4.1. La caméra à sténopé

Avant qu’il y ait un capteur, il faut qu’une image se forme, et la géométrie de cette image est déterminée par l’élément optique placé devant le capteur. L’élément le plus simple de ce type est un sténopé – une unique petite ouverture dans une paroi par ailleurs opaque, et l’ancêtre conceptuel de tout objectif de caméra.

4.1.1. Formation de l’image

Une scène doit être éclairée pour qu’il y ait quoi que ce soit à imager. La lumière du soleil, d’une lampe ou de toute autre source frappe les objets de la scène ; chaque point de chaque objet absorbe une partie de cette lumière et diffuse le reste dans toutes les directions. Ce sont ces rayons diffusés que la caméra recueille.

La plupart des rayons quittant un point quelconque de la scène frappent la paroi de la boîte et s’arrêtent ; les quelques-uns qui traversent le sténopé voyagent chacun en ligne droite et frappent le fond de la boîte en un point unique déterminé par la géométrie du sténopé.

Chaque point de la scène se projette à travers le sténopé sur un point unique de la paroi de fond. Comme les rayons se croisent au niveau du sténopé, l’image est inversée.

Le haut et le bas sont permutés, et la gauche et la droite le sont avec eux. Les caméras annulent les deux permutations plus loin dans la chaîne de traitement afin que l’image finale apparaisse à l’endroit.

4.1.2. Géométrie de la projection

Soit \(f\) la distance du sténopé à la paroi de fond et \(D\) la distance du sténopé à un point de la scène de hauteur réelle \(H\). Un rayon rectiligne partant du sommet du point de la scène et passant par le sténopé atterrit sur la paroi de fond à une hauteur d’image

\[h = H \cdot \frac{f}{D}\]

Un objet de 1 m de haut situé à 5 m, vu par un sténopé placé à 25 mm de la paroi de fond, se projette en une image valant \(25 / 5000 = 1/200\) de sa taille réelle – une flèche inversée de 5 mm de haut sur la paroi.

La distance \(f\) est ici la distance focale de la caméra. Il est utile de rencontrer ce terme dans un contexte où il s’agit littéralement d’une longueur – la profondeur entre le plan d’image et l’élément qui y focalise la lumière. Chaque objectif qui remplacera plus tard ce sténopé aura lui aussi une distance focale, et la même échelle de projection \(f / D\) s’appliquera.

4.1.3. Le compromis sur l’ouverture

Un sténopé qui est mathématiquement un point forme une image parfaitement nette de chaque point de la scène, mais un point ne recueille aucune lumière – l’image est d’une obscurité invisible. Agrandir le trou laisse passer plus de lumière, donc l’image est plus lumineuse, mais chaque point de la scène se projette désormais en une tache de la taille du trou plutôt qu’en un point unique. L’image devient plus lumineuse et plus floue en même temps, et il n’existe aucune taille de trou donnant à la fois une image nette et lumineuse.

Un objectif supprime ce compromis. Il s’agit d’une ouverture plus large qui refocalise aussi chaque rayon qui y entre en un point unique sur la paroi, de sorte que l’image est à la fois lumineuse (parce que l’ouverture est large) et nette (parce que les rayons se rencontrent toujours en un seul point). La page suivante le présente dans ces termes.