L'obturateur n'est que l'un des nombreux composants importants de la caméra utilisés pour exercer un meilleur contrôle sur l'apparence de vos images vidéo. Eh bien, commencez notre exploration par une discussion sur les avantages que nous apporte l'obturateur. Avant d'ouvrir un caméscope pour jeter un coup d'œil au fonctionnement interne de l'obturateur à grande vitesse, examinons la fonction plus générale de tous les obturateurs.
Un obturateur d'appareil photo contrôle la durée pendant laquelle la lumière est autorisée à pénétrer dans l'objectif. L'autre contrôle d'exposition majeur sur n'importe quel appareil photo (fixe ou vidéo) est son iris, qui affecte "l'espace" à travers lequel la lumière doit passer, donc notre discussion d'aujourd'hui portera sur l'espace et le temps. Ne vous inquiétez pas, ce n'est pas sorcier. Tout ce dont vous avez vraiment besoin est de comprendre quelques termes et relations simples.
En termes simples, l'obturateur et le diaphragme fonctionnent ensemble pour contrôler la quantité de lumière entrant dans l'objectif d'un caméscope. L'obturateur contrôle la durée d'exposition de la lumière au CCD (Charge Coupled Device). L'iris contrôle la taille de l'ouverture par laquelle la lumière peut pénétrer dans l'objectif. Bien que cela soit assez simple, chacun affecte l'image finale :chacun nous donne le contrôle sur l'apparence de nos images vidéo.
Élargir votre champ d'action
L'iris d'un caméscope fonctionne un peu comme l'iris de votre œil. Si la lumière est vive, l'iris de votre œil se ferme, ce qui réduit l'ouverture par laquelle la lumière passe, de sorte que la lumière ne vous aveugle pas. Dans des conditions de faible luminosité, l'iris de votre œil se "dilate", s'ouvrant largement pour permettre à plus de lumière d'entrer. Il en va de même pour le système d'exposition automatique de votre caméscope. Ce qui est merveilleux avec l'iris, c'est qu'il vous permet de contrôler la profondeur de champ de vos images. En basse lumière, l'iris de votre caméscope s'ouvre. En pleine lumière, il se ferme. Mais à mesure que l'ouverture devient plus petite, la profondeur de champ, ou la plage nette, augmente. En fait, si l'iris est suffisamment fermé, vous n'avez même pas besoin d'un objectif pour focaliser l'image. Le monde entier est mis au point lorsque l'ouverture est extrêmement petite.
Le premier appareil photo, la camera obscura, n'avait pas d'objectif, d'obturateur ou même de film. Bien avant que quiconque ne pense à de telles choses, les anciens ont remarqué que lorsque la lumière traversait une petite ouverture dans une pièce sombre, une image était projetée à l'endroit où la lumière frappait le mur ou le sol. Avec un peu d'expérimentation, on a découvert que plus le trou à travers lequel la lumière passait était petit, plus l'image était nette. Cela a abouti au développement de la camera obscura, qui utilise un petit trou (et dans les versions ultérieures, une lentille) dans le mur d'une pièce ou d'une boîte sombre, pour projeter des images sur une surface de dessin où elles seraient tracées, produisant des images très précises. et dessins détaillés.
L'appareil photo à sténopé est un exemple plus moderne de la même approche de l'imagerie. Tout ce dont vous avez besoin est une boîte à chaussures, une épingle et du film. Si vous souhaitez en savoir plus sur la photographie au sténopé, vous pouvez trouver de nombreuses informations sur le Web.
Le problème du sténopé
Bien que l'utilisation d'un petit trou au lieu d'un objectif puisse produire des images parfaitement focalisées depuis presque la surface de l'objectif jusqu'à l'infini, cela présente un gros inconvénient. Le petit trou ne peut pas laisser passer beaucoup de lumière. Pour obtenir plus de lumière, vous pouvez agrandir le trou, mais la netteté de l'image est alors perdue. En utilisant une lentille à la place du trou d'épingle, vous pouvez collecter la lumière sur toute la surface de la lentille tout en obtenant une image nette sur le CCD ou le film.
L'objectif permet à plus de lumière d'entrer dans l'appareil photo, mais la zone qui sera nette est réduite. Plus le diamètre de la lentille est grand, plus le problème s'aggrave. Avec des objectifs de très grand diamètre, la zone de mise au point, ou la profondeur de champ comme on l'appelle, peut être réduite à une fraction de pouce. Un autre facteur qui affecte la profondeur de champ est la distance focale, ou grossissement, de l'objectif. Les téléobjectifs produisent un champ peu profond, tandis que les objectifs à angle plus large produisent un champ plus profond.
