PHOTOGRAPHIEProcédés de prise de vue numérique

Les appareils photographiques numériques ne sont que des clones électroniques des appareils argentiques (tabl. l). Le film et la plupart des éléments mécaniques de ces derniers sont remplacés par des éléments électroniques de plus en plus sophistiqués. L'image, obtenue sous forme d'un signal analogique, est « développée » et « traitée » immédiatement par un ordinateur embarqué dans l'appareil. Cet ordinateur, devenant de plus en plus performant, permet de traiter et d'enregistrer de plus en plus rapidement des images dont les fichiers sont de plus en plus volumineux.

Photographie : procédés argentique et numérique

Analogies entre les procédés argentique et numérique. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les éléments essentiels constituant un appareil photographique numérique sont : un capteur matriciel, qui transforme l'énergie lumineuse (les photons) qu'il reçoit en électrons, un convertisseur analogique-numérique, qui transcrit le signal analogique en données numériques, et un processeur, qui, en fonction du type de capteur, est associé ou non à un DSP (digital signal processor, processeur du signal numérique). Ce dernier, ou le processeur, constitue le cœur du système et assure différentes fonctions qui permettent le traitement de l'image, allant de son lissage à sa compression. Une mémoire vive, la SDRAM (static dynamic random access memory, mémoire dynamique statique à accès aléatoire), permet d'évacuer temporairement l'image, afin d'effectuer une nouvelle prise de vue, avant de la stocker sur un support permanent et amovible, comme une carte mémoire (de type CompactFlash, MultiMedia...), ou de la transférer vers un ordinateur par le port de sortie de l'appareil numérique.

Appareil photographique numérique : exemple d'architecture

Exemple d'architecture d'un appareil photographique compact numérique multimédia. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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De plus en plus conviviaux, les appareils photographiques numériques sont ainsi adaptés à une utilisation immédiate avec, par exemple, la possibilité de transmettre instantanément les images, d'en avoir une visualisation directe ou de les éditer soi-même.

Capteurs matriciels

Deux types de capteurs

Les appareils photographiques numériques sont généralement équipés de capteurs matriciels CCD (charge coupled device) ou CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Ces dispositifs saisissent l'image au travers de l'objectif sous forme de photons qui remplissent plus ou moins le puits de chaque photosite (cellule unitaire d'un capteur) suivant la quantité de lumière émise ou réfléchie par le sujet . Ces photons génèrent des électrons à raison d'un électron pour trois photons (signal électrique analogique). Le rendement de ces capteurs est compris entre 35 et 50 p. 100. Les électrons seront ensuite transférés pour leur traitement, soit photosite par photosite dans le cas d'un CCD, soit tous les photosites ensemble dans le cas d'un capteur matriciel CMOS. Le registre de transfert vertical assure cette fonction. Les charges photoélectriques excédentaires seront évacuées vers la masse de l'appareil. Les charges utiles seront dirigées vers un accumulateur puis transférées, par le registre de transfert horizontal, vers l'amplificateur avant la conversion analogique-numérique .

Photographie numérique : rôle des photosites d'un capteur

Chaque photosite d'un capteur a pour rôle de générer des électrons à partir de l'énergie lumineuse (photons) qu'il capte, à raison d'un électron pour trois photons reçus. 

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Photographie numérique : fonctionnement d'un capteur CCD avec fonction d'obturation

Exemple de fonctionnement d'un capteur CCD (charge coupled device) avec fonction d'obturation. Il transforme, au niveau des photosites qui le constituent, l'énergie lumineuse en électrons. Les électrons créés lors de l'exposition sont ensuite évacués vers la zone de stockage pour... 

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Les premiers capteurs matriciels ont été les CCD, dispositifs à transfert de charge, qui ont été inventés par les Bell Laboratories en 1969. Les premières technologies CMOS sont connues, en théorie, depuis les années 1960 mais leur réalisation et leur utilisation réelle datent du début des années 1990.

Par rapport aux CCD, les capteurs CMOS ont une meilleure intégration des circuits, chacun d'eux comportant plus de fonctions. Cette technologie permet une réduction du temps et des coûts de fabrication. La surface plus réduite de ces capteurs offre une meilleure intégration et la réalisation d'appareils plus compacts. La faible consommation électrique est l'un des points les plus importants. La technologie CMOS à pixel actif, ou APS (active pixel sensor), a été développée par la société Photobit pour les laboratoires de la N.A.S.A. et mise sur le marché en 1977. Succédant à la technologie PPS (passive pixel sensor), elle n'est pas sensible au phénomène d'éblouissement (blooming) et son courant d'obscurité plus faible permet d'obtenir des noirs plus profonds. Par rapport au CCD, un meilleur rapport signal/bruit du CMOS permet d'obtenir une dynamique plus élevée, donc de meilleures images en faible lumière. Les applications des capteurs CMOS sont nombreuses : Caméscopes numériques ; PDA (personnal digital assistant) pour la capture d'image et la transmission par modem ; téléphone mobile imageur pour la transmission immédiate d'une image à un télép [...]

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Photographie : procédés argentique et numérique
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Appareil photographique numérique : exemple d'architecture
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Photographie numérique : rôle des photosites d'un capteur
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Photographie numérique : fonctionnement d'un capteur CCD avec fonction d'obturation
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