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2.7 : La caméra

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    Objectifs d'apprentissage

    À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

    • Décrire l'optique d'une caméra
    • Caractériser l'image créée par une caméra

    Les appareils photo sont très courants dans notre vie de tous les jours. Entre 1825 et 1827, l'inventeur français Nicéphore Niépce a photographié avec succès une image créée par un appareil photo primitif. Depuis lors, d'énormes progrès ont été réalisés dans la conception de caméras et de détecteurs basés sur des caméras.

    Initialement, les photographies ont été enregistrées en utilisant la réaction photosensible de composés à base d'argent tels que le chlorure d'argent ou le bromure d'argent. Le papier photographique à base d'argent était couramment utilisé jusqu'à l'avènement de la photographie numérique dans les années 1980, qui est étroitement lié aux détecteurs de dispositifs à transfert de charge (CCD). En résumé, un CCD est une puce semi-conductrice qui enregistre les images sous la forme d'une matrice de petits pixels, chaque pixel étant situé dans un « bac » de la surface. Chaque pixel est capable de détecter l'intensité de la lumière qui le frappe. La couleur est mise en jeu en plaçant des filtres de couleur rouge, bleu et vert sur les pixels, ce qui donne des images numériques colorées (Figure\(\PageIndex{1}\)). À sa meilleure résolution, un pixel CCD correspond à un pixel de l'image. Pour réduire la résolution et la taille du fichier, nous pouvons « regrouper » plusieurs pixels CCD en un seul, ce qui donne une image plus petite mais « pixelisée ».

    Une photographie d'un dispositif à transfert de charge est présentée. Une petite partie est agrandie et montre plusieurs pixels avec des carrés rouges, bleus et verts. Il est étiqueté « capteurs pour les longueurs d'onde de lumière rouge, bleue ou verte » et « conversion en tensions ». Une photographie de fleurs est présentée, étiquetée « sortie photo ».
    Figure\(\PageIndex{1}\) : Un dispositif à transfert de charge (CCD) convertit les signaux lumineux en signaux électroniques, permettant ainsi le traitement électronique et le stockage d'images visuelles. C'est la base de l'imagerie électronique de tous les appareils photo numériques, des téléphones portables aux caméras vidéo. (crédit gauche : modification de l'œuvre de Bruce Turner)

    De toute évidence, l'électronique fait partie intégrante d'un appareil photo numérique ; toutefois, la physique sous-jacente est l'optique de base. En fait, l'optique d'un appareil photo est à peu près la même que celle d'un objectif unique dont la distance entre les objets est nettement supérieure à la distance focale de l'objectif (Figure\(\PageIndex{2}\)).

    La figure montre la vue latérale d'un appareil photo numérique. À l'avant de la caméra se trouve une ouverture marquée par un disque, suivie d'un objectif biconvexe, d'un objectif biconcave, d'un miroir incliné étiqueté miroir rabattable, d'un obturateur et d'un capteur. Le trajet de la lumière est indiqué de telle sorte que la lumière entre dans l'appareil photo par l'ouverture et les objectifs et frappe le miroir. Il est réfléchi vers le haut vers le système de visualisation. Ici, il est réfléchi par deux autres miroirs avant de passer à travers une lentille biconvexe et de sortir de l'appareil photo.
    Figure\(\PageIndex{2}\) : Les appareils photo numériques modernes sont équipés de plusieurs objectifs pour produire une image claire avec un minimum d'aberration et utilisent des filtres rouge, bleu et vert pour produire une image couleur.

    Prenons l'exemple de l'appareil photo d'un smartphone. Un appareil photo de smartphone moyen est équipé d'un objectif grand angle fixe d'une distance focale d'environ 4 à 5 mm. (Cette distance focale est à peu près égale à l'épaisseur du téléphone.) L'image créée par l'objectif est focalisée sur le détecteur CCD monté sur le côté opposé du téléphone. Dans un téléphone portable, l'objectif et le CCD ne peuvent pas bouger l'un par rapport à l'autre. Alors, comment s'assurer que les images d'un objet éloigné et d'un objet proche sont bien nettes ?

    Rappelez-vous qu'un œil humain peut s'adapter à des images lointaines et rapprochées en modifiant sa distance focale. La caméra d'un téléphone portable ne peut pas le faire car la distance entre l'objectif et le détecteur est fixe. C'est là que la faible distance focale devient importante. Supposons que nous ayons un appareil photo avec une distance focale de 5 mm. Quelle est la distance d'image pour un selfie ? La distance de l'objet pour un selfie (la longueur de la main tenant le téléphone) est d'environ 50 cm. En utilisant l'équation de la lentille fine, nous pouvons écrire

    \[\frac{1}{5mm}=\frac{1}{500mm}+\frac{1}{d_i} \nonumber \]

    Nous obtenons ensuite la distance de l'image :

    \[\frac{1}{d_i}=\frac{1}{5mm}−\frac{1}{500mm} \nonumber \]

    Notez que la distance de l'objet est 100 fois supérieure à la distance focale. Nous pouvons clairement voir que le terme 1/ (500 mm) est nettement inférieur à 1/ (5 mm), ce qui signifie que la distance de l'image est à peu près égale à la distance focale de l'objectif. Un calcul réel nous donne la distance d'image d i = 5,05 mm. Cette valeur est très proche de la distance focale de l'objectif.

    Considérons maintenant le cas d'un objet distant. Disons que nous aimerions prendre une photo d'une personne qui se tient à environ 5 mètres de nous. En utilisant à nouveau l'équation de la lentille fine, nous obtenons la distance d'image de 5,005 mm. Plus l'objet est éloigné de l'objectif, plus la distance de l'image est proche de la distance focale. Dans le cas limite d'un objet infiniment éloigné, nous obtenons la distance de l'image exactement égale à la distance focale de l'objectif.

    Comme vous pouvez le constater, la différence entre la distance d'image pour un selfie et la distance d'image pour un objet éloigné est d'environ 0,05 mm ou 50 microns. Même une courte distance d'objet, telle que la longueur de votre main, est supérieure de deux ordres de grandeur à la distance focale de l'objectif, ce qui entraîne des variations infimes de la distance de l'image. (La différence de 50 microns est inférieure à l'épaisseur d'une feuille de papier moyenne.) Une si petite différence peut être facilement compensée par le même détecteur, positionné à la distance focale de la lentille. Un logiciel d'analyse d'image permet d'améliorer la qualité de l'image

    Les appareils photo de type « point and shoot » classiques utilisent souvent un objectif mobile pour modifier la distance entre l'objectif et l'image. Les objectifs complexes des appareils photo reflex les plus chers permettent d'obtenir des images photographiques d'une qualité exceptionnelle. L'optique de ces objectifs d'appareils photo dépasse le cadre de ce manuel.