Accueil > Notion de technique photo > Quelle est la vraie différence entre un APS-C et un full-frame (...)

Quelle est la vraie différence entre un APS-C et un full-frame ?

lundi 13 septembre 2010

Quel est l’impact de la taille d’un capteur sur la qualité des images ? La différence de taille du capteur entre APS-C et un Full frame est-elle suffisante pour apporter un gain qualitatif visible ? Pour avoir les bonnes réponses à ces questions, il suffit de faire référence aux notions de base de la photométrie.

Lorsqu’on compare le capteur d’un compact de la taille d’un ongle et le capteur d’un reflex moyen format de la taille d’une carte de crédit, le gain qualitatif est évident et indiscutable. Mais lorsqu’on compare deux appareils dont les surfaces de capteur sont assez proches comme celle d’un APS-C et celle d’un "full frame", d’une part, le gain qualitatif devient plus difficile à mettre en évidence et d’autre part, la nature de ce gain qualitatif est difficile à définir par le photographe qui pourtant sait donner des noms à l’amélioration visible du rendu en l’appelant modelé, velouté ou propreté de l’image.


Cet article ne décrit que le gain en plage tonale en fonction de la taille du capteur. Pour une comparaison plus généraliste, consulter la page sur les différences APS-C et Full-frame.

Un grand capteur collecte plus de lumière

Commençons par une comparaison basique en utilisant le même objectif sur les deux boîtiers. On constate que le 24 x 36 utilise le maximum du cercle image alors que l’APS-C n’en utilise qu’une petite partie. La différence de taille des capteurs se traduit par une simple différence de champ d’un rapport 1,6 dans notre exemple. Ce coefficient qui est le rapport entre les dimensions du capteur s’appelle le facteur de recadrage (Crop Factor). Dans cet article, nous adopterons le facteur de recadrage de 1,6 de la marque Canon, mais d’autres marques proposent des coefficients plus ou moins proches.

Fig. 1. L’APS-C ne reproduit que 40 % de l’image d’un 24 x 36.

On pourrait arrêter là la comparaison et ne tenir compte que de la perte de champ. Mais plus loin dans cet article, c’est la différence d’information lumineuse entre les deux capteurs que nous allons mettre en évidence et non plus la différence de champ.

Le capteur 24 x 36 recueille le maximum du flux lumineux disponible dans le cercle d’image. L’APS-C en recueille beaucoup moins. C’est normal puisque dans ce cas le flux lumineux doit pourvoir à l’éclairement d’une surface plus petite !

On constate que l’angle de champ est proportionnel aux dimensions du capteur. Il en va de même pour le flux lumineux (le nombre de photons !) qui est proportionnel à la surface éclairée. La surface du capteur du 24 x 36 étant 2,56 fois plus grande que celle de l’APS-C, le flux lumineux collecté est 2,56 fois plus important.

Fig. 2. L’APS-C n’a besoin que de 40 % du flux lumineux nécessaire au 24 x 36 pour maintenir le même éclairement.

Quelques rappels de photométrie

Pour la suite de cet article, il est indispensable d’avoir assimilé au moins deux notions fondamentales de photométrie. La première est de bien faire la distinction entre une ouverture absolue (f/N) et son ouverture relative (1/N) utilisée comme un élément de l’exposition. Je vous invite à consulter les liens suivants si nécessaire

L’ouverture en photographie

La distance focale

La seconde est de bien faire la distinction d’une part entre l’éclairement du capteur qui est un paramètre de l’exposition et d’autre part le flux lumineux intercepté par le capteur qui correspond à l’énergie lumineuse captée. Ce qu’il faut retenir c’est que plus le capteur est grand, plus il capte de flux lumineux alors que l’éclairement est une notion indépendante de la taille du capteur. Ces deux notions sont développées sur les liens suivants :

L’éclairement en lux

Le flux lumineux en lumen

Un dernier point. Cet article utilise les dénominations officielles de chaque grandeur. Ainsi l’ouverture relative s’écrit 1:2,8 et non pas f:2,8. Le f/nombre est noté N. L’indice d’exposition s’écrit Ei et non pas IL (obsolète).