Entrez dans l'iris
Si vous faites en sorte que votre objectif soit assez grand pour fournir des images de qualité en basse lumière, vous avez besoin d'un moyen de réduire la quantité de lumière entrant dans l'appareil photo dans des conditions plus lumineuses. Lorsque la lumière est trop vive, l'iris est utilisé pour masquer une partie de la lentille (voir Figure 1). Cela permet non seulement au photographe ou au vidéaste d'ajuster la quantité de lumière entrant dans l'objectif, mais lui permet également d'ajuster la profondeur de champ, et ainsi de contrôler les parties des images qui sont nettes et les parties qui ne le sont pas. . En sélectionnant soigneusement le réglage de l'iris, vous pouvez effectuer une mise au point nette sur une partie du cadre, tout en défocalisant d'autres éléments, donnant à vos images un aspect tridimensionnel impossible à obtenir autrement.
L'iris permet de contrôler l'espace au sein de l'image mise au point. La mise au point de la lentille elle-même détermine l'emplacement de cet espace et l'iris contrôle sa profondeur. Voilà pour "l'espace", mais qu'en est-il du temps ? La durée pendant laquelle le CCD est autorisé à collecter la lumière affecte également l'exposition totale. Par exemple, si vous laissez entrer la moitié de la lumière en réduisant l'ouverture du diaphragme, vous pouvez toujours obtenir la même exposition en permettant à la lumière de pénétrer dans l'appareil photo deux fois plus longtemps.
Entrez dans l'obturateur
Pour contrôler la durée pendant laquelle son film ou son capteur est exposé à la lumière, les appareils photo utilisent une forme d'obturateur. Dans l'appareil photo à sténopé simple, l'obturateur est un morceau de papier foncé ou d'un autre matériau opaque, qui est ouvert et fermé à la main pour chronométrer l'exposition. Cela fonctionne bien pour les temps d'exposition très longs, car vous pouvez simplement regarder votre montre ou compter les secondes. Cependant, les émulsions de film et les CCD modernes peuvent être exposés en de minuscules fractions de seconde, nous avons donc besoin de quelque chose d'un peu plus sophistiqué qu'un simple morceau de papier de construction noir pour contrôler nos temps d'exposition. En permettant une large gamme de temps d'exposition précis, l'obturateur de la caméra fonctionne avec l'iris pour vous donner un contrôle complet du temps et de l'espace de votre image.
De nombreux caméscopes sont équipés d'obturateurs qui prennent en charge des temps d'exposition aussi lents que quelques secondes jusqu'à 1/10 000e de seconde. Les vitesses d'obturation plus lentes (durée plus longue) vous permettent d'utiliser un petit réglage d'iris, pour obtenir une plus grande profondeur de champ tout en continuant d'apporter beaucoup de lumière au film. Cependant, vous pouvez avoir un problème si l'appareil photo ou le sujet bouge pendant l'exposition. Tout ce qui bouge sera flou dans l'image finale, et si la caméra bouge, toute l'image sera floue. Bien sûr, ce flou peut être utilisé pour l'effet, comme on le voit souvent sur les photos de cascades, où de longs temps d'exposition sont utilisés pour donner aux images un aspect plus rêveur et idéaliste. Des vitesses d'obturation plus élevées (courte durée) vous permettent d'utiliser une plus grande ouverture d'iris, même en pleine lumière, réduisant la profondeur de champ et produisant le bel aspect 3D illustré précédemment (voir Figure 2). De plus, des vitesses d'obturation élevées permettent de prendre des photos lorsque le sujet est en mouvement, sans que le sujet apparaisse flou. L'obturateur peut s'ouvrir et se fermer si rapidement que la position du sujet change à peine, et une image fixe parfaitement nette d'un sujet se déplaçant rapidement est possible si l'obturateur est suffisamment rapide.
Les obturateurs de la plupart des appareils photo sont des engins mécaniques qui s'ouvrent pour laisser entrer la lumière pendant un certain temps, puis se referment. Certains obturateurs balayent rapidement le film et d'autres se trouvent dans l'objectif lui-même, mais l'idée est toujours la même. Ouvrez brièvement, puis refermez rapidement, juste au bon moment. Les volets mécaniques ont cependant une masse, et cette masse limite la vitesse à laquelle ils peuvent être ouverts et fermés. Cela limite généralement la vitesse d'obturation maximale (ou le temps d'exposition minimal) à environ 1/8000e de seconde sur les appareils photo.
