Comment Fonctionne Un Appareil Photo?

Comment la lumière devient une image

Alors que les appareils photo analogiques exposent un film inséré, les appareils photo numériques fonctionnent avec des capteurs d'image complexes. Les capteurs d'image sont composés de millions de petits pixels, chaque pixel étant associé à une photodiode sensible à la lumière. Les photodiodes transforment la lumière en charge électrique. La règle est la suivante : plus la photodiode reçoit de lumière, plus le signal électrique est fort et inversement.

Étant donné que pour une photo, on n'a pas seulement besoin d'informations sur la luminosité, mais aussi sur les couleurs, le capteur est combiné à un filtre de couleur composé des couleurs primaires rouge, vert et bleu. Chaque photodiode est associée à une couleur précise. Il existe donc des pixels ou des photodiodes qui ne captent par exemple que la lumière verte ou que la lumière rouge.

Pour la disposition des couleurs, la plupart des capteurs utilisent ce que l'on appelle la matrice de Bayer : la matrice de Bayer est divisée en blocs de deux pixels verts, un rouge et un bleu. Les couleurs enregistrées dans les blocs sont ensuite additionnées par un procédé de démosaïquage afin de produire à la fin exactement les couleurs nécessaires pour l'image enregistrée.

• La répartition des couleurs de la matrice de Bayer, à savoir 50 pour cent de vert et 25 pour cent de bleu et de rouge, résulte de la sensibilité particulière de l'œil humain aux tons verts.
• La balance des blancs permet au processeur de compenser une éventuelle dominante verte lors du traitement de l'image.
• Un appareil photo numérique est un dispositif qui capture et stocke des images au format numérique.
• Il utilise un capteur pour convertir la lumière en signaux électroniques, qui sont ensuite traités pour former une image numérique.

Objectif, diaphragme et capteur

L'objectif en photographie est un élément essentiel de l'équipement utilisé pour capturer des images. Il s'agit d'une lentille ou d'un système de lentilles qui se fixe sur l'appareil photo et qui permet de focaliser la lumière sur le capteur ou le film afin de former une image nette. Les objectifs photographiques ont différents attributs qui influencent la façon dont les images sont capturées. L'objectif peut être interchangeable dans certains appareils photo, ce qui permet au photographe de choisir différents objectifs en fonction de ses besoins.

• L’objectif est composé de différentes lentilles qui vont former une image sur le capteur.
• Il peut être fixe (compact, bridge, smartphone) ou interchangeable (hybride, reflex).
• Sa caractéristique la plus importante est la distance focale.
• En gros, c’est ce qui va déterminer le champ de vision de votre appareil photo.
• Plus la focale est petite, plus les lentilles sont proches du capteur et plus le champ de vision sera grand.
• À l’inverse, plus la focale est grande, plus les lentilles seront éloignées du capteur et plus le champ de vision sera étroit.
• Un objectif à distance focale variable s’appelle un zoom!

Le diaphragme, composé de plusieurs lamelles, est en quelque sorte la porte d’entrée de la lumière. Le diaphragme en photographie fait partie des trois éléments du triangle d'exposition, avec la vitesse d'obturation et la sensibilité ISO. Il se trouve à l'intérieur de l'objectif de l'appareil photo et est constitué d'un ensemble de lamelles qui s'ouvrent et se ferment pour contrôler la quantité de lumière qui a atteint le capteur.

• Le diaphragme est également caractérisé par son ouverture maximale, appelée "ouverture".
• L’ouverture du diaphragme est représentée par un nombre f exprimé avec la notation « f/ » suivi d’un nombre.
• Plus le nombre f est petit, plus l'ouverture du diaphragme est grande, ce qui signifie que davantage de lumière peut passer à travers l'objectif.
• En revanche, plus le nombre f est élevé, plus l’ouverture est petite, limitant la quantité de lumière qui a atteint le capteur.
• L'ouverture du diaphragme influence la zone de netteté de l'image, appelée profondeur de champ.
• Une grande ouverture (petit nombre f) crée une faible profondeur de champ, avec une mise au point sélective sur le sujet principal et un arrière-plan flou.
• Une petite ouverture (grand nombre f) donne une plus grande profondeur de champ, où une plus grande partie de l'image est nette du premier plan à l'arrière-plan.

Le capteur d'image en photographie est un composant électronique essentiel présent dans les appareils photo numériques. Il remplit la fonction de la pellicule utilisée dans les appareils photo argentiques en convertissant la lumière entrante en signaux électriques pour créer une image numérique.

