Les capteurs empilés permettent aux smartphones minces d'avoir de superbes appareils photo, mais il a fallu beaucoup de temps pour les rendre suffisamment performants pour une utilisation quotidienne.
La plupart des smartphones disposent d'un îlot de caméra plus épais que le reste de leur corps. Cependant, même en comptant cette bosse supplémentaire, ils sont plus fins et prennent des photos et des vidéos plus belles que leurs homologues d'il y a quelques années.
Dans les premières années de la photographie nomade, des gadgets encore plus épais étaient nécessaires: vous vous souvenez des appareils photo compacts des années 2000? De nos jours, tout est emballé dans des appareils d'un demi-pouce d'épaisseur, parfois même moins. Les capteurs d'image empilés rendent cela possible.
Comprendre la photographie numérique
Le différence entre les appareils photo analogiques et numériques est que le premier utilise un film fait d'un matériau photosensible pour enregistrer des images, tandis que le second a un capteur électronique. Dans ce capteur, chaque pixel (points individuels qui forment une image numérique) est une information d'éclairage capturée par une très petite partie du capteur (une pour chaque pixel de la photo).
Il y en a deux types de capteurs d'appareil photo numérique, CCD (acronyme de Charge-Coupled Device) et CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Toutes les caméras de smartphones modernes utilisent ce dernier, c'est donc la technologie que nous expliquerons ci-dessous.
Un capteur CMOS se compose de quelques éléments. La photodiode est la plus importante: elle génère un signal électrique lorsqu'elle reçoit de la lumière. Ce signal est stocké par un transistor juste à côté de la photodiode, qui traduit le signal en information numérique et l'envoie à un circuit électronique.
Ce circuit est chargé d'interpréter ces données et de les transmettre, avec les milliards d'autres pixels, au processeur de signal d'image (ISP) qui crée l'image finale.
Les débuts des caméras téléphoniques
Jusqu'en 2008, les capteurs CMOS avaient un sérieux problème: le câblage nécessaire pour envoyer les informations de pixel au FAI passait entre la photodiode et l'objectif, bloquant une partie de la lumière. La même structure a été utilisée pour les capteurs CCD, qui étaient plus sensibles à la lumière, mais pour le CMOS, cela signifiait des photos plus sombres, plus bruyantes et plus floues.
Cela a été résolu avec une idée simple: déplacer la photodiode au-dessus des fils pour qu'elle reçoive plus de lumière, améliorant ainsi la qualité de l'image. C'est ce qu'on appelle un capteur éclairé par l'arrière (BSI), par opposition aux précédents qui étaient éclairés par l'avant.
Pour remettre les choses en contexte, l'iPhone 4, qui a fait la réputation d'Apple dans la photographie sur smartphone, a été parmi les premiers téléphones à utiliser ce type de capteur. De nos jours, pratiquement toutes les caméras des smartphones utilisent des capteurs BSI.
Les capteurs empilés améliorent la qualité des photos et réduisent la taille
Même après avoir retiré le fil, il y avait encore des points à améliorer dans les capteurs CMOS. L'un d'eux était le circuit responsable du traitement des informations du transistor. Il s'est enroulé autour de la photodiode. À cause de cela, environ la moitié de la lumière qui atteignait chaque pixel se retrouvait dans une partie du capteur qui ne captait aucune lumière.
En 2012, le premier capteur CMOS empilé a été créé. Au lieu de s'enrouler autour de la photodiode, le circuit est placé en dessous. Puisqu'il remplace (partiellement) un substrat utilisé pour la rigidité structurelle, il n'y a pas d'épaisseur supplémentaire. En fait, depuis lors, les améliorations apportées au processus d'empilement, tant par Sony que par d'autres fabricants qui ont adopté la technologie, ont abouti à des capteurs plus fins, qui ont permis des téléphones plus fins.
Qu'en est-il d'encore plus d'empilement?
En déplaçant le circuit sous la photodiode, on pourrait penser que la couche supérieure serait occupée uniquement par la partie capturant la lumière, n'est-ce pas? Faux.
Vous vous souvenez du transistor? Il se trouve juste à côté de la photodiode, prenant encore plus d'espace précieux pour capturer la lumière. La solution? Plus d'empilement !
Les ingénieurs l'avaient déjà fait. En 2017, Sony a annoncé un capteur de caméra avec RAM entre la photodiode et le circuit, permettant des vidéos au super ralenti à 960FPS. Il s'agissait d'appliquer la même idée à une partie du capteur existant.
Maintenant, la photodiode est enfin dans la partie la plus haute du capteur, et la photodiode uniquement. Cela double efficacement le signal que la photodiode peut capturer et que le transistor peut stocker.
L'effet le plus immédiat est le double des informations lumineuses sur lesquelles chaque pixel doit travailler. Et, comme pour tout en photographie, plus de lumière signifie des images plus détaillées.
Cependant, comme le transistor double également sa capacité, il peut mieux traduire les signaux électriques de la photodiode en informations numériques. L'une des applications possibles de ceci est la réduction du bruit de l'image, améliorant encore l'apparence des photos.
Capteurs empilés pour un avenir meilleur
Alors que les capteurs à simple empilement - photodiode et transistor dans une couche, circuits en dessous - existent depuis un certain temps, ceux à double empilement (une couche pour chaque partie) sont encore quelque peu nouveaux. Ils sont principalement utilisés dans les appareils photo professionnels, avec le premier téléphone mobile doté d'un tel capteur, le Sony Xperia 1 V, sorti en mai 2023.
Cela signifie que la technologie en est encore à ses balbutiements. Avec plusieurs autres améliorations qui ont été apportées à la photographie mobile jusqu'à présent, empilées les capteurs signifient que les caméras des smartphones sont sur la voie d'un avenir meilleur - ou devrions-nous dire un avenir plus brillant image?