15 novembre 2022

Comment fonctionne le capteur d’un appareil photo ?

Par Gaëtan Berthouly

15 novembre 2022


Dans cet article on va voir comment fonctionne le capteur d’un appareil photo, autrement dit : comment est-ce qu’un boîtier photo transforme une scène qui se trouve devant nous en une photo numérique pixellisée.

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L’ESSENTIEL

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Capteur d’appareil photo et lumière

Un appareil photo est composé de deux grandes parties :

  • l’objectif,
  • le boîtier.
https://www.pexels.com/fr-fr/photo/appareil-photo-reflex-numerique-noir-sur-surface-blanche-51383/

La lumière est composée de photons qui passent à travers l’ouverture de l’objectif (appelée aussi diaphragme) pour arriver sur un capteur logé dans le boîtier.

Schéma du parcours de la lumière jusqu’au capteur

Un capteur est un dispositif électronique qui recueille les informations lumineuses.

« Mais quelles informations ?« 

  1. Lorsque les photons entrent en collision avec certains matériaux, comme les capteurs CMOS en silicium, des photoélectrons sont libérés du matériau du capteur. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet photoélectrique (voir schéma ci-dessous). Et une partie de ces photoélectrons (les électrons libres) va donner une information sur l’intensité lumineuse, autrement dit, va indiquer si la lumière est plus ou moins claire.
  2. Cette lumière passe aussi à travers un filtre de couleur, ce qui va donner une formation sur la couleur de la lumière.
L’effet photoélectrique
source : https://scientificimaging.com/knowledge-base/photoelectric-effect/

Le temps de pose (ou vitesse d’obturation) définit la durée pendant laquelle ces informations lumineuses sont collectées par le capteur, et l’ouverture joue aussi la quantité de lumière reçue par le capteur.

On pourrait comparer ça à un robinet d’eau, si on le laisse ouvert longtemps (temps de pose) on fait sortie plus d’eau, et si on l’ouvre plus (ouverture) on fait aussi sortir plus d’eau.

https://unsplash.com/photos/hc8wUjr5S_Q

Il existe deux types courants de capteurs photo :

  • le capteur CMOS pour « complementary metal-oxide semiconductor » ou « semiconducteur d’oxyde de métal complémentaire » en français,
  • et le capteurs CCD pour « charge-coupled device » ou « dispositif à transfert de charges ».

En raison de ses performances supérieures, notamment en cas de faible luminosité, et de son coût plus faible, le capteur CMOS est présent dans presque tous les boîtiers numériques modernes.

Les capteurs CMOS sont définis par :

  • leur taille physique (surface de capture de l’information lumineuse),
  • et le nombre de photosites (et leurs tailles/pas) recueillant l’information lumineuse.

Photosites et pixels en photographie

Les électrons libres (produits suite à l’effet photoélectrique qu’on a vu juste avant) sont collectés et comptés par les photosites qui composent le capteur. Un capteur de boîtier photo contient des millions de photosites. Ce sont de petits carrés de tailles identiques ordonnés en grille rectangulaire.

Les photosites composant le capteur sont si petits qu’il est impossible de les voir individuellement à l’œil nu.

Capteur photo composé de photosites
Source : Wikipédia

Un photosite est l’unité de base du capteur, c’est une sorte de petit seau qui permet de collecter et de transmettre des informations lumineuses. Chaque « seau de photosite » a une capacité maximale d’électrons qu’il peut collecter.

L’information lumineuse est convertie en un signal électrique (puis numérique), et la sensibilité ISO détermine l’amplification de ce signal. On pourrait comparer ça à la radio : si vous augmentez le volume (les ISO) vous augmentez le signal (et le bruit parasite), si vous diminuez le volume (les ISO) vous diminuez le signal (et le bruit parasite).

Puis ces informations numériques sont stockées dans la mémoire tampon puis sur une carte mémoire sous forme de fichier image.

Globalement 1 photosite donne naissance à 1 pixel d’une couleur (du système RVB) et d’une tonalité (du noir au blanc en passant par les niveaux de gris). Et la combinaison de millions de petits pixels de couleurs et tonalités différentes crée la photo.

Remarque

Je détaille comment la couleur et la tonalité d’un pixel sont déterminées plus après dans l’article.

Pixels, photographie et exposition

Ci-dessous on schématise les pixels composants une photo. Imaginez que c’est une scène du monde réel que vous voyez sur l’écran LCD derrière votre boîtier en mode liveview ou sur votre écran d’ordinateur.

Bon, il n’y a pas des millions de carrés mais c’est schématique
Source : https://www.davemorrowphotography.com/camera-sensor-size-guide

Lorsqu’on commence à zoomer sur le rectangle rouge, on commence à discerner de plus en plus les pixels qui composent la photo.

À un certain niveau de zoom, on se rapproche tellement qu’on peut discerner chaque pixel individuellement, ils sont si petits qu’ils ne contiennent aucun détail, seulement une couleur combinée à un ton unique. La combinaison de tous ces petits carrés colorés produit la photo.

Si on résume : la photographie numérique est le processus d’enregistrement des couleurs et des tons du monde réel grâce à des photosites qui convertissent les informations lumineuses en signal électrique puis en pixels qui composent une photo.

  • Lorsque l’exposition est correcte (donc temps de pose, ISO et ouverture réglés correctement), chaque photosite du capteur recueille et enregistre la couleur exacte de ce qu’il capte, ce qui produit un pixel « exact » de la réalité.
  • Lorsque l’exposition est incorrecte (et donc les réglages aussi) : la photo numérique ne correspond pas à la scène photographiée.

C’est pourquoi (sauf exception comme par exemple pour une photo de silhouette où on cherche à sous-exposer le sujet), l’exposition d’une photo est une étape uniquement technique : c’est la collecte optimale de l’information lumineuse. L’artistique vient avant, avec la composition, et après, au développement.

L’objectif du photographe est donc sélectionner les réglages corrects de l’appareil photo pour exposer correctement et transmettre ces informations avec précision et exactitude, afin de produire un fichier photo optimal. Un fichier photo optimisé qui permettra par la suite une marge de manœuvre créative maximale au développement.

https://www.pexels.com/fr-fr/photo/appareil-photo-ordinateur-portable-table-dslr-7610529/

Boîtiers, capteurs et Mégapixels

Les appareils photo sont souvent classés en fonction du nombre total de pixels que leurs capteurs produisent. On parle souvent de mégapixels (MP), par exemple « un capteur de 24 MP« . Ce qui signifie « en gros » un capteur de 24 millions de photosites, mais pour faire plus court on parle du résultat produit et non du nombre de photosites qui composent le capteur.

Méga est le terme mathématique désignant 10^6, (qui se dit « 10 à la puissance 6 »), qui peut s’écrire 1 000 000 ou 1 million.

Donc 1 mégapixel = 1 million de pixels (= 1 million de photosites)

Par exemple, un capteur 20,2 MP de Canon 70 D (20 200 000 de pixels) produit au maximum de sa qualité une photo de 5472 pixels de large x 4912 pixels de hauteur = 19 961 856 pixels.

« Mais on a un écart !« 

Et oui car, comme je vous le disais un peu avant, en réalité 1 photosite n’est pas vraiment égal à 1 pixel. Ça c’est la version simplifiée.

On aura toujours moins de pixels que de photosites, car plusieurs photosites sont utilisés et réutilisés pour faire un pixel. Le schéma ci-dessous illustre comment les photosites produisent les pixels.

Dans ce schéma les ronds gris représentent les photosites et les carrés rouges, verts et bleus représentent les pixels.

« Et plus de mégapixels c’est mieux ?« 

Ça dépend.

