Comme technicien, je suis régulièrement confronté avec le bruit de fond. Le bruit de fond apparait dans tous les appareils électroniques. Les photoscopes, mais aussi la hifi. Un des visiteurs de ce site m'a demandé quel était le rapport du bruit de fond avec le réglage de la sensibilité du capteur (valeur ISO).

Le bruit de fond est toujours présent et a différentes origines. Le bruit de fond n'est pas visible quand il y a suffisamment de lumière qui frappe le capteur (le rapport signal/bruit est important), mais apparait dès qu'il y a moins de lumière et donc de signal.

Le pixel se compose d'un condensateur et d'une diode. Le photosite est la diode qui se comporte comme une résistance variable quand elle est éclairée.

1. Pendant la charge, le condensateur est chargé jusqu'à la tension de charge (qui n'est pas nécessairement la tension d'alimentation).
2. Pendant le temps de pose, le photosite reçoit de la lumière et le condensateur perd de sa charge via la diode.
3. Après l'exposition, la charge restante (l'image latente, pourrait-on dire) est comparée à la tension de charge pour connaitre l'intensité lumineuse qui a frappé le photosite.

Le fonctionnement d'un capteur est plus complexe que ce qui est décrit ici. Le signal récolté sur chaque capteur doit encore être transféré vers le convertisseur analogique-digital. C'est ici qu'apparait la différence entre les capteurs CCD et CMOS.

Les valeurs ISO

La première question que j'ai reçu d'un visiteur concernait les valeurs ISO. Est-ce-que la valeur ISO est une sorte de réglage du gain de l'amplificateur (un peu comme un bouton de volume sonore)?

La valeur ISO n'est pas uniquement ajustée en modifiant l'amplification du signal des photosites. Quand peu de lumière frappe le photosite (temps de pose très court, petit diaphragme,... ou tout simplement peu de lumière disponible) la résistance de la diode est élevée et le condensateur ne perd que peu sa charge. Il n'y a pratiquement pas de différence entre la tension de charge et la tension restante sur le condensateur.

Si nous utilisons une tension de charge plus élevée, il y aura plus de courant circulant dans la diode pour une résistance identique (loi d'Ohm). Un autre avantage de cette tension plus élevée est que la capacitance diminue: le condensateur est donc déchargé plus rapidement, et c'est exactement l"effet recherché. La capacitance diminue parce que la zone de déplétion devient plus grande.

Mais dans les capteurs les plus récents, la capacité qui joue n'est pas seulement la capacité de la diode, mais la capacité parasite de tous les composants externes. De plus, les composants deviennent si petits qu'un est plus libre de jouer avec la tension: si on l'augmente trop, certains composants pourraient claquer. Malheureusement, dans les capteurs plus récents, le changement de la valeur d'ISO correspond principalement à une modification du gain de l'amplificateur.

On ne peut malgré tout pas dire que l'amplificateur amplifie 1× quand la sensibilité est réglée sur 100 ISO et 2× quand elle est réglée sur 200 ISO. La valeur ISO est un reliquât du temps de la pellicule (où déjà les valeurs ISO étaient très relatives et dépendantes du développement). On continue d'utiliser ces valeurs parce-que le photographe y est habitué.

Notre capteur a une résistance très élevée quand il y a peu de lumière, ce qui explique le bruit thermique plus élevé. Le bruit thermique peut être réduit en refroidissant le capteur, mais aussi en utilisant des techniques de fabrication plus soignées pour rendre le capteur plus homogène. Le bruit de fond de Nyquist-Johnson est une limite: une résistance ne peut pas produire moins de bruit de fond qu'une valeur calculée.

Le bruit du courant de fuite est aussi appelé dark current noise. Il s'agit d'un bruit anormal car il n'existe pas de formule mathématique pour le calculer. Il dépend presque exclusivement des tolérances de fabrication du capteur.

Refroidissement

Reflex Canon équipé d'un refroidisseur à effet peltier

Le bruit peut être diminué en refroidissant le capteur. Nous réduisons le bruit thermique et surtout le bruit causé par les tolérances de fabrication. La réduction est la plus notable pour les longs temps de pose comme ceux d'application en astronomie.
Il est possible d'acheter un kit aftermarket se composant d'un élément peltier refroidissant l'arrière du boitier de l'appareil photo (là où est situé le capteur). Le mieux est une refonte complète de l'appareil photo. Le capteur est monté sur un échangeur de chaleur (heat pipe) qui extrait la chaleur du capteur et l'envoie vers un système de refroidissement. Le filtre infra-rouge est aussi remplacé car les corps célestes émettent aussi dans l'infra-rouge (et notre capteur y est très sensible).

L'électronique est en mesure de compenser les différences (sauf le bruit de fond qui devient plus important, mais qui ne se remarque pas sur une photo en format réduit (par exemple 1000×1600 pixels).

Par contre ce qui change (mais de façon indirecte), c'est la latitude de pose. A droite vous avez la dynamique d'un Nikon D850, on voit qu'elle diminue quand le gain (ISO) augmente. Comment expliquer ce phénomène?

Le "A" représente une image correctement exposée et utilise toute la dynamique du système, jusqu'à la saturation (dans notre exemple la dynamique est de 15 niveaux). La ligne mauve indique la saturation. Il y a un peu de bruit de fond dans les ombres (le bas du "A").

Le "B" a reçu trop peu de lumière, par exemple parce qu'il fait très sombre. On peut compenser cette sous-exposition par une augmentation du gain, c'est ce qui est représenté par la seconde image. L'augmentation du gain produit une amplification linéaire de toute l'image récoltée, et donc également du bruit de fond. Mais des parties qui auraient été correctement exposées sont maintenant sur-exposées et provoquent un overflow du convertisseur A-D. La dynamique a ainsi été réduite à 5 niveaux dans notre exemple.

Bruit de fond

Un capteur sur un bout de papier