Comment fonctionne un appareil photo ? Objectif, capteur, diaphragme, obturateur et ISO
Un appareil photo fonctionne en faisant recueillir à un objectif la lumière d’une scène et en la focalisant en une image nette sur une surface sensible, aujourd’hui un capteur de millions de pixels. Chaque pixel compte les photons qui l’atteignent à travers un filtre rouge, vert ou bleu, et le diaphragme, le temps d’obturation et l’ISO décident de la luminosité et de la netteté de la photo. Le résultat est une grille de nombres : trois octets par pixel, donc une photo de 12 mégapixels pèse 36 millions d’octets avant compression.
Derrière chaque photo, il y a la même idée que dans une chambre noire percée d’un petit trou dans un mur. Voici pourquoi un trou dessine une image renversée, ce qu’ajoute un objectif, comment un capteur compte la lumière et trouve la couleur, comment trois réglages échangent luminosité contre flou, et comment une photographie devient des nombres.
Idées essentielles
- Un trou dessine une image renversée parce que la lumière se propage en ligne droite. Un objectif recueille bien plus de lumière tout en gardant l’image nette.
- La règle de la lentille mince 1 / f = 1 / u + 1 / v donne la mise au point. Avec f = 50 mm et un sujet à 2 m, l’objectif se place à 51,3 mm du capteur, 1,3 mm plus loin que pour un sujet lointain.
- Un capteur compte des photons dans des millions de pixels. Un filtre de Bayer, breveté en 1976, donne une couleur à chaque pixel, deux verts pour un rouge et un bleu, et l’appareil calcule le reste.
- Diaphragme, obturateur et ISO se compensent : un cran de diaphragme divise la lumière par deux, et doubler l’ISO double la luminosité et le bruit.
- Une photo est une grille de nombres : trois octets par pixel, 16 777 216 couleurs, et une photo de 12 mégapixels pèse 36 millions d’octets que le JPEG réduit à 3 ou 4 Mo.
La chambre noire percée d’un trou
Camera obscura signifie chambre noire en latin. Percez un petit trou dans le mur d’une pièce obscure, et sur le mur opposé apparaît une image renversée du monde extérieur. La raison : la lumière se propage en ligne droite, et les rayons venus du haut d’un arbre traversent le trou en descendant et tombent bas sur le mur. Le penseur chinois Mozi en parlait au Ve siècle avant notre ère, et Ibn al-Haytham l’expliqua dans son Livre d’optique vers 1021.
Un trou plus petit donne une image plus nette mais plus sombre. La première photographie durable fut prise par Nicéphore Niépce vers 1826, avec une pose de plusieurs heures. C’est le problème que résout un objectif.
Une lentille, c’est mille trous
Une lentille dévie la lumière de façon que tous les rayons issus d’un point de l’objet se rejoignent en un point derrière elle. Elle recueille bien plus de lumière qu’un trou tout en gardant l’image nette. Les distances suivent la règle de la lentille mince 1 / f = 1 / u + 1 / v, où f est la focale, u la distance au sujet et v la distance de la lentille au capteur. Une ouverture plus grande recueille plus de lumière, donc la photo peut être prise en moins de temps.
Prenons un objectif de f = 50 mm et un sujet à 2 m, soit 2 000 mm. Alors 1 / v = 1 / 50 − 1 / 2 000 = 39 / 2 000, donc v ≈ 51,3 mm. Un sujet très lointain demanderait v = 50 mm. Pour faire la mise au point sur le sujet plus proche, l’objectif s’écarte de 1,3 mm du capteur. Faire la mise au point, c’est déplacer une lentille d’environ un millimètre, et un téléphone le fait avec un minuscule moteur.
La photo est une coupe d’un Nikon F avec un objectif de 50 mm f/2, au musée Nikon de Tokyo. À gauche, on voit les lentilles de l’objectif, au centre le miroir incliné qui envoie l’image vers le haut, dans le prisme du viseur, et derrière lui l’endroit où se placent la pellicule ou un capteur. Au déclenchement, le miroir se relève.
