Comment fonctionne la télévision ?

La télévision

La télévision est une formidable fenêtre sur le monde. En appuyant sur un bouton, vous pouvez :

• voyager du Pôle Nord au Serengeti
• regarder des hommes marcher sur la Lune
• voir des athlètes battre des records
• écouter des leaders mondiaux prononcer des discours historiques

La télévision a transformé le divertissement et l’éducation. En Occident, on estime que les enfants passent plus de temps devant la télévision (en moyenne 1023 heures par an) qu’assis à l’école (900 heures par an) (source).

Beaucoup de gens pensent que c’est une mauvaise chose. L’un des inventeurs de la télévision, Philo T Farnsworth (1906-1971), est arrivé à la conclusion que la télévision était désespérément muette et a refusé que ses enfants la regardent.

Que la télévision soit bonne ou mauvaise, il ne fait aucun doute qu’il s’agit d’une invention ingénieuse.

Mais comment fonctionne la télévision ?

De nos jours, presque tout le monde possède un téléviseur à écran plat, qui produit ses images à l’aide de LCD, de plasma ou d’OLED (LED organiques).

Mais jusque dans les années 1990, les téléviseurs étaient beaucoup plus grands et plus volumineux et pratiquement tous utilisaient la technologie des tubes cathodiques (CRT), comme expliqué ci-dessous.

La radio avec des images

L’idée de base de la télévision est « la radio avec des images« .

En d’autres termes, lorsque la radio transmet un signal sonore (l’information diffusée) par voie aérienne, la télévision envoie également un signal d’image. Vous savez probablement que ces signaux sont transportés par des ondes radio, des schémas invisibles d’électricité et de magnétisme qui parcourent l’air à la vitesse de la lumière (300 000 km par seconde).

Pensez aux ondes radio qui transportent des informations comme les vagues sur la mer qui transportent les surfeurs : les vagues elles-mêmes ne sont pas les informations : les informations surgissent au dessus des vagues.

Les radios devenant plus portables, les gens ont commencé à réaliser que les petites télévisions pouvaient l’être aussi

Prenez l’exemple de la télévision Ekco TMB272 datant d’environ 1955, qui pouvait être alimenté soit par l’alimentation électrique domestique habituelle, soit par une batterie de 12 volts.

Bien que vendu comme portable, cet engin était extrêmement lourd ; il a néanmoins trouvé un marché de niche avec des sociétés de télévision telles que la BBC, qui l’ont utilisé comme moniteur pour les émissions extérieures.

La télévision est en réalité une invention en trois parties

1. la caméra de télévision qui transforme une image et un son en un signal
2. l’émetteur de télévision qui envoie le signal par voie aérienne
3. le récepteur de télévision (le téléviseur de votre maison) qui capte le signal et le retransforme en image et en son

La télévision crée des images animées en capturant de façon répétée des images fixes et en présentant ces images à vos yeux si rapidement qu’elles semblent en mouvement.

Pensez à la télévision comme à un feuilleton électronique. Les images clignotent sur l’écran si vite qu’elles fusionnent dans votre cerveau pour former une image animée (en réalité, il s’agit de nombreuses images fixes affichées les unes après les autres).

Lorsque la télévision a été mise au point, elle ne pouvait traiter que des images en noir et blanc ; les ingénieurs ont eu du mal à trouver comment gérer les couleurs, ce qui était un problème beaucoup plus complexe.

Comment la télévision couleur a été inventée

Aujourd’hui, la science de la lumière nous dit que toute couleur peut être obtenue en combinant un mélange des trois couleurs primaires, le rouge, le vert et le bleu.

Le secret de la télévision en couleur était donc de développer des caméras capables de capturer des signaux séparés de rouge, vert et bleu, des systèmes de transmission capables de diffuser des signaux de couleur dans l’air et des téléviseurs capables de les retransformer en une image multicolore en mouvement.

Les caméras de télévision

Nous pouvons voir les choses parce qu’elles reflètent la lumière dans nos yeux.

Un appareil photo ordinaire photographie les choses en capturant cette lumière sur un film photosensible ou en utilisant un détecteur de lumière électronique (dans le cas d’un appareil photo numérique) pour faire un instantané de la façon dont une chose est apparue à un moment donné.

Une caméra de télévision fonctionne d’une manière différente : elle doit prendre un nouvel instantané plus de 24 fois par seconde pour créer l’illusion d’une image en mouvement.

Le cameraman se tient à l’arrière et regarde un petit écran de télévision qui montre exactement ce que la caméra filme. Notez que le cameraman ne regarde pas à travers l’objectif de la caméra : il voit une reconstitution de ce que l’objectif voit sur un écran (un peu comme on regarde l’affichage d’un appareil photo numérique).

➜ Quelle est la meilleure façon pour une caméra de télévision de prendre une photo ?

Si vous avez déjà essayé de copier un chef-d’œuvre du mur d’une galerie d’art dans un ordinateur portable, vous savez qu’il existe de nombreuses façons de le faire.

L’une d’entre elles consiste à dessiner une grille de carrés dans votre carnet, puis à copier systématiquement les détails de chaque zone de l’image originale dans le carré correspondant de la grille. Vous pouvez travailler de gauche à droite et de haut en bas, en copiant chaque carré de la grille à tour de rôle.

Une vieille caméra de télévision fonctionne exactement comme cela lorsqu’elle transforme une image en un signal pour la diffusion, mais elle ne fait que copier l’image qu’elle voit ligne par ligne.