• Le capteur CCD (Charge-Coupled Device) généralement réputé pour produire des images de haute qualité avec une bonne reproduction des couleurs mais il a tendance à consommer plus d’énergie et à être plus sensibles au bruit électronique.
• Le capteur CMOS qui permet une succession d'image élevée : images en rafale rapide pour une résolution élevée, vidéos en HD ou même en qualité 4K.
• Moins sensible au bruit de lecture, le capteur CMOS est plus performant.
• Différentes tailles de capteurs d'image sont utilisées dans les appareils photo numériques.
• La taille du capteur a un impact significatif sur les performances et les caractéristiques de l'appareil photo, notamment la profondeur de champ, la sensibilité à la lumière, la qualité d'image et la taille physique de l'appareil.

Déclencheur, obturateur et exposition

Un appareil photo est composé de quelques éléments clés qui lui permettent de capturer une image. En fonction du type d’appareil photo, les détails de la structure peuvent varier, mais ces éléments ne changent pas : viseur, déclencheur, objectif, diaphragme, obturateur et une surface sensible.

• Pour un appareil photo argentique, la surface sensible sera une pellicule et pour un appareil photo numérique, ce sera un capteur.
• Lorsque vous regardez dans le viseur et appuyez sur le bouton de capture de votre appareil, vous déclenchez (le déclencheur) qui va ordonner à l’obturateur de s’ouvrir.
• La lumière qui passe à travers l’objectif peut alors atteindre le capteur (ou la pellicule) en passant dans le diaphragme.

L'obturateur d'un appareil photo détermine la durée d'exposition du capteur d'image. Pour les sujets en mouvement, où le mouvement doit être quasiment "figé", on travaille par exemple avec des temps d'exposition très courts. En revanche, pour les photos de nuit, un temps d'exposition long est nécessaire. Il existe différentes approches pour contrôler le temps d'exposition.

L'obturateur à fente

L'obturateur mécanique à fente date de l'époque des appareils photo reflex analogiques et est encore utilisé aujourd'hui dans les appareils photo système modernes.

Il fonctionne avec un premier et un deuxième rideau d'obturateurs composés de lamelles métalliques étroites et légères.

Lorsque l'on appuie sur le déclencheur, le premier rideau d'obturation se déplace de haut en bas et libère le capteur pour l'exposition.

Le deuxième rideau d'obturateur termine l'exposition en faisant également glisser ses lamelles de haut en bas jusqu'à ce qu'elles recouvrent à nouveau complètement le capteur.

L'obturateur électronique

L'obturateur électronique présente un avantage essentiel.

Contrairement à la variante mécanique, il n'a pas de pièces mobiles et fonctionne donc à la fois sans bruit et sans vibrations, qui peuvent entraîner des bougés dans l'image en cas de temps d'exposition longs.

Tant que la lumière atteint le capteur, elle est continuellement transformée en charge électrique au niveau des photodiodes.

Pour démarrer la prise de vue, la charge est brièvement remise à zéro sur chaque photodiode.

À la fin du temps d'exposition, le capteur de l'obturateur électronique traditionnel est lu ligne par ligne de haut en bas.

Autofocus et mise au point

Pour reproduire un motif avec netteté, l'appareil photo et l'objectif doivent fonctionner parfaitement ensemble. Sur les appareils photo numériques sans miroir, la netteté est déterminée par une mesure de contraste, sur les appareils photo reflex par un détecteur de phase. Les appareils photo dotés d'un autofocus dit hybride peuvent faire les deux.

Détection de phase

La détection de phase fonctionne de la même manière que les indicateurs d'image de coupe des appareils photo reflex analogiques.

Ceux-ci montraient dans le viseur une sorte d'image décalée l'une par rapport à l'autre, qui ne s'assemblait sans transition que lors de la mise au point.

De cette manière, l'appareil photo pouvait tirer des conclusions sur la distance du sujet et trouver très rapidement le point de netteté nécessaire.

Dans un reflex numérique, la lumière qui traverse l'objectif frappe d'abord le miroir principal partiellement transparent, d'où elle est en grande partie transmise au viseur optique.

Le reste de la lumière est dévié par un petit sous-miroir vers un capteur séparé pour la détection de phase.

La détection de phase est très rapide, mais elle est également sujette à des erreurs lorsque la caméra et l'objectif ne fonctionnent pas ensemble de manière optimale.

Mesure du contraste

Comme les appareils photo numériques sans miroir (DSLM) renoncent au grand miroir partiellement transparent des DSLR, les DSLM déterminent la netteté par une mesure de contraste.

Le principe est simple : plus l'image est nette, plus le contraste est élevé.

Pour trouver la netteté optimale, l'appareil photo fait donc la mise au point en avant et en arrière jusqu'à ce qu'il se soit décidé pour le contraste le plus élevé.