Un million de seaux de lumière, et la couleur d’une mosaïque
Le capteur est une puce couverte de millions de cellules sensibles à la lumière, les pixels. Une particule de lumière, un photon, qui frappe le silicium arrache un électron. Chaque pixel compte les électrons qu’il recueille, comme un seau qui recueille la pluie. La plupart des capteurs actuels sont CMOS. Le CCD, inventé par Willard Boyle et George Smith en 1969, leur a valu une part du prix Nobel de physique 2009. Un capteur de 12 mégapixels compte 12 millions de pixels, par exemple 4 000 colonnes et 3 000 lignes. Sur un capteur plein format, de 36 mm de large avec 6 000 colonnes, chaque pixel mesure 6 micromètres.
Un seau peut compter la lumière mais pas dire sa couleur. Chaque pixel est donc placé sous un minuscule filtre rouge, vert ou bleu, selon une disposition inventée par Bryce Bayer chez Kodak et brevetée en 1976. Dans chaque bloc de quatre pixels, il y a deux verts, un rouge et un bleu. Le vert reçoit deux fois plus de place parce que l’œil humain y est le plus sensible. L’appareil estime ensuite les deux couleurs manquantes en chaque pixel d’après ses voisins, étape appelée dématriçage.
Diaphragme, obturateur et ISO
Le diaphragme est l’ouverture réglable de l’objectif. On l’écrit sous forme de nombre d’ouverture N, la focale divisée par le diamètre de l’ouverture. Un objectif de 50 mm à f/2,8 a une ouverture d’environ 18 mm. Chaque cran entier de la série f/2,8, f/4, f/5,6 divise la lumière par deux, car l’aire de l’ouverture est divisée par deux. Une grande ouverture, un petit nombre, donne des photos lumineuses et un arrière-plan flou. Une ouverture étroite donne des photos plus sombres avec une plus grande part de la scène nette.
L’obturateur décide combien de temps la lumière est recueillie, par exemple 1/100 s. Un temps long éclaire plus la photo mais transforme un mouvement rapide en flou. L’ISO amplifie le signal après le comptage de la lumière : doubler l’ISO double la luminosité, et aussi le bruit.
Les trois réglages se compensent. Passer de f/2,8 à f/5,6 fait deux crans, un quart de la lumière, donc pour garder la même luminosité 1/100 s doit devenir 1/25 s, quatre fois plus long. Les photographes choisissent auquel des trois renoncer : profondeur, netteté du mouvement ou faible bruit.
Une photographie, ce sont des nombres
Chaque pixel stocke trois nombres, pour le rouge, le vert et le bleu, de 0 à 255, un octet chacun. Cela donne 256 × 256 × 256 = 16 777 216 couleurs. Le blanc est (255, 255, 255), le noir (0, 0, 0) et le rouge pur (255, 0, 0). Une photo de 12 mégapixels fait 12 millions × 3 octets = 36 millions d’octets avant compression. Le JPEG la réduit environ dix fois, à 3 ou 4 Mo, en écartant des détails que l’œil remarque à peine. Les fichiers RAW gardent en général 12 ou 14 bits par couleur au lieu de 8.
L’appareil d’un téléphone suit la même chaîne, avec un objectif de quelques millimètres et un petit capteur. Son logiciel fusionne souvent plusieurs images rapides en une seule, si bien qu’une part de ce que vous voyez est calculée. Une photo est un tableau de nombres, et la retoucher, c’est de l’arithmétique.
Comment le VJOURNAL SMART BOOK le montre
Le chapitre « L’appareil photo » du VJOURNAL SMART BOOK « Comment ça marche », tome I, compte cinq moments animés : un trou dessine une image renversée du monde, un objectif recueille bien plus de lumière et la met au point, le capteur compte la lumière à travers des filtres rouge, vert et bleu, le diaphragme, l’obturateur et l’ISO règlent luminosité et flou, et la photo devient une grille de nombres. Un modèle 3D joue le moment exact que décrit chaque bloc de texte.
