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Quelle est la différence entre CMOS, BSI CMOS et Stacked CMOS ?

Quelle est la différence entre CMOS, BSI CMOS et Stacked CMOS ?

Le cœur d’un appareil photo numérique est son capteur d’image, et à l’ère numérique, nous avons vu évoluer différents types de technologies de capteurs. La plupart des options actuelles utilisent une version de la technologie Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS). Ces puces CMOS présentent de réels avantages par rapport aux capteurs CCD (Charged Coupled Device) courants aux débuts de la photographie numérique, notamment une efficacité énergétique et un contrôle de la chaleur améliorés. Ces améliorations ont ouvert la voie à la vidéo 4K (et au-delà) dans les caméras à objectif interchangeable.

Mais il existe plus d’un type de capteur CMOS. Et si vous magasinez pour un nouveau caméra sans miroir, vous pourriez être submergé par différentes architectures et ne pas savoir pourquoi les caméras CMOS empilées coûtent tellement plus cher que les modèles de base. Lisez la suite pour un aperçu de la différence entre les différentes saveurs de CMOS.


Différences architecturales

Pour la plupart, les capteurs numériques sont construits autour d’un concept similaire, même s’il existe des différences dans la construction de la puce. L’imageur comporte des photosites sensibles à la lumière et un filtre avec des motifs répétitifs de carrés rouges, verts et bleus ajoutant de la couleur. La plupart des capteurs utilisent un réseau de filtres de couleur 4 par 4 (CFA) appelé Bayer CFA (du nom de son créateur), mais certains modèles Fujifilm utilisent un X-Trans CFA 6 par 6 plus complexe.

Le Bayer CFA (à gauche) a un simple motif répétitif de quatre par quatre, tandis que le Fujifilm X-Trans (à droite) utilise une grille de six par six pour capturer des photos en couleur (Illustration : Bob Al-Greene)

Vous pouvez également rencontrer des capteurs Quad Bayer, un type courant dans téléphones intelligents avec un grand nombre de pixels, ainsi que caméras d’action et drones. Ces capteurs contiennent un nombre élevé de pixels – 48MP est un chiffre courant – mais produisent des images de résolution inférieure via une technique appelée pixel binning. C’est une fonctionnalité qui fait également son chemin dans les capteurs d’appareil photo à objectif interchangeable (ILC) de manière légèrement différente. Le prix du luxe Leica M11par exemple, s’appuie sur le regroupement de pixels pour prendre des photos à des résolutions de 60MP, 36MP ou 18MP.

Illustration montrant les effets du regroupement de pixels Quad Bayer

Pixel Binning combine des pixels Quad Bayer plus petits en groupes plus grands (Illustration : Bob Al-Greene)

Les puces CMOS diffèrent des CCD de la génération précédente de plusieurs manières importantes. Par exemple, les puces CMOS lisent les données pixel par pixel dans ce qu’on appelle un obturateur électronique roulant, au lieu de tout à la fois comme un CCD. Mais il y a des avantages techniques qui ont poussé l’industrie de la photo à s’éloigner du CCD : les puces CMOS intègrent leur convertisseur analogique-numérique (ADC) au lieu de le mettre à part comme une unité séparée. Les puces consomment également moins d’énergie et génèrent moins de chaleur que les CCD, ce qui est bon à la fois pour la qualité d’image en basse lumière et la durée de vie de la batterie.

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CMOS, CMOS BSI et CMOS empilé

Il existe trois principaux types de capteurs CMOS. La conception CMOS de base perdure aujourd’hui dans les caméras d’entrée de gamme et de milieu de gamme, des modèles qui bénéficient des dernières fonctionnalités quelques générations après leur apparition dans les modèles haut de gamme.