Certains appareils photo évitent le problème de masse en utilisant des obturateurs électroniques. Pour ce petit brin de techno-magie, deux verres polarisés sont utilisés. Une lentille polarisée laisse passer la lumière qui est polarisée dans une direction tout en bloquant la lumière de l'autre polarisation. Si vous assemblez deux lentilles polarisées, orientées de manière à ce qu'elles laissent toutes deux passer la lumière de la même polarisation, la lumière qui traverse la première lentille passera également à travers la seconde lentille. Mais si vous tournez l'une des lentilles de sorte que sa polarité soit opposée à l'autre, la première lentille laissera passer la lumière qui est la mauvaise polarité pour la seconde, et aucune lumière ne traversera la paire de lentilles. Vous pourriez donc faire un obturateur à partir de deux filtres polarisants qui pourraient être "ouverts et fermés" en faisant simplement tourner l'une des lentilles. Mieux encore, il est possible de construire un filtre polarisant qui inversera sa polarisation lorsqu'un signal électrique est appliqué, de sorte que vous pouvez concevoir un obturateur qui ne bouge pas du tout. Vous changez simplement une tension pour ouvrir et fermer l'obturateur. Les caméras avec ce type de système d'obturation ne font pas les bruits de cliquetis que font les caméras avec des obturateurs mécaniques, et leurs obturateurs peuvent être ouverts et refermés en 1/10 000 seconde ou moins. Des vitesses d'obturation aussi élevées peuvent arrêter le mouvement d'un swing de golf ou d'une voiture en vitesse, et produire des images cristallines d'action rapide, parfaitement figées dans le temps.
Avec l'avènement du dispositif à couplage de charge, ou CCD, tout ce désordre mécanique et électro-optique est rendu inutile. Le CCD lui-même se double d'un obturateur électronique virtuel qui peut être ouvert et fermé aussi rapidement qu'un signal électronique qui peut être activé et désactivé, sans aucune pièce supplémentaire et très peu de complexité supplémentaire. Au lieu d'utiliser un obturateur physique pour contrôler le temps d'exposition, le caméscope moderne à base de CCD rejette simplement la lumière qui frappe sa surface, simulant un obturateur fermé. Pour ouvrir l'obturateur virtuel, le CCD est autorisé à commencer à collecter l'énergie lumineuse. Lorsqu'il est temps d'arrêter de collecter la lumière, le CCD est simplement arrêté et l'obturateur virtuel est fermé. Ainsi, l'une des choses surprenantes que l'on trouve bien lorsque l'on regarde l'obturateur de nos caméscopes est qu'il n'y en a pas.
Pas d'obturateur du tout ?
C'est vrai. Le caméscope moderne n'a vraiment rien que vous puissiez identifier comme un obturateur. Au lieu de cela, au moment où un obturateur mécanique se fermerait, le CCD est simplement rendu insensible à la lumière. Examinons de plus près le CCD lui-même et voyons comment cela est accompli.
À l'intérieur du CCD se trouvent un grand nombre de "cellules" sensibles à la lumière. Le nombre de pixels pour un CCD vous indique combien de cellules le CCD contient. Lorsque la lumière frappe l'une de ces cellules, une charge électrique est générée à l'intérieur de la cellule. Plus il y a de lumière qui frappe la cellule, plus la charge qui s'accumule est importante. Les cellules ne collectent pas réellement la "lumière", mais convertissent plutôt la lumière en une charge électrique proportionnelle à la lumière frappant la cellule.
Notez également que la cellule photosensible n'a aucune sensibilité à la couleur. Il accumule sa charge quelle que soit la couleur de la lumière qui frappe sa surface. Pour produire des images en couleur, des filtres sont placés devant les cellules afin que certaines d'entre elles voient du rouge, d'autres du bleu et d'autres du vert. Cela peut être fait avec un seul CCD et un ensemble complexe lentille-filtre rouge, vert et bleu, ou en utilisant trois CCD séparés avec un seul filtre de couleur sur chacun (voir Figure 3).
Initialement, la sortie de chaque cellule est court-circuitée à la masse, de sorte que la charge générée par toute lumière frappant la cellule est immédiatement drainée. Dans cet état, les cellules ne collectent aucune charge et l'obturateur virtuel est "fermé". Pour capturer une image, le drain des cellules est fermé et les charges commencent à s'accumuler proportionnellement à la lumière frappant la cellule. À la fin de la période d'exposition, les charges de chaque cellule sont transmises à un registre de transfert vertical, qui transmet ensuite chaque charge, style brigade de seaux, à un registre de transfert horizontal. Là, ils rejoignent le défilé de charges des autres registres de transfert vertical et sortent en file indienne vers les circuits de traitement et d'enregistrement vidéo (voir Figure 4).
Les images "en mouvement" que nous voyons sous forme de vidéo sont en fait une série d'images fixes affichées rapidement. Tous les caméscopes NTSC produisent 30 images fixes par seconde. Chaque trame est composée de deux trames, pour un total de 60 trames par seconde. Il y a cependant une tendance à produire des caméras capables d'enregistrer 30 images par seconde sans trames parfois appelées mode balayage progressif ou "Frame Movie". Dans ce mode, ces caméras n'enregistrent pas 60 trames discrètes, mais elles émettent vers un téléviseur ou un magnétoscope au format standard NTSC 60 trames/30 images par seconde. Ce mode est généralement utilisé pour rassembler des images qui seront exportées vers un ordinateur sous forme d'images fixes.
