Chapitre 5 · Sténopé, objectif et capteur, de l’Antiquité à aujourd’hui
L’appareil photo
La chambre noire percée d’un trou
Camera obscura signifie « chambre noire » en latin. Percez un petit trou dans le mur d’une pièce sombre, et sur le mur d’en face apparaît une image du monde extérieur, à l’envers. La raison est que la lumière voyage en ligne droite : les rayons venus du haut d’un arbre passent par le trou et arrivent en bas du mur. Le penseur chinois Mozi en a parlé au Ve siècle av. J.-C., et Ibn al-Haytham l’a expliqué dans son Livre d’optique vers 1021. Un trou plus petit donne une image plus nette mais plus sombre.
Un objectif, mille trous
Un objectif dévie la lumière pour que tous les rayons partis d’un point de l’objet se retrouvent en un seul point derrière lui. Il recueille bien plus de lumière qu’un sténopé et garde pourtant l’image nette. Les distances suivent la règle de la lentille mince 1 / f = 1 / u + 1 / v, où f est la distance focale, u la distance au sujet et v la distance de l’objectif au capteur. Une ouverture plus grande recueille plus de lumière, et la photo peut donc se prendre en moins de temps. Voilà toute la raison d’être des objectifs.
La mise au point, chiffrée
Prenez 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’éloigne de 1,3 mm du capteur. Faire la mise au point, c’est seulement déplacer un objectif d’environ un millimètre, et un téléphone le fait avec un minuscule moteur. La première photographie durable a été prise par Nicéphore Niépce vers 1826, et la pose a duré de nombreuses heures.
Un million de seaux de lumière
Le capteur est une puce couverte de millions de minuscules 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 des CMOS. Le CCD, inventé par Willard Boyle et George Smith en 1969, leur a valu une part du prix Nobel de physique en 2009. Un capteur de 12 mégapixels a 12 millions de pixels, par exemple 4 000 colonnes et 3 000 lignes.
La couleur d’après une mosaïque
Un seau sait compter la lumière, pas en dire la couleur. Chaque pixel est donc placé sous un minuscule filtre rouge, vert ou bleu, selon un motif inventé par Bryce Bayer chez Kodak 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 est le plus sensible au vert. L’appareil devine ensuite les deux couleurs manquantes de chaque pixel d’après ses voisins, une étape appelée dématriçage.
Ouverture : la taille du passage
L’ouverture est le passage réglable de l’objectif. On la note par un nombre d’ouverture N, la distance focale divisée par le diamètre du passage. Un objectif de 50 mm à f/2,8 a une ouverture d’environ 18 mm. Chaque cran complet de la série f/2,8, f/4, f/5,6 divise la lumière par deux, car la surface du passage est divisée par deux. Une grande ouverture, un petit nombre, donne des images lumineuses et un arrière-plan flou. Une ouverture étroite donne des images plus sombres, avec une plus grande part de la scène nette.
Obturateur et ISO : des compromis
L’obturateur décide combien de temps la lumière est recueillie, par exemple 1/100 s. Un temps long éclaircit les images mais transforme un mouvement rapide en flou. L’ISO amplifie le signal une fois la lumière comptée : doubler l’ISO double la luminosité, et aussi le bruit. Les trois réglages se compensent. Passer de f/2,8 à f/5,6, ce sont deux crans, soit un quart de la lumière ; pour garder la même luminosité, 1/100 s doit devenir 1/25 s, quatre fois plus long. Déplacez les trois curseurs dans le bac à sable et regardez la luminosité et le flou changer.
Une image faite de 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 pèse 12 millions × 3 octets = 36 millions d’octets avant compression. Le JPEG la réduit environ dix fois, à 3 ou 4 Mo, en abandonnant des détails que l’œil remarque à peine. Une photo est un tableur de nombres, et la retoucher, c’est de l’arithmétique.
En chiffres
- 16 777 216
- couleurs avec trois nombres de 8 bits par pixel
- 2 : 1 : 1
- filtres vert, rouge, bleu par bloc de Bayer
- 1 cran
- un cran (f/2,8 à f/4) divise la lumière par deux