La conception améliorée, Backside Illuminated (BSI) CMOS, est similaire dans son concept au CMOS ordinaire, mais ces puces organisent les composants différemment. Bref, les photosites sont plus en avant sur le die et la vitesse de lecture ligne par ligne est plus rapide. Ce changement offre des avantages pratiques : d’une manière générale, un CMOS BSI est meilleur autour d’un f-stop en ce qui concerne le bruit de l’image. Cela signifie qu’un CMOS BSI affiche autant de bruit à ISO 12800 qu’une puce CMOS similaire à ISO 6400. Cela signifie également que les caméras APS-C et Micro Four Thirds avec puces BSI jouent sur un pied d’égalité avec les caméras CMOS plein format. Ce ne sont pas des règles strictes, mais ce sont de bonnes directives à suivre.

Illustration montrant la différence entre les capteurs CMOS, BSI CMOS et Stacked CMOS

Ce diagramme montre les différences architecturales entre les capteurs CMOS, BSI CMOS et Stacked CMOS (Illustration : Bob Al-Greene)

La vitesse de lecture plus rapide rend possible un obturateur entièrement électronique pour les modèles BSI CMOS, et permet une réponse de mise au point automatique plus rapide pour des taux de rafale plus élevés avec mise au point automatique. La Fujifilm X-T3 a été le premier appareil photo grand public à tirer pleinement parti de ces fonctionnalités. Il a fait ses débuts avec une mise au point à 20 ips avec un obturateur entièrement électronique en 2018. Vous devez toujours utiliser un obturateur mécanique pour figer de manière fiable les sujets en mouvement avec la plupart des appareils photo CMOS BSI, mais l’obturateur électronique silencieux est pratique pour les portraits et autres sujets fixes.

Les puces CMOS empilées poussent le concept BSI CMOS un peu plus loin. Ils placent les composants dans un arrangement similaire, mais la conception empile également le processeur de signal d’image et sa mémoire DRAM ultra-rapide dans le même silicium. Cela rend les vitesses de lecture encore plus rapides. Le premier appareil photo CMOS empilé grand public, le Sony a9 de 2019, a fait des vagues en offrant une expérience photographique sans interruption – vous pouvez l’utiliser pour tirer des photos à 20 ips sans perdre de vue votre scène.

Appareil photo Nikon Z9

Le capteur CMOS empilé du Nikon Z 9 lit assez rapidement pour éliminer le besoin d’un obturateur mécanique, un véritable exploit pour un appareil photo conçu pour figer les sujets en mouvement sur place (Photo : Jim Fisher)

Parce que la technologie rend ce type de photographie possible, les puces CMOS empilées sont devenues la norme de facto pour les professionnels ILC haut de gamme utilisés pour photographier depuis les coulisses ou une salle de presse. Nous avons vu certains appareils photo atteindre 30 ips (le Sony a1), et le Nikon Z 9 gère des photos de 11 MP à 120 ips en raison de sa puce empilée et de ses deux processeurs. La puissance de lecture et de traitement ultra-rapide permet également une meilleure mise au point automatique. Les puces empilées dépassent désormais les capteurs CMOS BSI en termes de vitesse de mise au point, de précision et de reconnaissance du sujet. Tout cela fonctionne ensemble pour garantir que les caméras empilées ne prennent pas simplement un tas de photos d’affilée ; ils prennent un tas de au point photos à la suite.

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En résumé, les puces CMOS sont les options de base courantes pour les appareils photo numériques d’aujourd’hui. Passer à un modèle avec un capteur CMOS BSI augmente la vitesse de lecture et améliore l’imagerie en basse lumière. Enfin, les puces CMOS empilées poussent encore plus loin l’enveloppe de vitesse et gardent votre sujet parfaitement visible pendant que l’appareil photo crée une image.


Caméras CCD, Foveon, monochromes et à spectre complet

Nous avons évoqué les capteurs CCD plus tôt. Ces puces étaient la norme pour les caméras grand public dans les années 2000, mais ont cédé la place au CMOS ces dernières années. Le premier a toujours des partisans mais, à part les compacts très bas de gamme, vous ne voyez pas le capteur dans les modèles grand public modernes.

