Les principales différences entre les capteurs CMOS vs CCD.
Quelle est la partie la plus importante d’un appareil photo ? Les mégapixels ? Absolument pas ! Le cœur de chaque appareil photo est le capteur ! Il s’agit d’une puce qui convertit les signaux électriques par un processus très précis et les transforme en informations numériques.
Il existe différents types de capteurs, dont le CCD (Charge – Coupled Device) et le CMOS (“Complementary Metal – Oxide – Semiconductor”), mais quelles sont les principales différences ? Quel est le meilleur capteur ?
Les deux capteurs mentionnés ci-dessus ont un élément de base, l’élément photosensible qui, lorsqu’il est frappé par la lumière, génère une charge électrique ; c’est ce qu’on appelle une “photodiode”. Dans le cas du premier capteur, le CCD, le signal électrique est transféré en quelques signaux de sortie, puis converti en tension et enfin en signal analogique. Toutes les photodiodes du capteur sont dédiées à la lecture de la lumière et à l’uniformité du signal généré. En revanche, dans le capteur CMOS, chaque photodiode est suivie d’un convertisseur qui convertit la lumière en tension, en utilisant également des amplificateurs de signal, des réducteurs de bruit et des circuits de numérisation, transformant le signal final en format numérique.
Chaque photodiode effectue sa propre conversion en un signal numérique et l’uniformité du signal est moindre que celle du capteur CCD.
Résumons donc les forces et les faiblesses des deux capteurs :
- Le capteur CCD : Il crée une image de haute qualité avec peu de bruit mais consomme beaucoup d’énergie.
- Les capteurs CMOS ont une qualité moindre, sont plus sensibles aux défauts du “bruit numérique” mais sont beaucoup moins chers, bien que plus complexes à fabriquer.
En fin de compte, les deux capteurs peuvent toujours offrir une excellente qualité d’image, mais disons que les capteurs CCD sont actuellement utilisés davantage pour des performances scientifiques ou industrielles où la plus haute qualité de l’image finale est nécessairement requise.
| Caractéristiques | CCD | CMOS |
| Output de photodiode | Charge électrique | Voltage |
| Output de puce | Voltage (analogique) | Bit (numérique) |
| Output de l’appareil photo | Bit (numérique) | Bit (numérique) |
| Présence de bruit | Basse | Modérée |
| Complexité du capteur | Basse | Haute |
| Gamme dynamique | Large | Modérée |
| Uniformité | Haute | De basse à modérée |
| Vitesse des rafales | De modérée à haute | Haute |
| Précision des couleurs | Haute | Moyenne |
Les capteurs CMOS sont beaucoup plus simples à intégrer, ils ont plus de fonctions dans leur puce avec moins de dissipation d’énergie. En outre, ils peuvent être très petits, c’est pourquoi on les trouve aussi depuis peu dans les appareils photo des smartphones modernes.
Il y a quelques années encore, il y avait une nette différence entre les deux capteurs, surtout en photographie. Récemment, les ingénieurs ont fabriqué des capteurs CMOS très avancés sur le plan technologique, et le monde des reflex numériques utilise ces types de capteurs, principalement parce qu’ils sont peu coûteux.
Les problématiques
Les premiers défauts peuvent apparaître en cas de faible luminosité, lorsque les variations de l’amplificateur deviennent nécessaires. Les capteurs CCD ont une réponse des pixels beaucoup plus uniforme que les capteurs CMOS, et dans le cas des capteurs CCD, l’information de toutes les photodiodes est amplifiée de manière homogène, ce qui produit une variation plus faible des valeurs des pixels avec un résultat plus appréciable.
Veuillez noter que de mauvaises conditions d’éclairage entraînent également une augmentation du niveau de bruit.
Les amplificateurs “mono-pixel” des capteurs CMOS peuvent amplifier le signal d’un seul pixel et non d’un capteur entier, ce qui permet à l’amplificateur d’acquérir plus de tension avant que le bruit numérique ne commence à devenir visuellement intolérable. C’est pourquoi les capteurs CMOS ont une sensibilité ISO plus élevée que les capteurs CCD, au détriment de la précision des couleurs, qui est plus élevée pour ces derniers.
En revanche, les capteurs CCD ont une plus grande surface photosensible et, par conséquent, chaque pixel capte plus de lumière et finit par générer une charge électrique plus importante.
Pixel Binning
Il s’agit d’une technologie que le capteur CCD peut utiliser et qui permet de regrouper les données de 4 pixels voisins afin d’amplifier et de multiplier la sensibilité du capteur tout en réduisant la résolution. Le Pixel Binning a été étudié par Phase One qui a breveté la technologie Sensor+, utilisée sur les capteurs des appareils photo Phase One P40+ et P65+.
La frame rate
Souvent sous-estimée en photographie, la fréquence d’images est une variable très importante entre ces deux capteurs et n’est rien d’autre que la propriété de réaliser des prises de vue en rafale.
Pour les capteurs CCD, c’est la vitesse à laquelle les données sont transportées à partir des pixels individuels qui fixe la limite supérieure de la fréquence d’images. En effet, un capteur CCD doit transférer les données de tous les pixels pour vider ses registres de transmission avant de pouvoir accueillir l’image suivante. Si chaque pixel transmet à la même vitesse, la transmission d’une image plus grande prendra plus de temps et la fréquence d’images sera donc plus faible.
Ce n’est pas le cas avec les capteurs CMOS, puisque chaque pixel possède son propre convertisseur de tension, l’amplificateur de pixel n’a pas besoin d’être super rapide pour supporter une fréquence d’images élevée.
En ce qui concerne le frame rate, ce sont donc les capteurs CMOS qui l’emportent.
Différences au niveau de l’obturateur
Tant qu’un capteur CCD est touché par la lumière, il continue d’accumuler des charges électriques, ce qui a pour conséquence de rendre l’image finale floue si la scène est en mouvement. Ce problème a été “partiellement résolu” sur les capteurs CCD en créant des canaux de transfert qui masquent la lumière entrante. Cette structure transfère l’ensemble de l’image vers les canaux masqués, arrête la lumière et envoie les données hors du capteur sans qu’aucune charge électrique supplémentaire ne soit accumulée. Il faut toutefois préciser que ce type de structure, appelé ILT, réduit la surface photosensible des pixels et de l’ensemble du capteur.
Dans le cas des capteurs CMOS, l’obturation électronique se produit grâce à l’utilisation du transistor dans chaque pixel qui contrôle la connexion entre la photodiode et l’accumulateur de charge. Afin d’essayer de maximiser la surface photosensible, les capteurs modernes utilisent une structure avec 3 transistors par pixel, ce qui est appelé “rolling shutter” et affecte l’exposition d’une ligne de pixel à la fois.
Pour obtenir l’obturateur électronique qui fournit une exposition arbitraire, il faut une structure de 5 transistors par pixel, mais cela entraîne une perte de la surface photosensible. Des microlentilles sont utilisées (comme dans le cas des capteurs CCD) pour réduire cette perte.
