TAILLES DE CAPTEUR D'APPAREIL PHOTO NUMÉRIQUE

Cet article vise à répondre à la question :comment la taille du capteur de votre appareil photo numérique influence-t-elle différents types de photographie ? Votre choix de taille de capteur est analogue au choix entre des appareils photo argentiques 35 mm, moyen format et grand format - avec quelques différences notables propres à la technologie numérique. Une grande confusion survient souvent à ce sujet car il existe à la fois de nombreuses options de taille différentes et de nombreux compromis liés à la profondeur de champ, au bruit de l'image, à la diffraction, au coût et à la taille/poids.

Vous trouverez des informations de base sur ce sujet dans le didacticiel sur les capteurs d'appareils photo numériques.

VUE D'ENSEMBLE DES TAILLES DE CAPTEUR

Les tailles de capteur offrent actuellement de nombreuses possibilités, en fonction de leur utilisation, de leur prix et de la portabilité souhaitée. La taille relative de bon nombre d'entre eux est indiquée ci-dessous :

Les séries 1Ds/5D et Nikon D3 de Canon sont les capteurs plein format les plus courants. Les appareils photo Canon tels que le Rebel/60D/7D ont tous un facteur de recadrage de 1,6X, tandis que les appareils photo reflex Nikon grand public ont un facteur de recadrage de 1,5X. Le graphique ci-dessus exclut le facteur de recadrage 1,3X, qui est utilisé dans les appareils photo de la série 1D de Canon.

Les téléphones avec appareil photo et autres appareils photo compacts utilisent des tailles de capteur comprises entre ~1/4" et 2/3". Olympus, Fuji et Kodak se sont tous associés pour créer un système 4/3 standard, qui a un facteur de recadrage 2X par rapport au film 35 mm. Il existe des capteurs de format moyen et plus grands, mais ceux-ci sont beaucoup moins courants et actuellement d'un coût prohibitif. Celles-ci ne seront donc pas abordées spécifiquement ici, mais les mêmes principes s'appliquent toujours.

FACTEUR DE CULTURE ET MULTIPLICATEUR DE LONGUEUR FOCALE

Le facteur de recadrage correspond à la taille diagonale du capteur par rapport à un capteur plein format de 35 mm . On l'appelle ainsi parce qu'en utilisant un objectif de 35 mm, un tel capteur recadre efficacement cette grande partie de l'image à l'extérieur (en raison de sa taille limitée).

Angle de vue plein format 35 mm

On pourrait d'abord penser que jeter des informations d'image n'est jamais idéal, mais cela a ses avantages. Presque tous les objectifs sont les plus nets en leur centre, tandis que la qualité se dégrade progressivement vers les bords. Cela signifie qu'un capteur recadré supprime efficacement les parties de qualité inférieure de l'image , ce qui est très utile lors de l'utilisation d'objectifs de faible qualité (car ceux-ci ont généralement la pire qualité de bord).

Photo non recadrée Recadrage central Recadrage d'angle

D'un autre côté, cela signifie également que l'on porte un objectif beaucoup plus grand que nécessaire - un facteur particulièrement pertinent pour ceux qui transportent leur appareil photo pendant de longues périodes (voir la section ci-dessous). Idéalement, on utiliserait presque toute la lumière de l'image transmise par l'objectif, et cet objectif serait d'une qualité suffisamment élevée pour que son changement de netteté soit négligeable vers ses bords.

De plus, les performances optiques des objectifs grand angle sont rarement aussi bonnes que celles des focales plus longues . Étant donné qu'un capteur recadré est obligé d'utiliser un objectif à angle plus large pour produire le même angle de vue qu'un capteur plus grand, cela peut dégrader la qualité. Les capteurs plus petits agrandissent également davantage la région centrale de l'objectif, de sorte que sa limite de résolution est susceptible d'être plus apparente pour les objectifs de qualité inférieure. Consultez le didacticiel sur la qualité de l'objectif de l'appareil photo pour en savoir plus à ce sujet.