À vitesse "normale", le capteur CCD collecte sa charge pendant toute la durée de champ de 1/60 seconde, ce qui fait de 1/60 le réglage d'obturateur par défaut pour une prise de vue normale. C'est assez rapide pour éviter la plupart des flous causés par les mouvements de la caméra et les mouvements lents dans le cadre. Mais nos caméscopes nous permettent désormais de choisir des vitesses d'obturation plus rapides ou plus lentes que la fréquence d'images du caméscope. Les paramètres d'obturation lente permettent simplement au CCD de rester actif pendant plusieurs (ou plusieurs) intervalles de champ et d'enregistrer l'image précédemment capturée pendant la période d'exposition. Lorsque vous photographiez avec une vitesse d'obturation lente de 1/15 seconde, le CCD reste actif pendant la période de quatre trames. Ses charges sont ensuite sorties pour l'enregistrement, et les mêmes données sont enregistrées pendant quatre images, tandis que le CCD remplit ses cellules pendant encore 1/15e de seconde. De cette façon, la fréquence d'images est maintenue constante, même si l'obturateur fonctionne à une vitesse entièrement différente.
Le fonctionnement ultra-rapide et silencieux de l'obturateur à grande vitesse est encore plus simple. Au lieu de supprimer le drain des cellules au début de l'intervalle de champ de 1/60, la charge est autorisée à continuer à drainer sa charge pendant une partie du temps de champ total. Si une vitesse d'obturation de 1/120 est sélectionnée, par exemple, les CCD continueront à drainer pendant la première moitié de l'intervalle d'image et ne collecteront la lumière que pendant la seconde moitié. Pour des vitesses plus élevées, les cellules sont simplement drainées pendant un plus grand pourcentage du temps de champ.
Au final, nous avons un obturateur virtuel sans pièces mobiles et sans masse. En fait, nos volets n'ont aucune existence réelle. Et pourtant, ils nous permettent toujours de contrôler l'espace et le temps de nos images et de notre exposition.
Tout mettre en œuvre
Toute cette théorie est intéressante, mais la vraie valeur de l'obturateur à grande vitesse réside dans le contrôle qu'il vous donne sur l'apparence de vos images. Lorsqu'il est combiné avec l'iris, vous contrôlez la profondeur de champ, le flou de mouvement et la luminosité de l'image elle-même. Un examen des relations semble s'imposer.
Des réglages de diamètre d'iris plus petits admettent moins de lumière, mais donnent une plus grande profondeur de champ. Une vitesse d'obturation plus lente doit être utilisée si la luminosité de l'image doit rester constante.
Les réglages d'ouverture plus grands réduisent la profondeur de champ, accentuent le sujet et créent une image plus tridimensionnelle. Une vitesse d'obturation plus élevée est nécessaire pour maintenir la luminosité de l'image suffisamment faible pour maintenir l'iris ouvert à un diamètre plus large.
Des vitesses d'obturation plus élevées gèlent le mouvement, donnant des images nettes malgré tout mouvement relatif entre le sujet et l'appareil photo. Pour obtenir suffisamment de lumière aux vitesses d'obturation plus élevées, l'iris doit être ouvert plus largement pour admettre plus de lumière, et par conséquent, la profondeur de champ est réduite.
Des vitesses d'obturation très lentes peuvent être utilisées pour permettre au CCD de collecter plus de lumière dans des situations de faible éclairage ou pour permettre à un diaphragme plus petit d'ouvrir une plus grande profondeur de champ. Le compromis est que la même image sera répétée sur plusieurs champs, ce qui pourrait entraîner un mouvement saccadé de type stroboscope. De plus, la vitesse d'obturation lente permettra plus de flou de mouvement, ce qui peut être soit un problème, soit un effet artistique.
Enfin, l'iris et l'obturateur contrôlent ensemble la quantité totale de lumière utilisée pour créer une charge dans les cellules CCD, et chacun ou les deux peuvent être ajustés pour produire une image plus sombre ou plus claire que la scène d'origine .
Apprendre en faisant
Vous connaissez maintenant la théorie derrière le fonctionnement de l'obturateur à grande vitesse de votre caméscope. Mais lorsqu'il s'agit de sélectionner le meilleur mode d'exposition ou les meilleurs réglages d'obturateur et d'ouverture pour une situation ou un effet particulier, rien ne remplace l'expérience et la pratique. Prenez le temps d'expérimenter les différents modes et réglages d'exposition de votre caméscope, et vous aurez un bien meilleur contrôle sur l'apparence de votre produit fini.