Déjà au niveau des capacité en faible luminosité : plus de photosites (pour une même surface) produit plus de bruit et capture moins de plage dynamique (donc de détails dans les valeurs tonales extrêmes) . Si le sujet vous intéresse je parle plus en détail ici de l’impact de la taille du capteur en photo.

Si vous comptez faire des impressions grand format ou que vos photos impliquent souvent des recadrages au post-traitement un plus grand nombre de mégapixels peut aussi être pertinent. Plus de pixels (sur une surface de capteur adaptée) implique aussi plus de finesse dans la capture des détails d’une photo.

Mais, si vous vous contentez de partager vos photos en ligne ou de produire des impressions normales ça n’aura pas grand intérêt d’avoir plus de mégapixels.

La vérité est qu’il faudra toujours trouver un équilibre entre :

  • l’efficacité de la technologie des capteurs,
  • la qualité des objectifs,
  • la taille du capteur,
  • et ce que vous voulez faire de vos photos (medium final).

Détermination de la tonalité des pixels

Comme je vous le disais au début, le nombre d’électrons collectés par chaque photosite détermine la « luminosité » d’un pixel. On parle aussi de luminance (ou valeur tonale) pour une couleur.

Sélecteur de couleur de Photoshop où on peut modifier la couleur en modifiant la Teinte, la Saturation et la Luminance

Cette luminance fonctionne sur une échelle allant du noir au blanc. L’échelle du noir au blanc est connue sous le nom de gamme tonale (ou échelle tonale ou plage dynamique).

Schéma d’un dégradé de valeurs tonales allant du noir « pur » au blanc « pur »
  • Plus un photosite recueille d’électrons, plus la valeur tonale correspondante est claire.
  • Un pixel blanc signifie que le photosite contient la quantité maximale d’électrons.
  • Un pixel noir signifie que le photosite ne contient pas d’électron.
  • Toutes les valeurs comprises entre le maximum et le minimum produisent des valeurs tonales en niveaux de gris.
  • Le nombre d’électrons ne permet pas de déterminer de couleur, c’est pourquoi un filtre de couleur est placé sur chaque photosite afin de déterminer la couleur du pixel (j’y reviens plus bas).

Le graphique ci-dessous schématise la gamme des tons et le nombre d’électrons nécessaires pour créer chaque valeur tonale. Le nombre d’électrons est inventé et n’a pas d’importance, le but de ce schéma est juste de visualiser le concept.

Schéma nombre d’électrons et impact sur valeur tonale
Plus d’électrons collectés = Valeurs tonales plus claires = Pixels plus clairs affichés sur la photo

Dans notre exemple schématique :

  • le seau du photosite 1 a collecté 8 électrons, produisant une valeur tonale sombre,
  • le seau du photosite 2 a recueilli 22 électrons, produisant une valeur tonale claire,
  • le seau du photosite 3 a recueilli 13 électrons, produisant une valeur tonale moyenne.

Le nombre d’électrons collectés par chaque photosite produit une valeur tonale correspondante pour un pixel. Cette information est transmise du capteur photo au monde numérique (code binaire) par un signal électronique qui va afficher sur la photo finale un pixel d’une couleur plus ou moins claire.

Signal numérique, surexposition et sous-exposition

Chaque électron (produit suite à la collision d’un photon contre le capteur) porte une petite charge électrique. Plus le nombre d’électrons collectés par un photosité est élevé, plus le seau du photosite contient de charge électrique.

Cette charge est utilisée pour transférer les informations lumineuses du monde réel (collectée par chaque photosite), en informations numériques (code binaire) que les appareils photos et les ordinateurs peuvent comprendre.

À chaque valeur tonale, sur l’échelle du noir au blanc, correspond un signal spécifique pour la produire. Autrement dit, des niveaux de signal spécifiques produisent des valeurs tonales spécifiques. Et plus un photosite collecte d’électrons, plus le signal qu’il crée est fort.

Pour résumer :

Moins de lumière = moins d’électrons = signal plus faible = valeur tonale plus sombre

Plus de lumière = plus d’électrons = signal plus fort = valeur tonale plus claire

  • Lorsqu’un photosite est rempli à ras bord d’électrons (créant le signal maximal), la valeur tonale correspondante est blanche, ce qui produit un pixel blanc sur la photo.
  • Comme le photosite est plein, il ne peut plus collecter d’informations lumineuses. C’est ce qu’on appelle un pixel entièrement saturé. En photographie on parle de pixel « écrêté« , « cramé » ou « surexposé« .
  • Aucune des informations que le pixel a recueillies avant le remplissage ne peut être récupérée ou utilisée dans la photo finale : les informations ont disparu à jamais !
Pixel blanc « cramé »
  • Lorsqu’un photosite ne contient pas d’électrons, il ne produit aucun signal. La valeur tonale correspondante est noire, ce qui produit un pixel noir dans la photo.
  • Comme le photosite est vide, il ne peut pas collecter d’informations lumineuses. C’est ce qu’on appelle un pixel entièrement désaturé. En photographie on parle de pixel « bouché » ou « sous-exposé« .
  • Aucune informations n’a été recueillies par le pixel. L’information ne peut pas être crée ou inventées dans la photo finale : elle n’a jamais existée !
Pixel noir « bouché »
Schéma puissance du signal et valeur tonale

Détermination de la couleur des pixels

Comme on l’a vu, les informations relatives à la couleur ne peuvent pas être déterminées directement par le nombre d’électrons recueillit, c’est pourquoi un filtre de couleur est placé sur chaque photosite.

La plupart des capteurs CMOS utilisent un filtre de Bayer : c’est une grille qui recouvre le capteur, elle est composée de 3 couleurs : rouge, vert et bleu. 1 seul filtre de couleur recouvre 1 seul photosite. Au niveau de la répartition des filtres de couleurs, on a :

  • 50 % de photosites recouverts d’un filtre vert,
  • 25% de photosites recouverts d’un filtre bleu,
  • et 25% de photosites recouverts d’un filtre rouge.
Schéma du filtre de Bayer
Source : wikipédia

La couleur de chaque pixel est déterminée par la couleur de la lumière (fréquence de l’onde lumineuse) qui traverse ce filtre :

  • la lumière rouge passe à travers les pixels filtrés en rouge, mais pas la lumière verte et bleue,
  • la lumière bleue passe à travers les pixels filtrés en bleu, mais pas la lumière rouge et verte,
  • etc.

Pourquoi plus de filtres verts ?

Pour l’œil humain, la luminosité perçue du vert est supérieure à celle du rouge ou du bleu, c’est pourquoi les pixels filtrés en vert sont représentés deux fois plus souvent dans le filtre de Bayer.

Chaque photosite ne peut recueillir que les informations de couleur primaire du filtre rouge, vert ou bleu qui lui est attribué, ainsi que le nombre d’électrons collectés dans le « seau » du photosite (qui déterminent la valeur tonale).

En utilisant ces informations, et une série d’algorithmes et d’interpolations, l’appareil photo peut déterminer la couleur contenue dans chaque photosite.

La précision et l’exactitude avec lesquelles ces informations sont communiquées et affichées dans l’image finale sont déterminées par la profondeur de bits.

En résumé :

Couleur (filtre de Bayer)+ Valeur tonale (nombre d’électrons) = couleur finale pour chaque pixel
Schéma détermination de la couleur d’un pixel à partir d’un photosite

Conclusion

On arrive à la fin de cet article sur le fonctionnement d’un capteur photo. Je pense que maintenant vous comprenez parfaitement comment fonctionne un capteur et comment il créait une photo.

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Moi je vous laisse ici à votre capteur, et je vous dis à bientôt sur les internets MONDIAUX !

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