De même, le multiplicateur de distance focale relie la distance focale d'un objectif utilisé sur un format plus petit à un objectif de 35 mm produisant un angle de champ équivalent , et est égal au facteur de recadrage. Cela signifie qu'un objectif de 50 mm utilisé sur un capteur avec un facteur de recadrage de 1,6X produirait le même champ de vision qu'un objectif de 1,6 x 50 =80 mm sur un capteur plein format de 35 mm.

Soyez averti que ces deux termes peuvent être quelque peu trompeurs. La distance focale de l'objectif ne change pas simplement parce qu'un objectif est utilisé sur un capteur de taille différente - juste son angle de vue. Un objectif de 50 mm est toujours un objectif de 50 mm, quel que soit le type de capteur. Dans le même temps, le "facteur de recadrage" peut ne pas être approprié pour décrire de très petits capteurs car l'image n'est pas nécessairement rognée (lors de l'utilisation d'objectifs conçus pour ce capteur).

CONSIDÉRATIONS SUR LA TAILLE ET LE POIDS DE L'OBJECTIF

Les capteurs plus petits nécessitent des lentilles plus légères (pour un angle de vue, une plage de zoom, une qualité de construction et une plage d'ouverture équivalents). Cette différence peut être critique pour la photographie animalière, de randonnée et de voyage, car tous ces éléments utilisent souvent des objectifs plus lourds ou nécessitent de transporter du matériel pendant de longues périodes. Le tableau ci-dessous illustre cette tendance pour une sélection de téléobjectifs Canon typiques de la photographie sportive et animalière :

Cela implique que si l'on exige que le sujet occupe la même fraction de l'image sur un appareil photo 35 mm qu'avec un objectif 200 mm f/2,8 sur un appareil photo avec un facteur de recadrage de 1,5X (nécessitant un objectif 300 mm f/2,8 lentille), il faudrait porter 3,5 fois plus de poids ! Cela ignore également la différence de taille entre les deux, qui peut être importante si l'on ne veut pas attirer l'attention en public. De plus, les lentilles plus lourdes coûtent généralement beaucoup plus cher.

Pour les appareils photo reflex, des tailles de capteur plus grandes donnent des images de viseur plus grandes et plus claires, ce qui peut être particulièrement utile lors de la mise au point manuelle. Cependant, ceux-ci seront également plus lourds et coûteront plus cher car ils nécessitent un prisme / pentamiroir plus grand pour transmettre la lumière de l'objectif dans le viseur et vers votre œil.

EXIGENCES DE PROFONDEUR DE CHAMP

À mesure que la taille du capteur augmente, la profondeur de champ diminue pour une ouverture donnée (lorsque vous remplissez le cadre avec un sujet de même taille et à distance). En effet, les capteurs plus grands nécessitent un rapprochement de leur sujet ou l'utilisation d'une distance focale plus longue afin de remplir le cadre avec ce sujet. Cela signifie qu'il faut utiliser des tailles d'ouverture progressivement plus petites afin de maintenir la même profondeur de champ sur des capteurs plus grands. Le calculateur suivant prédit l'ouverture et la distance focale requises pour obtenir la même profondeur de champ (tout en conservant la perspective).

*Si la même perspective est souhaitée.

A titre d'exemple de calcul, si l'on voulait reproduire la même perspective et profondeur de champ sur un capteur plein format que celle obtenue avec un objectif 10 mm à f/11 sur un appareil photo avec un facteur de recadrage de 1,6X, il faudrait utiliser un Objectif 16 mm et une ouverture d'environ f/18. Alternativement, si l'on utilisait un objectif 50 mm f/1.4 sur un capteur plein format, cela produirait une profondeur de champ si faible qu'il faudrait une ouverture de 0,9 sur un appareil photo avec un facteur de recadrage de 1,6X - impossible avec des objectifs grand public !

Portrait
(DOF peu profond) Paysage
(grande profondeur de champ)

Une profondeur de champ plus faible peut être souhaitable pour les portraits car elle améliore le flou d'arrière-plan, tandis qu'une plus grande profondeur de champ est souhaitable pour la photographie de paysage. C'est pourquoi les appareils photo compacts ont du mal à produire un flou d'arrière-plan important dans les portraits, tandis que les appareils photo grand format ont du mal à produire une profondeur de champ adéquate dans les paysages.

Notez que le calculateur ci-dessus suppose que vous avez un objectif sur le nouveau capteur (#2) qui peut reproduire le même angle de vue que sur le capteur d'origine (#1). Si vous utilisez plutôt le même objectif, les exigences d'ouverture restent les mêmes (mais vous devrez vous rapprocher de votre sujet). Cette option, cependant, change également la perspective.

INFLUENCE DE LA DIFFRACTION

Les tailles de capteur plus grandes peuvent utiliser des ouvertures plus petites avant que le disque aéré de diffraction ne devienne plus grand que le cercle de confusion (déterminé par la taille d'impression et les critères de netteté). Cela est principalement dû au fait que les capteurs plus grands n'ont pas besoin d'être agrandis autant pour obtenir la même taille d'impression. Par exemple :on pourrait théoriquement utiliser un capteur numérique aussi grand que 8 x 10 pouces, et ainsi son image n'aurait pas du tout besoin d'être agrandie pour une impression de 8 x 10 pouces, alors qu'un capteur de 35 mm nécessiterait un agrandissement important.

Utilisez la calculatrice suivante pour estimer le moment où la diffraction commence à réduire la netteté. Notez que cela ne montre que le moment où la diffraction sera visible lorsqu'elle sera visualisée à l'écran à 100 % - si cela sera apparent dans l'impression finale dépend également de la distance de visualisation et de la taille de l'impression. Pour le calculer également, veuillez consulter :limites de diffraction et photographie.

Gardez à l'esprit que le début de la diffraction est progressif, de sorte que les ouvertures légèrement plus grandes ou plus petites que la limite de diffraction ci-dessus ne seront pas soudainement meilleures ou pires, respectivement. De plus, ce qui précède n'est qu'une limite théorique; les résultats réels dépendront également des caractéristiques de l'objectif. Les diagrammes suivants montrent la taille du disque aéré (capacité de résolution maximale théorique) pour deux ouvertures par rapport à une grille représentant la taille des pixels :

Résolution des limites de densité de pixels
(Exigence DOF peu profond) Résolution des limites de disque aéré
(Exigence DOF profond)

Une implication importante des résultats ci-dessus est que la taille de pixel limitée par la diffraction augmente pour les capteurs plus grands (si les exigences de profondeur de champ restent les mêmes). Cette taille de pixel fait référence au moment où la taille du disque aéré devient le facteur limitant de la résolution totale - et non la densité de pixels. De plus, la profondeur de champ limitée par la diffraction est constante pour toutes les tailles de capteur. Ce facteur peut être critique lors du choix d'un nouvel appareil photo pour l'utilisation que vous souhaitez en faire, car plus de pixels ne fournissent pas nécessairement plus de résolution (pour vos exigences de profondeur de champ). En fait, plus de pixels pourraient même nuire à la qualité de l'image en augmentant le bruit et en réduisant la plage dynamique (section suivante).

TAILLE DE PIXEL :NIVEAUX DE BRUIT ET PLAGE DYNAMIQUE

Les capteurs plus grands ont généralement aussi des pixels plus grands (bien que ce ne soit pas toujours le cas), ce qui leur donne le potentiel de produire un bruit d'image plus faible et d'avoir une plage dynamique plus élevée. La plage dynamique décrit la gamme de tons qu'un capteur peut capturer ci-dessous lorsqu'un pixel devient complètement blanc, mais encore au-dessus lorsque la texture est indiscernable du bruit de fond (presque noir). Étant donné que les pixels plus grands ont un plus grand volume - et donc une plus grande plage de capacité de photons - ceux-ci ont généralement une plage dynamique plus élevée.

