Le phénomène de rémanence, observations et explications

Le phénomène de rémanence, que l’on retrouve à la fois dans la perception humaine et dans divers dispositifs électroniques tels que les écrans et les capteurs de caméras, se manifeste de façon différente selon le support. La rémanence désigne le prolongement d’une image, d’une lumière ou d’un signal au-delà du temps d’exposition initial, créant une sorte d’« effet de traînée » ou de persistance visuelle.

La rémanence de l’œil humain

L’œil humain présente une forme naturelle de rémanence, appelée la persistance rétinienne. Lorsque nous observons un objet lumineux ou une scène en mouvement, l’image reste sur notre rétine pendant une fraction de seconde après que l’objet a disparu ou changé de position. Ce phénomène est à l’origine des illusions d’optique, telles que l’effet stroboscopique ou la perception continue des images dans un film ou une vidéo.

Pourquoi cela se produit-il ?

La persistance rétinienne résulte des processus biologiques dans l’œil. Les photorécepteurs (bâtonnets et cônes) ne réagissent pas instantanément aux changements lumineux. Ils continuent à envoyer des signaux au cerveau pendant un court laps de temps, ce qui explique pourquoi, par exemple, nous percevons une lumière en traînée lorsque nous déplaçons rapidement notre regard d’une source lumineuse.

Notre article sur les effets de la lumière bleue artificielle.

Rémanence sur les écrans LCD, LED, OLED et QLED

Rémanence sur les écrans LCD

Les écrans LCD (Liquid Crystal Display) fonctionnent en utilisant une source lumineuse, généralement un rétroéclairage LED, pour éclairer des cristaux liquides qui se réorientent pour bloquer ou laisser passer la lumière et ainsi former une image. L’un des défauts inhérents aux écrans LCD est la rémanence. Ce phénomène se produit principalement à cause du temps de réponse élevé des cristaux liquides, c’est-à-dire le délai nécessaire pour que ces derniers changent d’état lorsqu’ils reçoivent une impulsion électrique.

Lorsque l’image à l’écran change rapidement (par exemple lors de scènes de sport ou de jeux vidéo), les cristaux liquides peuvent ne pas réagir assez vite. Ils laissent alors une traînée visible ou une image résiduelle d’une scène précédente avant que la nouvelle image ne soit complètement affichée. Ce phénomène est particulièrement visible dans les transitions entre des couleurs très contrastées, où des artefacts de rémanence sont souvent observés sous forme de « flou de mouvement ».

Pourquoi cela se produit-il ?

Le cœur du problème de rémanence dans les écrans LCD réside dans le comportement des cristaux liquides eux-mêmes. Ceux-ci ne peuvent pas changer d’orientation instantanément. La transition entre deux états demande un certain temps (mesuré en millisecondes). Plus le temps de réponse est long, plus la rémanence est perceptible. Les premiers écrans LCD avaient des temps de réponse de l’ordre de 25 à 50 ms, ce qui entraînait un effet de flou important lors des mouvements rapides. Les modèles modernes sont beaucoup plus rapides (souvent inférieurs à 5 ms), mais la rémanence peut encore être perceptible dans certaines situations.

Rémanence sur les écrans LED

Les écrans LED sont en réalité une sous-catégorie des écrans LCD, utilisant des diodes électroluminescentes pour le rétroéclairage plutôt que des lampes fluorescentes. La technologie LED ne résout pas totalement le problème de rémanence, même si elle permet des temps de réponse légèrement plus rapides grâce à un contrôle plus fin de la luminosité.

La rémanence sur les LED se manifeste de manière similaire à celle des LCD classiques, avec une traînée visible derrière les objets en mouvement rapide. Toutefois, comme les pixels ne sont pas auto-émissifs dans les écrans LED (contrairement à l’OLED par exemple), la cause principale de la rémanence demeure dans la lenteur du passage d’un état de cristaux liquides à un autre.

Pourquoi cela se produit-il ?

La rémanence dans les écrans LED, comme pour les LCD, découle du temps que mettent les cristaux liquides à réagir aux changements de tension. Bien que le rétroéclairage LED améliore le contraste et l’efficacité énergétique par rapport aux anciennes technologies de rétroéclairage, la nature même de l’écran LCD n’élimine pas complètement les effets de rémanence. En outre, sur certains modèles d’entrée de gamme, un taux de rafraîchissement plus faible (souvent de 60 Hz) peut amplifier cet effet visuel, créant des mouvements saccadés ou flous.

Rémanence sur les écrans OLED

Les écrans OLED (Organic Light Emitting Diode) fonctionnent différemment des LCD ou LED. Chaque pixel est auto-émissif, c’est-à-dire qu’il produit sa propre lumière sans avoir besoin de rétroéclairage. Grâce à cette structure, les OLED offrent des temps de réponse bien plus rapides, et par conséquent, beaucoup moins de rémanence. Cependant, cela ne signifie pas que ces écrans sont totalement exempts de ce phénomène.

