Caméras et objectifs (2020)

• En partant du principe d’enregistrement de la lumière, cette explication technique visualise étape par étape comment le capteur, l’objectif et l’ouverture d’un appareil photo numérique forment une image
• Elle explique comment le capteur d’image convertit les photons en signaux électriques, puis comment les couleurs sont reconstituées via le filtre de Bayer et le dématriçage
• En partant de la caméra à sténopé, elle introduit les notions de réfraction, lentille et distance focale pour construire la structure optique d’un véritable appareil photo
• Elle analyse de manière mathématique et visuelle la relation entre l’ouverture (f-number), la profondeur de champ (depth of field) et le bokeh
• Elle traite des limites des objectifs réels, comme les aberrations et les aberrations chromatiques, et souligne que la conception optique est une technique de contrôle du trajet de la lumière

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Enregistrement de la lumière et capteurs numériques

• Les premières photographies utilisaient des films aux halogénures d’argent, mais les appareils modernes les ont remplacés par des capteurs d’image
  • Les capteurs sont composés de réseaux de photodétecteurs qui convertissent les photons en courant électrique
  • La quantité d’exposition varie selon le temps de collecte, c’est-à-dire la vitesse d’obturation
• Comme le capteur ne peut pas détecter directement les couleurs, on utilise une matrice de filtres colorés (Color Filter Array)
  • Le filtre de Bayer est composé de 2 filtres verts, 1 rouge et 1 bleu
  • S’il y a deux fois plus de vert, c’est parce que l’œil humain est le plus sensible à la luminance dans la zone verte
• Lors du dématriçage (demosaicing), les valeurs RGB sont interpolées pour reconstituer une image couleur complète
• La vitesse d’obturation détermine la durée de collecte des photons ; si elle est excessive, il y a surexposition, si elle est insuffisante, sous-exposition

Principe de la caméra à sténopé

• Si l’on laisse le capteur exposé, la lumière entre depuis toutes les directions et forme une image inutilisable
• Pour résoudre ce problème, on utilise une boîte percée d’un petit trou (caméra à sténopé)
  • La lumière qui entre par ce trou se croise et forme une image inversée de haut en bas et de gauche à droite
  • L’ajustement de la distance entre le trou et le capteur modifie le champ de vision (field of view)
• Plus le trou est petit, plus l’image est nette, mais la quantité de lumière entrant diminue, donc la luminosité baisse
  • S’il devient trop petit, l’image redevient floue à cause de la diffraction
• La caméra à sténopé est simple, mais peu efficace en lumière et ne permet pas de contrôler la mise au point

Verre et réfraction

• Si la lumière change de direction en traversant le verre, c’est à cause de la différence d’indice de réfraction (index of refraction)
  • Indice de réfraction n = c / vₚ (rapport des vitesses de la lumière)
  • Air 1.0003, eau 1.33, verre 1.53, diamant 2.43
• Loi de Snell (Snell’s law) : n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂
  • Quand la lumière pénètre dans un milieu à indice de réfraction plus élevé, elle se courbe vers la normale
• À certains angles, on observe une réflexion totale interne (total internal reflection)
  • Ce phénomène est à l’origine de l’éclat du diamant

Lentilles et mise au point

• Une plaque de verre parallèle ne change pas la direction de la lumière, mais un verre courbe (lentille) fait converger ou diverger la lumière
  • Une lentille convexe (convex lens) rassemble les rayons parallèles en un point
  • La distance focale (focal length) est la distance entre le centre de la lentille et le foyer
• Équation des lentilles minces : 1/sₒ + 1/sᵢ = 1/f
  • Relation entre la distance de l’objet (sₒ), la distance de l’image (sᵢ) et la distance focale (f)
• En ajustant la distance entre la lentille et le capteur, on peut régler la mise au point (focus)
  • Lors du déplacement du plan de mise au point, une variation d’angle de champ (focus breathing) peut se produire
• Un objectif zoom modifie la distance focale elle-même en déplaçant plusieurs éléments en verre

Ouverture et profondeur de champ

• L’ouverture (aperture) contrôle la quantité de lumière traversant l’objectif ainsi que l’angle des rayons lumineux
  • Petite ouverture → grande profondeur de champ (depth of field)
  • Grande ouverture → faible profondeur de champ et effet de bokeh
• Le f-number (N = f / D) est le rapport entre la distance focale et le diamètre de la pupille d’entrée
  • f/2 correspond à f=50mm, D=25mm
  • Plus le f-number est petit, plus l’objectif est lumineux et plus une vitesse d’obturation rapide est possible
• Le f-number augmente par multiples de 1.4 ; à chaque stop supplémentaire, la quantité de lumière est divisée par deux
• Plus l’ouverture est petite, plus la résolution se dégrade à cause de la diffraction

Aberrations et aberrations chromatiques

• Les objectifs réels ne sont pas parfaits, d’où l’apparition d’aberrations
  • Types représentatifs : aberration sphérique, coma, astigmatisme, courbure de champ, distorsion
• L’aberration chromatique (chromatic aberration) est un phénomène de séparation des couleurs dû aux différences d’indice de réfraction selon la longueur d’onde
  • Une lentille achromatique (achromatic lens) corrige cela en combinant des verres de matériaux différents
• Les objectifs haut de gamme combinent plusieurs éléments optiques (optical elements) afin de minimiser
  les aberrations, le vignettage et le flare

Conclusion

• L’essence des caméras et des objectifs réside dans la technique qui consiste à contrôler le trajet de la lumière pour former une image
• Au moment où l’on appuie sur le déclencheur, une conception optique de précision et le capteur coopèrent pour accomplir
  l’acte d’enregistrer le réel avec la lumière