Remarque :cavités représentées sans filtres de couleur présents

De plus, les pixels plus grands reçoivent un plus grand flux de photons pendant un temps d'exposition donné (au même f-stop), donc leur signal lumineux est beaucoup plus fort. Pour une quantité donnée de bruit de fond, cela produit un rapport signal sur bruit plus élevé, et donc une photo plus lisse.

Des pixels plus grands
(avec un capteur plus grand) Petits pixels
(avec un capteur plus petit)

Ce n'est cependant pas toujours le cas, car la quantité de bruit de fond dépend également du processus de fabrication du capteur et de l'efficacité avec laquelle la caméra extrait les informations tonales de chaque pixel (sans introduire de bruit supplémentaire). En général cependant, la tendance ci-dessus se vérifie. Un autre aspect à considérer est que même si deux capteurs ont le même bruit apparent lorsqu'ils sont visualisés à 100 %, le capteur avec le nombre de pixels le plus élevé produira une impression finale plus propre . En effet, le bruit s'agrandit moins pour le capteur à nombre de pixels plus élevé (pour une taille d'impression donnée), donc ce bruit a une fréquence plus élevée et apparaît donc plus fin.

COÛT DE PRODUCTION DE CAPTEURS NUMÉRIQUES

Le coût d'un capteur numérique augmente considérablement à mesure que sa surface augmente. Cela signifie qu'un capteur avec deux fois la surface coûtera plus de deux fois plus cher, donc vous payez effectivement plus par unité "d'immobilier de capteur" lorsque vous passez à des tailles plus grandes.

Silicon Wafer
(divisé en petits capteurs) Silicon Wafer
(divisé en grands capteurs)

On peut comprendre cela en regardant comment les fabricants fabriquent leurs capteurs numériques. Chaque capteur est découpé dans une plus grande feuille de matériau en silicium appelée plaquette, qui peut contenir des milliers de puces individuelles. Chaque plaquette est extrêmement chère (des milliers de dollars), donc moins de puces par plaquette entraîne un coût par puce beaucoup plus élevé. De plus, le risque qu'un défaut irréparable (trop de pixels chauds ou autre) se retrouve dans un capteur donné augmente avec la surface du capteur, donc le pourcentage de capteurs utilisables diminue avec l'augmentation de la surface du capteur (rendement par plaquette). En supposant que ces facteurs (puces par plaquette et rendement) sont les plus importants, les coûts augmentent proportionnellement au carré de la surface du capteur (un capteur 2 fois plus gros coûte 4 fois plus). La fabrication dans le monde réel a une relation plus compliquée entre la taille et le coût, mais cela vous donne une idée des coûts qui montent en flèche.

Cela ne veut pas dire cependant que certains capteurs dimensionnés seront toujours d'un coût prohibitif ; leur prix peut éventuellement baisser, mais le coût relatif d'un capteur plus grand restera probablement beaucoup plus cher (par unité de surface) par rapport à une taille plus petite.

AUTRES CONSIDÉRATIONS

Certains objectifs ne sont disponibles que pour certaines tailles de capteur (ou peut ne pas fonctionner comme prévu autrement), ce qui pourrait également être une considération si cela aide votre style de photographie. Un type notable est les objectifs d'inclinaison / décalage, qui permettent d'augmenter (ou de diminuer) la profondeur de champ apparente à l'aide de la fonction d'inclinaison. Les objectifs à bascule/décalage peuvent également utiliser le décalage pour contrôler la perspective et réduire (ou éliminer) les lignes verticales convergentes causées par la visée de l'appareil photo au-dessus ou au-dessous de l'horizon (utile en photographie d'architecture). De plus, objectifs ultra grand angle rapides (f/2,8 ou plus) ne sont pas aussi courants pour les capteurs recadrés, ce qui peut être un facteur décisif si nécessaire dans le sport ou le photojournalisme.

