Du point de vue électronique, un capteur photosensible CCD, CMOS ou Fovéon convertit le rayonnement (les photons) en électricité grâce à des photodiodes. On appelle communément ces cellules photosensibles des pixels (de l'anglais "picture elements", éléments d'image) mais le terme est trompeur car il caractérise en fait les constituants de l'image résultante (celle d'un écran ou d'un tirage sur papier par exemple). Nous continuerons toutefois à l'utiliser car il est entré dans le langage courant.

Le spectre de sensibilité de ce capteur dépasse largement le spectre visible et s'étend généralement de 200 à 1200 nm voire au-delà ainsi que nous l'expliquerons dans cette page consacrée à la sensibilité des APN aux rayonnements IR et UV.

La photodiode est un semiconducteur constitué d'une jonction P-N (positive et négative) qui convertit les photons bombardant la jonction en une proportion équivalente d'électrons.

La quantité de charges négatives ainsi accumulée doit ensuite être mesurée. Dans un capteur CCD la charge de chaque photodiode est transférée vers une ou plusieurs broches de sortie mais généralement une seule broche située dans un coin du CCD, derrière lequel le signal est converti en tension, bufferisé et transmis au système comme n'importe quel signal analogique. Une fois lu et mesuré, le signal est amplifié puis converti en signal numérique. Il peut alors être manipulé par le processeur d'image pour ensuite être enregistré.

Plus le rayonnement pénétrant dans la photodiode est intense (plus il y a de photons) plus il y a d'électrons générés et une haute tension en sortie du capteur. Puisque tous les éléments photosensibles capturent ce rayonnement, le signal de sortie est très uniforme, ce qui fait la qualité de cette technologie et son point fort.

En revanche, dans un CMOS chaque photodiode (pixel) est relié à plusieurs transistors. Chaque pixel assure ainsi directement sa propre conversion de charge en tension, le capteur contenant généralement un dispositif complexe réalisant l'amplification, la réduction du bruit et des circuits numériques annexes. On retrouve en sortie non plus un signal analogique mais digital, des bits.

Les CMOS contenant tout leur hardware et étant donc beaucoup plus compacts que les CCD, on préfère les utiliser pour fabriquer des systèmes miniaturisés. Les caméras à base de CMOS sont de ce fait plus petites que les caméras CCD.

Un appareil à base de CMOS consomme autant si pas plus d'énergie qu'un CCD mais il a besoin de moins de périphériques (circuit CDS, DSP, etc) et par conséquent, sauf exception (caméra Mintron série C),  il consomme globalement 25 à 50% moins d'énergie qu'une caméra CCD de même dimension.

L'avantage des CCD est qu'ils sont fabriqués pour transporter les charges à travers le chip sans distorsion, ce qui garantit la très haute qualité des capteurs en terme de fidélité et de sensibilité. Ils sont également plus performants que les CMOS car dans ces derniers la lumière a tendance à frapper plus souvent les transitors que la photodiode. Les CMOS utilisent le même processus de fabrication que les microprocesseurs équipant les ordinateurs.

Comme pour les semiconducteurs (processeurs et mémoires), il existe peu de fabricants de capteurs photosensibles au monde car l'investissement matériel est très élevé, de haute technologie et requiert du personnel hautement qualifié. Qu'une usine viennent à brûler et c'est un pays au bas mot qui peut se retrouver du jour au lendemain sans pièces détachées... Ainsi, si vous achetez un APN Nikon, la plupart du temps son CMOS sera fabriqué par... Sony, si vous achetez un APN Kodak son CMOS proviendra de chez National Semiconductor qui fabrique également le Fovéon de Sigma. Autrement dit, si ce n'est pas le capteur qui fait la qualité d'un APN, ce sont tous les circuits annexes qui l'entoure, la logique (les fonctions logicielles) et bien sûr les optiques.

Bien que les CMOS soient apparus dans les années 1970, près de dix ans après les CCD, les constructeurs ne s'y sont pas vraiment intéressés jusqu'aux années 1990, époque à laquelle ils recherchèrent des solutions consommant moins d'énergie, augmentant la miniaturisation ("camera-on-a chip") et réduisant les coûts de production tout en préservant la qualité des images. Il faudra une autre décennie, beaucoup d'argent et des adaptations mais le résultat fut très probant et a fini par faire exploser le marché des APN.

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Pour sa part, pour ses modèles SD9 et SD10, Sigma a adopté le système Fovéon X3 dans lequel 3 grilles respectivement rouge, verte et bleue sont superposées, à l'image des émulsions argentiques. Les photosites mesurent 9 microns. Actuellement, pour un oeil professionnel du moins, le résultat reste inférieur aux performances de la grille de Bayer. Par ailleurs l'appareil est assez cher (environ 1700-2000 € avec optique pour une résolution de 10 Mpixels).

Malgré tout, la société Semiconductor insights par exemple, experte dans ces technologies et qui assure du conseil auprès des entreprises estime que le Fovéon pourrait révolution l'industrie de la photographie.  En effet, actuellement les technologies CCD et CMOS exigent que les APN s'entourent d'algorithmes mathématiques complexes pour évaluer les couleurs, ce qui requiert des processeurs d'images dédiés dans l'appareil. Cette technologie ajoute des coûts et de la complexité à la conception des APN, ce qui explique le délai entre l'instant où vous appuyez sur le déclencheur et le moment où vous entendez le "clic" de l'enregistrement réel de l'image. On y reviendra.

Grâce au Fovéon X3, le capteur enregistre les trois couleurs primaires dans chaque pixel, éliminant le recourt à des processeurs additionnels d'où résulte en théorie de plus belles images, une conception simplifiée des appareils et une amélioration de leurs performances.

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Dimension du capteur

Sur la plupart des APN, la surface du détecteur est beaucoup plus petite que celle d'un film de 35 mm. Comparé à la surface d'une image de 24 sur 36 mm, le capteur d'un APN de 3, 4 ou 5 Mpixels mesure en général 7.20 x 5.35 mm. Vous placez donc plus de 20 capteurs CMOS de cette dimension sur une image 24x36 ! Pas étonnant que la qualité s'en ressente.

Il faut utiliser des capteurs d'au moins 6 Mpixels pour couvrir à peu près les 2/3 d'une image 24x36. Ces capteurs de 23.7 x 15.7 ± 0.1 mm fixés dans des chips de 40 x 30 mm équipent les systèmes APS-C (Advanced Photo System Classic) dont quelques réflex Canon et les Nikon de la série D que Nikon appelle le format DX (de même que les optiques Nikkor DX qui leur sont destinés).