Comparer deux images de champ identique

Puisque le grand capteur recueille plus de photons, essayons de le mettre en évidence. Pour cela, nous allons désormais comparer sur les deux boîtiers la formation d’une image ayant exactement le même champ et la même perspective. Pour obtenir la même perspective, il suffit de se placer au même point de vue. Pour obtenir le même angle de champ, il faut utiliser une distance focale plus courte sur le petit capteur. Si on utilise un 80 mm sur le 24 x 36, ce sera un 50 mm sur l’APS-C (facteur de recadrage Canon de 1,6 qui donne des chiffres ronds) . Bien évidemment, les paramètres d’exposition sont identiques sur les deux boîtiers : même temps de pose et même ouverture, mais aussi même sensibilité ISO.

Fig. 3. La notion de conversion de focale ne concerne que la mesure de l’angle de champ.

La première constatation est que pour maintenir la bonne exposition, c’est-à-dire un éclairement constant, le boîtier utilisant la plus grande focale, utilise un diamètre de diaphragme réel 1,6 fois plus grand. C’est pour cette raison que les profondeurs de champ varient avec les formats de capteur. Mais attention le Bokeh du 24 x36 ne sera pas meilleur que celui de l’APS-C. Il y a simplement un décalage de focale.

La seconde constatation est que cette plus grande ouverture permet de laisser passer un flux lumineux plus important. En fait, le flux lumineux intercepté par le capteur est 2,56 fois plus important (1,6 au carré). L’image du 24 x 36 est donc bien plus riche en informations lumineuses que l’image de l’APS-C.

Fig. 4. Pour assumer un éclairement constant sur le capteur, le modèle APS-C est obligé de réduire le flux lumineux qui traverse l’objectif de 40 %. Le diamètre du diaphragme est réduit de 1,6 et donc la surface d’ouverture est réduite de 2,56 (40 %).

A ce stade, on peut résumer la différence entre les deux formats comme un simple décalage de distance focale et donc les images formées ne sont pas identiques. La différence de focale couplée à une différence d’ouverture absolue du diaphragme entraîne deux conséquences : la profondeur de champ est différente et l’information lumineuse disponible est différente.

Cette différence d’information lumineuse se traduit par des gradations plus précises (plus de quantification disponible et moins de bruit). S’il est facile d’expliquer ce gain qualitatif, il est plus difficile de l’estimer ou de le mesurer. Alors, continuons nos investigations pour voir dans quelles proportions l’image est meilleure.

Comparer deux images strictement identiques

Dans ce dernier comparatif, nous allons tenter de former sur le 24 x 36 une image physiquement identique à celle formée sur l’APS-C. Tous les paramètres physiques doivent être identiques. En particulier, nous allons imposer une ouverture de diaphragme strictement identique sur les deux boîtiers quitte à fausser l’exposition sur le 24 x 36. Ce n’est qu’une étape provisoire pour bien comprendre la procédure. Nous rétablirons par la suite la bonne exposition.

Pour obtenir sur le 24 x 36 la même ouverture physique que sur l’APS-C, c’est-à-dire un diamètre réel de 18 mm (fig. 5), il faut ramener l’ouverture relative qui était de 1:2,8 vers 1:4,48. En fermant ainsi le diaphragme, on sous-expose d’un cran + 1,3 de cran d’indice d’exposition.

Voir ici pourquoi le passage de 2,8 à 4,48 donne un décalage d’indice d’exposition de 1,36 Ei.

Les deux capteurs reçoivent désormais un flux lumineux strictement identique (et une profondeur de champ identique). C’est cette exposition faussée qui va nous servir d’échelle de mesure pour estimer la perte d’information subie par le plus petit des deux capteurs.

Fig. 5. Sur les deux capteurs, les flux lumineux sont identiques (même information lumineuse). Mais ramener le flux lumineux du 24 x 36 identique à celui de l’APS-C n’est possible qu’en acceptant une exposition incorrecte.

