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Comment fonctionne l’appareil photo numérique – part I

23September
2015

Pour un contrôle complet du procédé de production d’une image numérique il faut avoir l’idée générale de la conception ainsi que du fonctionnement d’un appareil photo numérique.La seule différence fondamentale de l’appareil photo numérique de celui argentique consiste en la nature du matériel sensible à la lumière – dans les cas des appareils photo argentiques c’est la pellicule, et pour l’appareil photo numérique c’est le capteur d’image.

Et comme un procédé photographique traditionnelle est inséparable des propriétés du film, le processus de l’obtention d’une photo numérique dépend en grande partie sur la façon dont le capteur numérique convertit la lumière focalisée par la lentille en code numérique.

Le principe du fonctionnement du capteur numérique

Le capteur numérique est un circuit intégré constitué de minuscules éléments sensibles à la lumière – les photodiodes.

Il existe deux principaux types de capteurs: CCD (Charge-Coupled Device – dispositifs à transfert de charge) et CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – semi-conducteur complémentaire à l’oxyde de métal).

Les capteurs de deux types convertissent l’énergie de photon en signal électrique, qui est ensuite soumis à la numérisation.

Cependant, dans le cas du capteur CCD, le signal généré par les photodiodes est d’abord envoyé dans le processeur de l’appareil photo sous une forme analogique et seulement ensuite est numérisé, chaque photodiode du capteur CMOS est doté d’un individuel convertisseur analogique dédié – le processeur reçoit des données sous un format discret.

En général, les différences entre les capteurs CMOS et CCD sont importantes pour les ingénieurs, mais ne sont guère relevantes pour les photographes. Les fabricants du matériel photographique tiennent également compte du fait que le capteur CMOS, plus complexe et plus cher lors du développement, s’avèrent plus rentable que CCD lors de la production de masse – ainsi, à l’avenir, la technologie CMOS gagnera la place principale pour les raisons purement économiques.

Les photodiodes – dont tout capteur photo est constitué – sont capables de transformer l’énergie du flux lumineux en une charge électrique. Plus de photons sont détectés par les photodiodes, plus d’électrons sont obtenus au final. Évidemment, plus la surface totale de toutes les photodiodes est élevé, plus de lumière peut être absorbée – plus sensible le capteur photo est.

Malheureusement, les photodiodes ne peuvent pas être situés près l’un de l’autre – sinon il n’y aurait pas de place sur le capteur pour l’électronique d’accompagnement (ce qui est particulièrement important pour le capteur CMOS).

La surface du capteur sensible à la lumière est en moyenne égale à 25-50% de sa superficie totale.

Pour réduire la perte de lumière, chaque photodiode est couvert par une microlentille qui dépasse sa zone et se trouve en contact avec les microlentilles des photodiodes adjacentes.

Les microlentilles recueillent la lumière et la dirigent à l’intérieur des photodiodes, en améliorant ainsi la sensibilité du capteur.

La lumière est la base de toute photo. La lumière pénètre dans la caméra à travers l’objectif, dont les lentilles forment une image de l’objet sur le capteur photosensible. Lorsqu’on appuie sur le déclencheur, le verrou de l’appareil photo s’ouvre (habituellement, pour une fraction de seconde) et l’image se fait exposer – le capteur de l’appareil photo est éclairé d’un flux de lumière d’une intensité déterminée. Selon le souhait d’obtenir une image claire ou sombre, on aura besoin de différentes quantités de lumière – des expositions différentes.

A la fin de l’exposition, la charge électrique générée par chaque photodiode est analysée, amplifié et est converti en un code binaire qui est ensuite traité par le processeur de l’appareil. En règle générale, chaque photodiode du capteur correspond à un pixel de l’images future.

La profondeur de bits détermine le nombre des nuances de couleurs – les gradations de luminosité pour chaque pixel. Plus la profondeur de bits est élevée, plus lisses transitions de teintes l’appareil photo est capable d’enregistrer. La plupart des appareils photo numériques est capable de stocker de 12 à 14 bits d’information pour chaque pixel (12 bits signifie 4.096 nuances, et 14 bits – 16.384 nuances).

Plage dynamique

Sous le terme de la plage dynamique du capteur photo on entend le rapport entre le niveau de signal maximal des photodiodes et le bruit de fond du capteur – donc, le rapport entre d’intensité maximale et minimale de lumière que le capteur peut absorber.

Les plus de photons la photodiode est capable de saisir avant qu’il atteigne la saturation, plus grande sera la grande plage dynamique du capteur dans son ensemble. La capacité des photodiodes est proportionnelle à leur taille physique – un appareil photo avec une grande matrice (donc, avec plus grandes photodiodes) aura une plus large plage dynamique et moins de bruit.

En outre, un grand capteur signifie généralement une plus grande sensibilité ISO maximale pour un modèle concret d’appareil photo – après tout, l’augmentation du paramètre ISO dans l’appareil photo numérique est l’amplification du signal électrique avant sa numérisation. Naturellement, ensemble avec le signal utile, le bruit est aussi amplifié à son tour – donc, un capteur avec un plus grand rapport signal // bruit fournit une image plus claire aux paramètres d’ISO plus élevés.

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La deuxième partie de cet article suivra sous peu

publié sous Conseils photo

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