Comment fonctionne un appareil photo ?

Par la rédaction de WhiteWall

Les photos nous permettent de conserver des souvenirs et des moments particuliers. À l'ère des appareils photo numériques, c'est plus facile que jamais. Nous appuyons sur le déclencheur, regardons l'image sur l'écran et le souvenir est déjà "dans la boîte". Mais que se passe-t-il réellement dans l'appareil photo lorsque nous appuyons sur le déclencheur ? Comment la lumière devient-elle une image ? Et quelles caractéristiques d'équipement jouent un rôle central dans l'appareil photo ? Nous vous proposons de jeter un coup d'œil à l'intérieur de l'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.

L'autofocus

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. La détection de phase des appareils photo reflex numériques fonctionne également selon ce principe.

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. Des microlentilles sur le capteur créent une image double à partir de la lumière. La caméra analyse alors si et dans quelle mesure ces images sont décalées l'une par rapport à l'autre. Sur la base de cette information, elle reconnaît si l'objet se trouve devant ou derrière le plan de netteté et transmet cette information au moteur d'autofocus dans l'objectif, afin que celui-ci place à son tour les lentilles rapidement et précisément dans la bonne position. Si les images doubles sont exactement superposées lors de la détection de phase comme lors de l'affichage de l'image en coupe, le sujet est net. 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. La mise au point peut alors se tromper. Si l'on veut jouer la carte de la sécurité, il est préférable d'utiliser les objectifs originaux du fabricant de l'appareil photo. Lors des mises à jour du firmware de l'appareil photo, qui corrigent souvent aussi les problèmes d'autofocus, les corrections sont adaptées aux objectifs originaux.

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 et la lumière ne doit pas être d'abord dirigée vers un module séparé via des miroirs, comme c'est le cas pour la détection de phase des reflex numériques.

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.

La mesure de l'exposition

Vous savez qu'une photo n'est jamais réussie parce qu'elle semble toujours trop claire ou trop sombre ? Dans ce cas, il est utile de se familiariser avec le fonctionnement de la mesure d'exposition de votre appareil photo. 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.

Vous trouverez des informations détaillées sur l'exposition idéale au chapitre "3.4. Mesurer et régler l'exposition correcte".

L'obturateur

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'intervalle de temps entre le deuxième rideau et le premier est déterminé par la vitesse d'obturation réglée sur l'appareil photo. Avec les obturateurs mécaniques actuels, il est possible d'obtenir des temps d'exposition courts allant jusqu'à 1/8 000 de seconde.

Avec des vitesses d'obturation très courtes, le deuxième rideau d'obturation se déplace déjà vers le bas avant même que le premier ne soit arrivé en bas. On peut s'imaginer que ce n'est pas tout le capteur qui est exposé, mais seulement une fente étroite qui se déplace du haut vers le bas. Comme une telle fente peut poser des problèmes lors de prises de vue au flash, les caractéristiques techniques de tous les appareils photo indiquent un temps de synchronisation du flash. Celui-ci est souvent indiqué comme étant de 1/250 seconde. La vitesse de synchronisation du flash est la durée la plus courte pendant laquelle l'obturateur est tout juste complètement ouvert. À 1/320 de seconde, le deuxième rideau d'obturateur glisserait déjà du haut vers le bas avant que le premier rideau d'obturateur n'ait atteint l'extrémité inférieure du capteur, ce qui aurait pour conséquence qu'une partie de la zone supérieure de l'image serait assombrie malgré le flash.

Der elektronische Verschluss

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. Pour simplifier, on peut se représenter le déroulement de l'obturateur électronique des capteurs CMOS utilisés aujourd'hui dans presque tous les appareils photo numériques grand public comme suit : 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. Ce "redémarrage" correspond au premier rideau d'obturation. À la fin du temps d'exposition, le capteur de l'obturateur électronique traditionnel est lu ligne par ligne de haut en bas. Ce moment peut être comparé au deuxième rideau d'obturation.