En sous-exposant l’image d’un peu plus qu’un diaphragme (1,36 pour être précis)) avec le FF, on mime parfaitement les capacités techniques d’un APS-C. La perte qualitative pour ramener l’image à la bonne exposition correspond à la différence qualitative entre ces deux formats. L’image est ramenée à la bonne exposition en amplifiant la luminosité d’un 1,36 cran de sensibilité ISO.

Fig. 6. Pour retrouver une exposition correcte, il faut monter la sensibilité ISO à 256, soit 1,36 cran de sensibilité (tous les appareils ne proposent pas de telles sensibilités intermédiaires). Les deux capteurs reçoivent exactement la même information lumineuse et l’aspect qualitatif est comparable.

Conclusion

La perte qualitative d’un capteur de taille APS-C par rapport à un capteur full frame peut s’exprimer comme la perte qualitative correspondant à l’élévation de la sensibilité de 100 ISO à 256 ISO (256 = 100 x 21,36). Notons que cette perte n’est pas très importante, car généralement on estime gênante les pertes de transition et la montée du bruit après 3 ou 4 crans de sensibilité ISO. Mais cette perte existe bel et bien et cette minime différente de rendu peut être importante pour les photographes qui sont attachés à ce qu’on appelle le modelé.

Une autre façon d’exprimer cette différence est de dire que le petit capteur perd 1 cran 1 tiers de sensibilité ISO par rapport au plus grand.

Cette démonstration a le gros avantage de se libérer de l’influence de la taille et du nombre des photosites qui eux aussi jouent un rôle important dans la richesse de l’information. L’avantage d’un capteur de grande surface n’est pas uniquement lié à la possibilité d’y placer des photosites de plus grande taille, mais est lié à la quantité de lumière que sa surface permet de collecter.

Epilogue sur la sensibilité

Plusieurs facteurs influencent la sensibilité d’un capteur et donc sa disposition à collecter beaucoup d’informations lumineuses.

Rendement quantique

Le premier est le rendement quantique ou efficacité électronique du photosite (Quantum efficiency) C’est son aptitude à récupérer des électrons sous l’influence de la lumière. Et notamment à récupérer un seul électron sous l’exposition d’un minimum de photons. En 2011, ce rendement avoisine les 35 % avec une limite physique autour de 70 %. A chaque génération de nouveau capteur, ce paramètre progresse légèrement.

La Capacité électronique maximale

Le deuxième est la capacité électronique maximale du photosite (Full well capacity). C’est l’aptitude à récolter le plus grand nombre possible d’électrons. Ce paramètre est directement lié à la taille du photosite. Plus il est grand, plus il est capable d’interpréter une luminance élevée. Et par conséquent, plus il délivre une large plage dynamique et enregistre de petites variations de luminance. La taille du capteur influence la sensibilité.

La taille du capteur

Le troisième est la taille du capteur. Plus il est grand, plus le cercle de confusion est grand, et plus il est alimenté par un grand nombre de photons. Le cercle de confusion reproduit alors une luminance plus précise. Plus le capteur est grand, plus il sait enregistrer de faibles variations de luminance. La taille du capteur influence une sensibilité géométrique.

Les capteurs de grande taille peuvent ainsi cumuler DEUX caractéristiques qui favorisent des images fines, d’abord la précision des luminances directement due à la taille du capteur et ensuite la possibilité de placer des photosites de plus grandes tailles.

Dans cet article, la comparaison porte sur deux boîtier équipés de photosites de même taille et de même génération pour bien dégager l’influence de la taille du capteur. Dans la vraie vie, si on compare un full-frame avec un APS-C, les générations ne seront certainement pas juxtaposables et la taille des photosites a de grandes chances d’être différente.

Un message, un commentaire ?

Forum sur abonnement

Pour participer à ce forum, vous devez vous enregistrer au préalable. Merci d’indiquer ci-dessous l’identifiant personnel qui vous a été fourni. Si vous n’êtes pas enregistré, vous devez vous inscrire.

Connexions’inscriremot de passe oublié ?