CONCLUSIONS :DÉTAILS GÉNÉRAUX DE L'IMAGE ET FACTEURS CONCURRENTS

La profondeur de champ est beaucoup moins profonde pour les capteurs de plus grand format, mais vous pouvez également utiliser une ouverture plus petite avant d'atteindre la limite de diffraction (pour la taille d'impression et les critères de netteté que vous avez choisis). Alors, quelle option a le potentiel de produire la photo la plus détaillée ? Des capteurs plus grands (et un nombre de pixels plus élevé en conséquence) produisent sans aucun doute plus de détails si vous pouvez vous permettre de sacrifier la profondeur de champ. D'autre part, si vous souhaitez conserver la même profondeur de champ, des tailles de capteur plus grandes n'ont pas nécessairement un avantage en termes de 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 devait utiliser la plus petite ouverture avant que la diffraction ne devienne significative, toutes les tailles de capteur produiraient la même profondeur de champ, même si l'ouverture limitée par la diffraction sera différente.

Notes techniques :Ce résultat suppose que votre taille de pixel est comparable à la taille du disque aéré à diffraction limitée pour chaque capteur en question, et que chaque objectif est de qualité comparable. De plus, la fonction d'inclinaison de l'objectif est beaucoup plus courante dans les appareils photo de plus grand format, ce qui permet de modifier l'angle du plan focal et donc d'augmenter le apparent DoF.

Un autre résultat important est que si la profondeur de champ est le facteur limitant, le temps d'exposition requis augmente avec la taille du capteur pour la même sensibilité. Ce facteur est probablement le plus pertinent pour la photographie macro et de paysage nocturne. Notez que même si les photos peuvent être prises à main levée dans un format plus petit, ces mêmes photos ne peuvent pas nécessairement être prises à main levée dans un format plus grand.

D'un autre côté, les temps d'exposition n'augmentent pas nécessairement autant qu'on pourrait le supposer au départ, car les capteurs plus grands ont généralement un bruit plus faible (et peuvent donc se permettre d'utiliser un réglage ISO de sensibilité plus élevée tout en conservant un bruit perçu similaire).

Idéalement, les niveaux de bruit perçus (à une taille d'impression donnée) diminuent généralement avec des capteurs d'appareil photo numérique plus grands (quelle que soit la taille des pixels) .

Quelle que soit la taille des pixels, les capteurs plus grands ont inévitablement plus de zone de collecte de lumière. Théoriquement, un capteur plus grand avec des pixels plus petits aura toujours un bruit apparent plus faible (pour une taille d'impression donnée) qu'un capteur plus petit avec des pixels plus grands (et un nombre total de pixels beaucoup plus faible). En effet, le bruit de la caméra à haute résolution est moins agrandi, même s'il peut sembler plus bruyant à 100 % sur l'écran de votre ordinateur. En variante, on pourrait concevoir la moyenne des pixels adjacents dans le capteur à nombre de pixels supérieur (réduisant ainsi le bruit aléatoire) tout en obtenant toujours la résolution du capteur à nombre de pixels inférieur. C'est pourquoi les images réduites pour le Web et les petits tirages semblent si silencieux.

Notes techniques :Tout cela suppose que les différences d'efficacité des microlentilles et d'espacement des pixels sont négligeables. Si l'espacement des pixels doit rester constant (en raison de la lecture et d'autres circuits sur la puce), des densités de pixels plus élevées entraîneront une zone de collecte de lumière inférieure à moins que les microlentilles ne puissent compenser cette perte. De plus, cela ignore l'impact du motif fixe ou du bruit de courant d'obscurité, qui peut varier considérablement selon le modèle de caméra et les circuits de lecture.

Dans l'ensemble :les capteurs plus grands offrent généralement plus de contrôle et une plus grande flexibilité artistique, mais au prix d'objectifs plus grands et d'un équipement plus coûteux . Cette flexibilité permet de créer une profondeur de champ plus faible que possible avec un capteur plus petit (si vous le souhaitez), tout en obtenant une profondeur de champ comparable à un capteur plus petit en utilisant une vitesse ISO plus élevée et une ouverture plus petite (ou lors de l'utilisation d'un trépied ).