L'acquisition de l'image numérique se fait en plusieurs étapes à commencer par l'enregistrement des luminances du sujet par le capteur. Il n'y a qu'une poignée de marques de capteurs qui équipent la totalité des appareils du marché. Nous allons nous attacher ici à détailler le principe général de fonctionnement d'un capteur numérique.
 
Nous verrons les spécificités des technologies qui coexistent aujourd'hui dans une autre partie : les technologies de capteurs.

La surface sensible

Un capteur est constitué d'une matrice d'éléments photosensibles, les photosites ordonnés par lignes et colonnes contrairement à un film argentique dont les grains d'argent sont disposés aléatoirement. Cette surface photosensible est constituée de silicium qui produit de l'électricité sous l'action de la lumière. Plus il y a de lumière (de photons), plus il y a d'électrons, sans distinction de couleur. Le silicium n'enregistre que des intensités lumineuses, l'image fournie est en noir et blanc.

La mosaïque de Bayer

Pour récupérer une information en couleur, on place un filtre devant chaque photosite qui sélectionne une partie du spectre lumineux : un photosite récupère ainsi l'information dans une seule couleur : rouge, vert ou bleu. La quantité de photons récupérée est établie numériquement par une valeur codée selon un nombre de bits pré-déterminé. Si la quantification se fait sur 8 bits, il y aura 256 niveaux d'intensité (28), sur 10 bits, 1024 niveaux, sur 12 bits, 4096 niveaux (212), etc. Par la suite les fichiers seront restitués en 8 bits en JPeg, ou 16 bits après le développement de fichier RAW. Vous découvrirez dans le chapitre "Le capteur numérique : les technologies" que ce principe de fonctionnement, à l'aide d'une matrice de Bayer, ne s'applique pas à tous les capteurs, mais qu'il représente la majorité des modèles actuels. 
Pour un photosite donné, le DSP (Digital Signal Processor) de l'appareil photo (ou le logiciel de développement de fichier RAW sur l'ordinateur) récupère les informations colorées manquantes en interpolant les informations des photosites voisins ayant enregistré les autres composantes. Il y a alors invention d'informations manquantes. Cette étape peut générer des artefacts colorés (moirage, aliasing ou crénelage coloré, visible notamment sur les images d'objet tramé, comme du tissu) quand on se rapproche de la limite de résolution optique.

Ainsi un pixel (un photosite) est constitué d'une zone sensible à la lumière, le puits, et d'une zone dédiée au transfert de l'information des données (plus ou moins grande selon le type de capteur).
Les filtres passe-bas et infrarouges
Au dessus de chaque pixel, on trouve un filtre d'une couleur qui sélectionne le bleu, le vert ou le rouge. Les fabricants sont amenés à disposer d'autres éléments comme des micro-lentilles et des filtres au dessus du capteur pour optimiser l'acquisition.
Les micro-lentilles permettent d'amener un maximum de lumière au fond du puits de photosites. Un filtre infrarouge permet de limiter les lumières non visibles à l'œil, mais auxquelles le capteur est très sensible.

Des détails trop fins seront parfois mal interprétés si l'image sur le capteur est trop fine, par exemple de même largeur que le photosite. Le filtre passe-bas permet de couper les hautes fréquences du sujet photographié, il permet de limiter les artefacts.

La sensibilité ISO et le bruit

Lorsqu'on modifie la sensibilité (ISO) de l'appareil, le capteur ne change pas de sensibilité. Pour augmenter la sensibilité, on amplifie le signal obtenu par une sous-exposition. Lorsqu'on augmente le son d'une chaine stéréo qui n'émet pas de son, on entend du bruit. L'amplification du signal issu des capteurs génère un bruit de même type qui devient très visible au-delà d'une certaine sensibilité (variable selon les boitiers) et particulièrement dans les noirs.

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