L'exposition électronique est très rapide et permet donc des temps d'obturation très courts qui ne seraient pas réalisables avec un obturateur mécanique. Le Canon EOS R3 permet par exemple des vitesses d'obturation allant jusqu'à 1/64.000 seconde. Un inconvénient de l'obturateur électronique traditionnel apparaît toutefois lorsque soit le sujet, soit le photographe déplace l'appareil. Comme le capteur est lu ligne par ligne, il peut arriver que le sujet se trouve déjà dans une autre position dans les lignes lues plus bas qu'au début de la lecture dans les premières lignes. Cela peut entraîner des distorsions, également appelées "rolling shutter". On reconnaît cet effet, par exemple, au fait que les pales d'un ventilateur apparaissent légèrement déformées dans l'image.

Une combinaison des deux méthodes

Sur les appareils photo numériques modernes, il est possible de combiner les deux méthodes d'obturation. Dans ce cas, le premier obturateur est déclenché électroniquement. L'avantage est qu'il n'y a pas de bruit ni de vibrations. Pour le deuxième obturateur, les lamelles de l'obturateur mécanique se déplacent vers le bas.

Obturateur global

Avec le Sony Alpha 9 III, le fabricant japonais a présenté le premier appareil photo numérique grand public équipé de ce que l'on appelle un Global Shutter. Il s'agit d'un obturateur électronique dans lequel les photodiodes du capteur ne sont pas lues ligne par ligne, mais toutes en même temps. Le Global Shutter évite ainsi l'effet de rolling shutter qui se produit avec les obturateurs électroniques traditionnels. Le capteur Sony Global Shutter au format 35 mm permet des temps d'exposition très courts, jusqu'à 1/80.000 de seconde, et est donc particulièrement recommandé pour les photos de sport et d'action sans distorsion avec des vitesses d'obturation rapides. En outre, il est même possible de prendre des photos au flash à 1/80.000 de seconde. Jusqu'à présent, cela n'était possible qu'avec des appareils analogiques ou des appareils numériques moyen format extrêmement chers, dont l'obturateur électronique est intégré à l'objectif.

Le stabilisateur d'image (IBIS)

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. Sony, Panasonic et Olympus ont été les premiers fabricants à proposer un système IBIS ("In Body Camera Stabilization"). Depuis, d'autres fabricants leur ont emboîté le pas.

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. Certains fournisseurs proposent en outre un autofocus hybride. Dans ce cas, les unités de stabilisation d'image du capteur de l'appareil photo et de l'objectif fonctionnent ensemble et permettent de prendre des photos à main levée avec des temps d'exposition relativement longs. L'OM System OM-1 Mark II permet par exemple de photographier à main levée avec des temps d'exposition jusqu'à 8,5 diaphragmes plus longs que ce qui serait possible sans stabilisation.

Le traitement de l'image

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.

Si, en revanche, vous souhaitez traiter vos photos directement dans l'appareil photo pour les partager sous forme de fichiers JPEG finis et peu encombrants, vous devez au préalable effectuer quelques réglages sur l'appareil photo pour le développement. Important : 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. Si l'on ne souhaite pas laisser le traitement interne de l'appareil photo au logiciel, il est possible d'intervenir manuellement. 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. De plus, de nombreux fabricants proposent également des filtres à effets artistiques. Chez Fujifilm, la simulation de film permet également de simuler l'aspect des anciens films analogiques.

Conclusion

Dans le monde fascinant de la photographie, l'appareil photo est l'outil qui permet de capturer nos souvenirs et de fixer des moments pour l'éternité. La technique derrière l'appareil photo est complexe, mais elle nous permet de capturer et de partager nos visions créatives. En comprenant l'interaction entre la lumière, le capteur et la mécanique, nous pouvons développer nos compétences photographiques et créer des images encore plus impressionnantes. Nous sommes à vos côtés pour vous aider à parfaire vos images.