Le principal problème rencontré sur les OLED est le burn-in ou « marquage d’écran », une forme de rémanence permanente. Ce défaut survient lorsqu’une image statique, comme un logo de chaîne télévisée ou une interface de jeu, reste affichée trop longtemps. Une fois que l’image change, une trace fantôme de l’image précédente peut rester visible, même si elle n’est plus censée être affichée.

Pourquoi cela se produit-il ?

Le burn-in est dû à l’usure inégale des sous-pixels organiques (bleu, vert, rouge) qui composent chaque pixel de l’écran OLED. Les pixels qui affichent une image statique finissent par s’user plus rapidement, ce qui altère leur capacité à produire de la lumière. Ainsi, une image persistante apparaît, même lorsque l’écran est éteint ou qu’une nouvelle image est affichée. Cette forme de rémanence est particulièrement problématique dans les OLED, même si des technologies comme la modulation de l’affichage ont été mises en place pour atténuer ce phénomène.

Rémanence sur les écrans QLED

Les écrans QLED (Quantum Dot Light Emitting Diode) combinent la technologie LCD avec une couche de points quantiques, qui permettent d’améliorer la qualité des couleurs et la luminosité globale. Bien que les QLED ne souffrent pas du burn-in comme les OLED, la rémanence peut toujours apparaître dans certaines conditions, en particulier lorsque des scènes à mouvements rapides sont affichées.

Les écrans QLED, avec leur taux de rafraîchissement plus élevé (souvent supérieur à 120 Hz), réduisent considérablement la rémanence visible. Cependant, comme avec les écrans LED classiques, la lenteur des cristaux liquides à réagir aux changements d’image peut toujours créer des traînées visibles, notamment dans les scènes à fort contraste.

Pourquoi cela se produit-il ?

La rémanence dans les écrans QLED est liée aux limitations des cristaux liquides utilisés pour afficher les images. Même si les points quantiques améliorent le rendu des couleurs et la luminosité, les cristaux liquides nécessitent un certain temps pour réagir, créant ainsi un léger décalage dans les transitions d’image. Cela entraîne des traînées, notamment lors de scènes d’action ou de jeux rapides, bien que les taux de rafraîchissement élevés (120 Hz ou plus) puissent largement minimiser ces effets.

Dans ce contexte, chaque technologie de dalle a ses propres défis face à la rémanence, bien que des progrès notables aient permis de la réduire au fil du temps. Les écrans LCD, avec leur fonctionnement basé sur des cristaux liquides, sont particulièrement sensibles à ce phénomène, tandis que les technologies plus récentes comme l’OLED et le QLED apportent des solutions tout en présentant d’autres types de rémanence (comme le burn-in pour l’OLED).

Rémanence sur les capteurs de caméras et d’appareils photo

Les caméras et appareils photo numériques utilisent des capteurs d’image qui peuvent aussi être affectés par des phénomènes de rémanence, bien que cela se manifeste différemment par rapport aux écrans. La rémanence dans les capteurs peut se produire dans des conditions de faible lumière, lors de mouvements rapides ou à cause d’une exposition trop intense à une source lumineuse. Ce phénomène est lié aux capacités des capteurs à traiter les informations lumineuses rapidement et efficacement.

Rémanence sur les capteurs CCD

Les capteurs CCD (Charge-Coupled Device) étaient historiquement les capteurs les plus utilisés dans les caméras et appareils photo. Bien qu’ils aient été progressivement remplacés par les capteurs CMOS, ils sont encore utilisés dans des appareils spécialisés, notamment pour leur capacité à produire des images de haute qualité en environnement contrôlé.

Les capteurs CCD sont particulièrement sensibles à un phénomène appelé blooming. Ce phénomène se produit lorsque le capteur est exposé à une lumière très intense, dépassant sa capacité à traiter cette lumière. Cela se traduit par une fuite de charge électrique dans les pixels voisins, provoquant une sorte de halo ou de traînée lumineuse. Cette rémanence lumineuse peut affecter la qualité des images, en particulier lors de prises de vue avec des contrastes très marqués (par exemple, un sujet sombre avec des sources lumineuses intenses comme des phares de voiture).

Pourquoi cela se produit-il ?

Le blooming et la rémanence dans les capteurs CCD sont causés par la manière dont ces capteurs accumulent et transfèrent les charges électriques générées par l’exposition à la lumière. Lorsque la lumière est trop forte, les charges accumulées par un pixel peuvent « déborder » et affecter les pixels adjacents, créant ainsi des artefacts visuels. Ce phénomène est particulièrement visible lors de la capture d’images en pleine lumière ou dans des scènes à fort contraste. Bien que des technologies comme les « anti-blooming gates » aient été développées pour minimiser cet effet, il reste un inconvénient propre à la structure des capteurs CCD.

