, mais au prix d'objectifs plus gros et d'équipements plus chers. Cette flexibilité permet de créer une profondeur de champ plus faible qu'avec un petit capteur (si souhaité), mais aussi d'atteindre une profondeur de champ comparable à un petit capteur en utilisant un ISO plus élevé et une ouverture plus petite (ou un trépied).