Garage photographié avec une caméra à capteur Foveon

Le Sigma DP2 Merrill utilisé pour prendre cette photo capture les couleurs avec un capteur Foveon à trois couches, une approche différente de celle des caméras Bayer (Photo : Jim Fisher)

Foveon est un autre type de capteur que les caméras Sigma X3, Merrill et Quattro utilisent exclusivement. Les puces Foveon enregistrent la couleur différemment via un trio de couches sensibles à la lumière au lieu d’un réseau de filtres de couleur. Sur le plan positif, ces caméras n’ont pas besoin d’interpoler pour remplir la couleur manquante, ce qui signifie qu’elles peuvent capturer beaucoup plus de détails qu’un capteur Bayer à nombre de pixels similaire. Mais il y a aussi des inconvénients : les applications de traitement brut ne prennent pas en charge les fichiers de nombreux appareils photo Foveon et les photos affichent un bruit très important à des ISO modérés. Il n’y a qu’un seul modèle Foveon sur le marché aujourd’hui, le Sigma dp Quattro. Nous avons manqué de revoir l’appareil photo, mais nous avons regardé le désormais abandonné Quattro Hun modèle sœur qui correspond à la plupart de ses fonctionnalités, mais utilise un capteur Foveon un peu plus grand que l’APS-C.

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Les caméras monochromes sont une autre variante. Leica propose quelques options spécialisées qui abandonnent le réseau de filtres couleur et capturent exclusivement des images en noir et blanc. La M10 monochrome et Q2 Monochrome sont atrocement chers, mais les spécialistes monochromes peuvent trouver qu’ils en valent le coût. Ces caméras présentent un avantage dans le détail, tout comme les puces Foveon, mais sont supérieures aux options de couleur à des ISO élevés – la suppression du filtre Bayer double à peu près la quantité de lumière qui atteint le capteur.

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Vous ne trouverez pas de caméras infrarouges à spectre complet en vente dans votre magasin à grande surface local, mais elles existent. Les caméras grand public ont un filtre sur le capteur pour couper la lumière invisible. Mais des entreprises telles que Vision des collisions(Ouvre dans une nouvelle fenêtre) et MaxMax(Ouvre dans une nouvelle fenêtre) peut supprimer ce filtre ou vous vendre une caméra pré-convertie qui peut voir les longueurs d’onde infrarouges et ultraviolettes. Les spécialistes du paysage adorent utiliser ces capteurs pour prendre des scènes surréalistes et extraterrestres ici même sur Terre.

Photo infrarouge d'un arbre

Les caméras converties pour l’imagerie infrarouge, ultraviolette ou à spectre complet capturent des longueurs d’onde de lumière que vos yeux ne peuvent pas voir (Photo : Getty / Justin Reznick Photography)

Pour l’avenir, le Semiconductor Solutions Group de Sony (une unité distincte de sa division caméras) développe une CMOS empilé de nouvelle génération(Ouvre dans une nouvelle fenêtre) puce qui repositionne les transistors intégrés et promet une meilleure plage dynamique et un bruit ISO inférieur à ce qui est possible avec les modèles de la génération actuelle. L’annonce du développement est intervenue fin 2021, mais nous prévoyons d’attendre quelques années avant que cette technologie n’apparaisse dans un appareil photo que les simples mortels peuvent acheter.

Panasonic a également un nouveau type de capteur en cours de développement. Annoncée en 2018, la société travaille sur ce qu’elle appelle un capteur organique, qui utilise un Film photoconducteur organique(Ouvre dans une nouvelle fenêtre) (OPF) au lieu de pixels individuels pour recueillir la lumière.


Choisir la bonne caméra

Maintenant que vous en savez plus sur les capteurs, il est temps de vous procurer un appareil photo. Si vous recherchez un modèle d’objectif interchangeable, consultez nos choix pour le meilleur sans miroir et meilleurs appareils photo plein formatou lisez nos informations plus générales guide d’achat si vous n’êtes pas sûr du type d’appareil photo que vous devriez acheter.

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