Sous l’image, un bac à sable : déplacez les curseurs de diaphragme, d’obturateur et d’ISO et regardez changer luminosité et flou. Le chapitre contient aussi des faits clés, un quiz de trois questions avec explications et les sources.
En mots simples
Un appareil photo est une boîte noire avec une fenêtre. L’objectif laisse entrer beaucoup de lumière et dessine pourtant une image nette sur la paroi du fond, et le capteur est cette paroi, faite de millions de minuscules seaux qui comptent la lumière tombée dans chacun.
À vous de jouer
Un objectif de 50 mm fait la mise au point sur un sujet à 1 m (1 000 mm). Utilisez 1 / f = 1 / u + 1 / v pour trouver la distance v de la lentille au capteur et de combien l’objectif s’écarte de sa position pour un sujet lointain (v = 50 mm).
Résultat attendu
1 / v = 1 / 50 − 1 / 1 000 = 19 / 1 000, donc v ≈ 52,6 mm. L’objectif s’écarte d’environ 2,6 mm.
Vérifiez votre réponse: Vous passez de f/4 à 1/200 s à f/8 et voulez la même luminosité. Quel temps de pose vous faut-il ?
De f/4 à f/8, il y a deux crans, donc la lumière tombe au quart. L’obturateur doit rester ouvert quatre fois plus longtemps : 1/50 s.
Questions et réponses
Comment un appareil photo fait-il la mise au point ?
Un petit moteur déplace l’objectif, ou une partie de celui-ci, d’environ un millimètre jusqu’à ce que l’image tombe nette sur le capteur. L’autofocus décide de la distance en mesurant le contraste ou les différences de phase de la lumière entrante.
Quelle différence entre un reflex et un hybride sans miroir ?
Un reflex a un miroir et un prisme qui envoient l’image vers un viseur optique, et le miroir se relève pendant la pose. Un appareil sans miroir n’en a pas et montre l’image du capteur sur un écran ou un viseur électronique. Les deux ont un objectif et un capteur.
À quoi servent le diaphragme, l’obturateur et l’ISO ?
Le diaphragme règle l’ouverture de l’objectif, l’obturateur la durée de collecte de la lumière et l’ISO l’amplification du signal. Ensemble, ils décident de la luminosité ; séparément, ils commandent le flou de l’arrière-plan, le flou de mouvement et le bruit.
Que sont les mégapixels ?
Un mégapixel, c’est un million de pixels. Un capteur de 12 mégapixels en compte 12 millions, par exemple 4 000 sur 3 000. Plus de pixels donnent plus de détail, mais chacun recueille alors moins de lumière.
Pourquoi le capteur a-t-il besoin d’un filtre de couleur ?
Un pixel compte seulement la lumière reçue, pas sa couleur. Un filtre de Bayer place un filtre rouge, vert ou bleu sur chaque pixel, et l’appareil estime les deux autres couleurs d’après les pixels voisins.
En quoi l’appareil d’un téléphone est-il différent ?
Il fonctionne de la même façon, avec un objectif et un capteur très petits. Pour compenser la faible lumière recueillie, le logiciel du téléphone fusionne souvent plusieurs images et traite le résultat, si bien que la photo finale est en partie calculée.
Retenez trois lignes : un objectif focalise la lumière sur un capteur, des filtres de couleur transforment des comptages en couleur, et le diaphragme, l’obturateur et l’ISO échangent luminosité contre flou. Ouvrez ensuite le chapitre et déplacez les trois curseurs dans le bac à sable.
Sources et lectures
- Nobel Prize: Physics 2009, the CCD sensor and fibre optics ↗Sources consultées:
- Britannica: Camera obscura ↗Sources consultées:
- Britannica: Camera ↗Sources consultées:
- Bayer, B. E.: Color imaging array, US patent 3,971,065 (1976) ↗Sources consultées:
- Cambridge in Colour: Digital camera sensors ↗Sources consultées: