Comment fonctionne un capteur d'appareil photo numérique : Tout en détails

Les appareils photo numériques sont partout autour de nous, et ils sont utilisés dans une variété de domaines différents. Vous trouverez des appareils photo numériques non seulement dans nos smartphones mais aussi dans les applications de surveillance, la surveillance du trafic, les lignes de production modernes, et bien d'autres industries.

Un appareil photo numérique capture une image en convertissant l'information d'image provenant de l'objectif et ce qui rend le processus de conversion possible est le capteur d'image. Il est aussi considéré comme le cœur d'un appareil photo numérique car l'appareil ne peut pas fonctionner sans lui. Alors, comment fonctionne un capteur d'appareil photo numérique ?

Qu'est-ce qu'un capteur d'appareil photo ?

Le capteur d'appareil photo est le composant mère de chaque appareil photo, et le capteur rend possible la capture d'une image. Pour former une image, il a besoin de lumière. La lumière vient de l'objet, et elle frappe le capteur de l'appareil photo.

Le capteur capture la lumière et la convertit en forme numérique. Cette forme numérique est ce que nous appelons une image numérique.

Le capteur est un dispositif à semi-conducteurs, et il est composé de quelques petits composants. Ce sont :

Réseau de filtres de couleurs

Le capteur d'appareil photo ne peut capturer que la lumière mais pas la couleur. Le réseau de filtres de couleurs donne au capteur la capacité de voir la couleur. Différents fabricants de capteurs utilisent différents types de réseaux ; le plus courant est le réseau Bayer GRGB.

Il est placé sur chaque pixel pour détecter la couleur, et chaque pixel ne peut détecter qu'une seule couleur. Donc, ce réseau de filtres de couleurs produit des échantillons de couleur incomplets. Ensuite, en utilisant le processus de démosaïquage, l'appareil reconstruit une image avec des couleurs complètes.

Filtre passe-bas

Si la lumière de haute fréquence passe à travers le capteur, elle peut produire certaines parties de l'image floues. Un filtre passe-bas est utilisé pour supprimer la fréquence de la lumière incidente, rendant l'image sûre contre l'aliasing.

L'aliasing peut causer des détails répétitifs dans une image, ce qui résulte en un flou. Mais limiter la fréquence de la lumière diminue les détails dans les images. Les fabricants aiguisent la photo pour que celles-ci semblent détaillées.

Filtre infrarouge

La lumière infrarouge peut causer des dominantes de couleur dans une image, et le capteur d'image est très sensible à la lumière infrarouge. Il y a un miroir entre l'objectif et le filtre passe-bas pour empêcher la lumière infrarouge d'atteindre le capteur. Ce miroir est le filtre infrarouge.

Circuitry (Circuits)

Bien que chaque capteur fasse le même travail, ils diffèrent dans leur construction. Les deux types de capteurs les plus courants sont le capteur CCD et le capteur CMOS. Les capteurs de type CCD collectent la charge de chaque cavité ou photosite et transfèrent la charge du capteur en utilisant un réseau vertical de pixels protégés de la lumière.

Les capteurs de type CMOS ont un amplificateur de signal à chaque pixel. Il collecte la charge de la cavité, puis convertit la charge en tension et l'amplifie sur les pixels. Ce capteur produit de la tension plutôt que de la charge comme un capteur CCD.

Mais comme il amplifie la charge à chaque pixel, il pourrait y avoir du bruit dans l'image, la plupart des capteurs CMOS contiennent un circuit de réduction de bruit supplémentaire.

Pixels

Le pixel mesure la quantité de lumière incidente qui tombe sur lui en utilisant un photodétecteur sensible. Ces photons de lumière causent la libération d'électrons du silicium, formant une charge au photosite.

Microlentilles

Les microlentilles sont une partie très importante du capteur. Elles augmentent la sensibilité du capteur en entonnoirant la lumière dans les pixels. Les circuits du capteur prennent une partie de chaque pixel, donc les microlentilles entonnoirent la lumière, et la lumière n'est pas affectée par les circuits.

Tous ces composants travaillent ensemble pour convertir l'information lumineuse en une image numérique.

Comment fonctionne un capteur d'appareil photo numérique ?

Un appareil photo numérique ne met même pas un millième de seconde pour capturer une image, mais dans ce court laps de temps, il accomplit de nombreuses tâches. Le capteur de l'appareil photo lui-même effectue les opérations primaires.

Ce qu'il fait, c'est capturer la lumière incidente et convertir la lumière en forme numérique. C'est tout, mais le processus pour le faire n'est pas très simple.

Quand vous appuyez sur le bouton d'obturation de l'appareil, les cavités du capteur sont exposées à la lumière. Il y a des millions de pixels dans un capteur, et le nombre de pixels d'un capteur est le même que celui des cavités, et ces cavités sont appelées photosites.

Les photosites sont sensibles à la lumière, et cette partie du capteur capture la lumière. Quand le bouton d'obturation de l'appareil est pressé, ces photosites sont exposés à la lumière et se ferment à la fin de l'exposition.

Pendant ce court temps d'exposition, la lumière frappe les photosites, et les photosites produisent un petit signal électrique ou charge.

Plus le temps d'exposition sera long, plus grande quantité de lumière frappera les photosites. Il en va de même pour la lumière plus vive, ce qui signifie que les conditions d'éclairage brillantes permettent à plus de photons de frapper les photosites.

Plus de photons frappent les photosites, plus de signal électrique sera produit et plus l'image sera nette.

Donc, chaque photosite de pixel produira une quantité différente de signal électrique. L'appareil mesurera ces signaux, et le résultat mesuré sera ensuite converti en une valeur numérique en utilisant un convertisseur analogique-numérique. La valeur résultante est ce que nous appelons une image.

Comme les photosites ne peuvent pas voir la couleur, le signal électrique ne peut être converti qu'en niveaux de gris. Donc, le capteur d'image utilise un réseau de filtres de couleurs pour détecter la couleur. Le type le plus courant de réseau de filtres de couleurs est le réseau Bayer.

Au-dessus de chaque photosite, il y a ce filtre Bayer. Un quart d'un pixel mesure la couleur rouge, un autre quart mesure la couleur bleue, et la moitié d'un pixel mesure la couleur verte. Chaque pixel ne peut capturer qu'une seule couleur.

Le filtre bleu capture le bleu, le rouge capture le rouge, et le vert capture le vert. La lumière qui ne correspond pas à la couleur du filtre rebondit. Cela signifie que nous perdons les deux tiers de la lumière incidente pour capturer chaque couleur, donc la luminosité d'une image est trois fois plus que la résolution de couleur.

Chaque photosite capture une couleur de lumière, et ensuite l'appareil devine les deux autres couleurs présentes dans cette lumière. Globalement, l'appareil interpole maintenant le signal de couleur de tous les pixels voisins et calcule la valeur de couleur complète pour chaque pixel.

L'information de couleur de tous les pixels est assemblée, et cela fait une image numérique.

Lire la suite : Comment lire un objectif d'appareil photo

Questions Fréquentes (FAQ)

Comment le capteur d'appareil photo peut-il voir la lumière ?

Le capteur numérique a des millions de photosites qui sont sensibles à la lumière. Quand le bouton d'obturation de l'appareil est pressé, ces photosites sont exposés à la lumière, capturant la lumière (photons) qui les frappe.

Comment le capteur capture-t-il une image ?

Quand la lumière frappe les cavités du capteur, elle crée un signal électrique. Le capteur mesure l'information et convertit ces données en forme numérique. Ensuite, il assemble toutes ces données numériques ensemble, et cela résulte en une image.

Derniers mots

Capturer une image n'est pas un gros problème. Mais le processus qui se passe à l'intérieur du capteur d'appareil photo n'est pas simple du tout. Espérons que ce guide vous donnera une bonne idée de comment fonctionne un capteur d'appareil photo numérique.