Un pixel de 20 micromètres, gravé en 180 nm, sur une matrice de seulement 36 par 94 éléments. Sur le papier, ça ressemble à un capteur d’appareil photo jetable des années 2000. Sauf que ce prototype de capteur photo programmable, fabriqué par une équipe de Dartmouth College, change de comportement électronique en cours de route, et c’est précisément ce détail qui mérite qu’on s’y arrête.
Le compromis n’est plus gravé dans le silicium
Un capteur CMOS classique fait un choix à la conception. Sony optimise l’IMX294 pour le peu de bruit, Canon calibre ses capteurs Dual Pixel pour l’autofocus, et personne ne peut basculer un capteur pensé pour la vitesse vers un mode ultra-faible bruit sans changer de puce. C’est une loi physique du métier depuis Kodak et les premiers CCD : bruit, vitesse et plage dynamique se disputent la même architecture de lecture, et il faut trancher avant la gravure.
L’équipe de Dartmouth, dans un article publié dans la revue Sensors en août 2026 et intitulé A Programmable Readout Pixel Image Sensor, propose autre chose. Leur pixel, baptisé PRO pour Programmable Readout, contient plusieurs chemins de lecture internes. C’est ce qui fait de lui, concrètement, un capteur photo programmable : la charge électrique captée par la photodiode n’est plus condamnée à suivre un unique circuit vers l’amplificateur. Elle peut être aiguillée électroniquement vers différents circuits de lecture, en fonction du mode choisi au moment de la prise de vue. Un chemin favorise la vitesse. Un autre privilégie le bruit faible. Un troisième sert la dynamique. Le choix ne se fait plus à la conception de la puce, mais à chaque déclenchement, via une séquence de commande différente.
C’est là le premier point contre-intuitif : on imagine souvent qu’un saut technologique en imagerie exige un nouveau matériau, un nouveau procédé de gravure, une nouvelle architecture physique. Ici, le saut vient d’ailleurs. La même structure silicium peut se comporter comme trois capteurs différents selon la façon dont on la pilote électroniquement.
Le Skipper-in-CMOS, ou la lenteur comme option choisie
Le mode basse lumière de ce capteur photo programmable repose sur une technique appelée Skipper-in-CMOS, dérivée des capteurs CCD utilisés en physique des particules. Le principe est trompeur de simplicité. Chaque lecture d’une charge électrique introduit un peu de bruit électronique. Mais si on peut mesurer la même charge stockée plusieurs fois sans la détruire, puis moyenner ces mesures, le bruit chute statistiquement. Plus on répète la mesure, plus le signal faible ressort de la friture électronique.
Le souci, c’est que chaque mesure prend du temps. Un capteur qui utiliserait ce mode en permanence serait d’une lenteur inutilisable pour du sport ou de la vidéo. C’est exactement là que l’architecture programmable change la donne : la lenteur du Skipper-in-CMOS devient une option qu’on active pour une scène nocturne, et qu’on désactive pour une scène d’action. Les tests du prototype montrent que multiplier les mesures répétées rend une image très sombre progressivement plus lisible, mesure après mesure. C’est le deuxième point contre-intuitif du papier : la technique la plus radicale contre le bruit est aussi la plus lente, et au lieu de la bannir du design, les chercheurs en font un mode parmi d’autres, activable à la demande.
Pour la vitesse pure, le pixel utilise une lecture par diffusion flottante classique, associée à des grilles de transfert de charge conçues spécifiquement pour déplacer l’électricité très rapidement à l’intérieur du pixel. Même silicium, comportement inverse.
La HDR n’est pas oubliée, mais elle a un coût
Le troisième mode démontré par ce capteur photo programmable concerne la plage dynamique. La charge captée peut être divisée et stockée temporairement dans différentes zones du pixel avant d’être lue puis recombinée. L’objectif est d’augmenter la quantité de signal que le pixel peut absorber sans renoncer à une lecture à faible bruit. L’architecture intègre aussi des éléments compatibles avec l’obturation globale et l’anti-blooming, même si le papier actuel se concentre sur la preuve de concept du principe programmable plutôt que sur l’optimisation complète de chaque mode.
Ce qui distingue ce travail d’une simple démonstration théorique : la puce existe. Elle a été fabriquée en process 180 nm, avec une matrice de 36 par 94 pixels de 20 micromètres chacun, accompagnée de plusieurs variantes expérimentales sur le même wafer. Les premiers essais confirment que la charge peut effectivement être redirigée vers différents circuits de lecture juste en modifiant la séquence de contrôle électronique, sans intervention physique sur la puce.
Le vrai prix de la flexibilité
Voici le troisième point que l’article original assume sans détour : ce pixel programmable atteint seulement 33% de fill factor. En clair, deux tiers de la surface de chaque pixel sont occupés par l’électronique de routage et les circuits additionnels plutôt que par la zone photosensible. Un capteur moderne de smartphone ou de boîtier plein format vise un fill factor bien supérieur, précisément parce que chaque micromètre carré de photodiode compte pour la sensibilité.
Cette contrainte illustre une règle qu’on oublie souvent en photographie computationnelle : la polyvalence coûte de la place physique. Ajouter des chemins de lecture multiples, ce n’est pas gratuit en silicium. Les chercheurs le reconnaissent eux-mêmes comme l’un des principaux défauts de la version actuelle, et annoncent que la caractérisation complète de la puce de test est encore en cours, avec des versions futures qui devraient intégrer davantage d’amplificateurs de lecture.
Ce prototype de capteur photo programmable reste à des années d’un capteur de cinéma numérique ou même d’un appareil grand public. Les pixels de 20 micromètres sont environ dix fois plus grands que ceux d’un capteur plein format moderne. Mais la démonstration de principe est là : la même architecture physique bascule entre trois comportements distincts, uniquement en changeant la façon dont on la commande.
Ce que ça change vraiment
Un boîtier moderne laisse déjà régler ISO, vitesse d’obturation, cadence et profil dynamique. Mais sous ces réglages, l’architecture physique du capteur reste figée depuis sa conception. Ce que propose Dartmouth avec ce capteur photo programmable, c’est de faire bouger cette couche-là aussi.
Si les futures générations de ce pixel réduisent la surface occupée par l’électronique de routage, on pourrait voir émerger des capteurs qui ne sacrifient plus systématiquement une caractéristique pour une autre selon le scénario de prise de vue.
Est-ce que vous voyez plus d’intérêt pour ce genre d’avancée côté photo fixe basse lumière, ou côté vidéo haute cadence ?