Cela peut prendre un peu de temps, surtout lorsque la lumière ambiante est faible, mais la mesure du contraste est considérée comme particulièrement précise, car elle est effectuée directement par le capteur de l'appareil photo.

Autofocus hybride

Afin de trouver la netteté rapidement et en même temps avec une grande précision, de nombreux fabricants misent sur ce que l'on appelle "l'autofocus hybride".

Dans ce cas, la netteté approximative est d'abord déterminée à grande vitesse par détection de phase.

Ensuite, la mesure du contraste intervient et se charge du réglage fin.

L'autofocus hybride d'un appareil photo sans miroir ne possède pas de module de détection de phase séparé, mais fonctionne avec des microlentilles placées sur des pixels individuels du capteur d'image.

Mesure de l'exposition

La mesure de l'exposition détermine si la lumière est prise en compte dans l'ensemble de l'image ou seulement dans certaines zones de l'image. Le choix de la bonne méthode de mesure est donc décisif pour obtenir une photo réussie. Les appareils photo reflex et les appareils système sans miroir en proposent au moins trois.

Matrice/multichamps

La mesure matricielle ou multichamp est réglée par défaut sur la plupart des appareils photo.

Avec la mesure matricielle, le cadre de l'image est divisé en petites zones et la luminosité est analysée dans chacune de ces zones.

L'importance des résultats individuels dans l'exposition dépend de la structure du sujet analysé et de l'endroit où se trouve le point autofocus.

Accentué au centre

Avec cette méthode également, la luminosité est mesurée sur l'ensemble de la partie de l'image.

Lors de l'exposition elle-même, ce sont les zones centrales qui sont le plus fortement pondérées.

Sur certains appareils photo, il est possible de régler la taille de la zone centrale.

Spot

Avec la mesure spot, seule la luminosité d'une zone relativement petite est mesurée.

Ce "spot" se situe généralement au centre de l'image ou coïncide avec le point autofocus actif.

Cela permet de garantir que l'appareil photo règle l'exposition de manière optimale pour le sujet visé, indépendamment des conditions d'éclairage ambiantes.

Stabilisation et traitement de l'image

Les flous de bougé apparaissent surtout dans les photos lorsque la lumière ambiante est très faible - c'est-à-dire lorsque l'obturateur de l'appareil photo doit rester ouvert relativement longtemps pour obtenir une image suffisamment claire. Le moyen le plus efficace pour éviter les flous est d'utiliser un trépied qui stabilise l'appareil photo pendant l'exposition. Mais rares sont les photographes qui ont envie de trimballer en permanence cet accessoire encombrant avec eux. C'est là que la stabilisation d'image entre en jeu.

• Sur les appareils photo reflex, la stabilisation d'image est exclusivement utilisée dans l'objectif.
• Des lentilles individuelles sont déplacées dans le sens vertical et horizontal afin de contrer les tremblements pendant l'exposition.
• Sur de nombreux appareils photo numériques sans miroir modernes, les fabricants vont plus loin et équipent également les capteurs de l'appareil photo d'une stabilisation d'image.
• Le principe est toujours le même : dans le cas de la stabilisation assistée par capteur, le capteur de l'appareil photo est maintenu en position par des aimants électriques.
• Si des vibrations ou des mouvements sont mesurés, la caméra les compense en déplaçant le capteur en conséquence.
• Les systèmes IBIS modernes stabilisent l'image sur cinq axes.
• Ils compensent le tremblement vertical et horizontal, le basculement, le pivotement et la rotation autour de l'axe optique.

Après le déclenchement de l'appareil photo, la lumière est transformée en signaux électriques au niveau du capteur de l'appareil photo, qui sont transmis au processeur d'image de l'appareil. C'est là que l'image est traitée. Selon le format d'image réglé dans l'appareil photo, il existe différentes possibilités.

• Si la photo est prise en mode RAW, l'appareil enregistre toutes les données disponibles dans un fichier et renonce à un traitement interne à l'appareil.
• On parle donc également d'un format de données brutes.
• Les images RAW peuvent ensuite être traitées à volonté à l'aide d'un logiciel de conversion RAW spécial.
• Lors de la prise de photos au format JPEG, le traitement ultérieur a déjà lieu avant l'écriture sur la carte mémoire et ne peut plus être annulé.
• La balance des blancs, la réduction du bruit ou encore la correction de l'objectif sont généralement accessibles via une entrée spécifique dans le menu.
• Pour les fonctions de correction telles que le style de couleur, le contraste, la netteté ou encore la saturation, il existe généralement des présélections qui peuvent être modifiées individuellement si nécessaire.