Rémanence sur les capteurs CMOS

Les capteurs CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) sont aujourd’hui les plus couramment utilisés dans les caméras et appareils photo numériques. Ils offrent une meilleure efficacité énergétique, une capture d’image plus rapide et sont moins sensibles au blooming par rapport aux capteurs CCD. Cependant, les capteurs CMOS peuvent également présenter des formes de rémanence, notamment dans des environnements à faible luminosité ou lors de prises de vue à des vitesses d’obturation très rapides.

L’une des formes les plus fréquentes de rémanence sur les capteurs CMOS est le phénomène appelé rolling shutter. Ce problème survient lorsque l’obturateur ne capture pas toute l’image en une seule fois, mais scanne l’image ligne par ligne. Si un objet en mouvement rapide est photographié ou filmé, cela peut entraîner une distorsion de l’image, donnant l’impression que l’objet est étiré ou déformé. Bien que le rolling shutter ne soit pas strictement une rémanence en termes d’image résiduelle, il s’agit d’un effet visuel indésirable lié à la vitesse de traitement des informations lumineuses par le capteur.

Pourquoi cela se produit-il ?

Le rolling shutter dans les capteurs CMOS survient parce que ces capteurs n’exposent pas tous les pixels simultanément. Au lieu de cela, ils capturent les informations ligne par ligne, ce qui peut entraîner des distorsions lorsque des objets en mouvement rapide sont filmés. De plus, dans des environnements à faible lumière, les capteurs CMOS peuvent avoir du mal à accumuler suffisamment de lumière rapidement, créant des effets de bruit ou des traînées lumineuses, surtout si la sensibilité ISO est poussée à des niveaux élevés.

Rémanence due à la surexposition

Un autre type de rémanence, commun aux capteurs CCD et CMOS, survient lors d’une surexposition prolongée à des sources lumineuses intenses. Si un capteur est exposé à une lumière très brillante, comme les phares d’une voiture ou le soleil directement dans le cadre, cela peut provoquer un phénomène de saturation. Le capteur ne peut pas gérer l’excès de lumière, ce qui entraîne la formation de traînées verticales ou de halos autour de la source lumineuse.

Pourquoi cela se produit-il ?

La saturation se produit lorsque les pixels du capteur reçoivent plus de lumière qu’ils ne peuvent en traiter. Chaque pixel a une capacité limitée d’accumulation de charges, et une fois cette limite atteinte, le pixel « sature », ne pouvant plus enregistrer les variations lumineuses. Cette surcharge entraîne des distorsions visuelles, comme des traînées lumineuses ou des zones surexposées, car les pixels ne peuvent plus répondre correctement aux informations lumineuses qui leur parviennent.

Rémanence lors de longues expositions

En photographie de longue exposition, où l’obturateur reste ouvert pendant plusieurs secondes (voire minutes), une autre forme de rémanence peut apparaître. Dans ces situations, les capteurs sont exposés à la lumière pendant une période prolongée, ce qui peut provoquer une accumulation excessive de chaleur dans les pixels. Cela conduit à la création de points chauds (hot pixels), des pixels brillants et colorés qui restent visibles sur l’image finale, même dans des zones sombres.

Pourquoi cela se produit-il ?

Les points chauds résultent d’une accumulation thermique dans certains pixels du capteur lors de longues expositions. Ces pixels accumulent plus de charges électriques que prévu en raison de la chaleur générée par l’exposition prolongée. Cela crée une forme de rémanence lumineuse, avec des artefacts visibles sur l’image. Des techniques comme le dark frame subtraction peuvent être utilisées pour éliminer ces artefacts en postproduction, mais ce phénomène reste un défi dans la photographie de nuit ou d’astrophotographie.

La rémanence dans les capteurs de caméras et d’appareils photo, qu’elle soit due à des technologies spécifiques (CCD ou CMOS) ou à des conditions d’exposition, reste un défi à surmonter pour les photographes et vidéastes. Les capteurs modernes ont amélioré la gestion de la lumière et la réduction des phénomènes comme le blooming ou le rolling shutter, mais dans certaines conditions extrêmes (forte lumière, longues expositions), la rémanence peut encore apparaître. Connaître les limites des capteurs et ajuster les paramètres de prise de vue (vitesse d’obturation, sensibilité ISO, temps d’exposition) est essentiel pour minimiser ces effets visuels indésirables.

Le phénomène de rémanence, bien que commun dans diverses technologies, est souvent atténué grâce aux avancées techniques. Dans l’œil humain, il est à la base de notre perception fluide des images en mouvement, tandis que dans les écrans et capteurs modernes, il est progressivement réduit grâce à l’amélioration des taux de rafraîchissement et des matériaux utilisés. Néanmoins, la rémanence reste un défi dans certaines conditions, et comprendre ses mécanismes aide à mieux appréhender ses manifestations visuelles et à en limiter les effets.

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