Des détecteurs de lumière à l’intérieur de la caméra balayent l’image ligne par ligne, tout comme vos yeux balayent de haut en bas de l’image dans une galerie d’art. Ce processus, appelé balayage tramé, transforme l’image en 525 lignes de lumière colorée différentes qui sont diffusées dans l’air jusqu’à votre domicile sous la forme d’un signal vidéo.

Dans le même temps, les microphones du studio de télévision captent le son qui accompagne l’image. Celui-ci est transmis avec l’information sur l’image sous forme de signal audio (son) distinct.

Les caméras de télévision modernes ne scannent plus les images de cette manière

Au lieu de cela, tout comme dans les caméscopes et les webcams, leurs objectifs concentrent la scène filmée sur de petites puces de détection d’image (capteurs CCD ou CMOS), qui convertissent le modèle de couleurs en signaux numériques et électriques.

Alors que les caméras à balayage traditionnelles n’utilisaient que 525 ou 625 lignes, les puces de détection d’image des caméras HDTV (télévision haute définition) actuelles ont généralement 720 ou 1080 lignes pour capturer beaucoup plus de détails.

Certaines caméras ont un seul capteur d’image qui capture toutes les couleurs à la fois ; d’autres en ont trois, qui capturent des signaux distincts pour le rouge, le bleu et le vert, les couleurs primaires à partir desquelles n’importe quelle couleur de votre téléviseur peut être créée.

Comment une caméra TV utilise un séparateur de faisceau à prisme trichroïque pour capturer des signaux séparés de rouge, vert et bleu.

Les caméras de télévision décomposent les images en signaux rouges, verts et bleus séparés.

La lumière blanche (de toutes les couleurs) provenant de l’objet filmé passe à travers l’objectif et entre dans un séparateur de faisceau. Il s’agit généralement d’un prisme trichroïque en deux parties qui divise la lumière en faisceaux séparés de rouge, de vert et de bleu, chacun étant détecté par un capteur d’image CCD ou CMOS distinct.

Un circuit synchronise et combine mathématiquement les sorties des capteurs d’images rouge, vert et bleu pour créer un signal vidéo unique basé sur des composantes appelées luminance et chrominance (plus ou moins, la luminosité et la couleur de chaque partie de l’image).

Une autre partie du circuit recrée instantanément l’image filmée sur un petit écran dans un viseur. Pendant ce temps, le son provenant d’un microphone est synchronisé avec le signal vidéo pour produire un signal de sortie prêt à être transmis.

Les émetteurs de télévision

Les antennes de télévision

Les antennes de télévision peuvent constituer une pièce maîtresse spectaculaire d’un bâtiment.

Plus vous criez fort, plus il est facile d’entendre quelqu’un à distance. Les bruits plus forts produisent des ondes sonores plus importantes qui ont le pouvoir de se propager plus loin avant d’être absorbées par les buissons, les arbres et tout le désordre qui nous entoure. Il en va de même pour les ondes radio.

Pour produire des ondes radio suffisamment puissantes pour transporter des images de radio et de télévision sur des kilomètres entre une station de télévision et le domicile d’une personne, il faut un émetteur vraiment puissant.

Il s’agit en fait d’une antenne géante, souvent placée au sommet d’une colline afin de pouvoir envoyer des signaux aussi loin que possible.

La télévision par câble

Tout le monde ne reçoit pas les signaux de télévision transmis par voie aérienne de cette manière. Si vous avez la télévision par câble, vos images télévisées sont « acheminées » dans votre maison par un câble à fibres optiques posé sous votre rue.

Si vous avez la télévision par satellite, l’image que vous voyez a été renvoyée dans l’espace pour l’aider à voyager d’un bout à l’autre du pays.

Avec la télédiffusion traditionnelle, les signaux d’image sont envoyés sous forme analogique : chaque signal voyage comme une onde ondulante (qui monte et descend).

La télévision numérique

La plupart des pays passent maintenant à la télévision numérique, qui fonctionne de la même manière que la radio numérique.

Les signaux sont transmis sous une forme codée numériquement. Beaucoup plus de programmes peuvent être envoyés de cette manière et, en général, la qualité de l’image est meilleure car les signaux sont moins sensibles aux interférences lorsqu’ils se déplacent.

Les récepteurs de télévision

Peu importe la façon dont le signal TV arrive chez vous : une fois arrivé, votre téléviseur le traite exactement de la même façon, qu’il provienne d’une antenne (antenne) sur le toit, d’un câble souterrain ou d’une antenne parabolique dans le jardin.

Vous vous souvenez comment une caméra de télévision transforme l’image qu’elle regarde en une série de lignes qui forment le signal TV sortant ? Un téléviseur doit procéder de la même façon, mais en sens inverse, pour que les lignes du signal entrant redeviennent une image fidèle de la scène que la caméra a filmée.

Comment fonctionne un téléviseur à tube cathodique (CRT)

Les anciens téléviseurs à tube cathodique (CRT)

Les anciens téléviseurs à tube cathodique (CRT) prenaient le signal entrant et le décomposaient en ses composantes audio et vidéo distinctes.

La partie audio alimentait un circuit audio, qui utilise un haut-parleur pour recréer le son original enregistré dans le studio de télévision. Pendant ce temps, le signal vidéo est envoyé à un circuit séparé.

Celui-ci envoie un faisceau d’électrons (particules rapides et chargées négativement à l’intérieur des atomes) dans un long tube cathodique. Lorsque le faisceau descend le long du tube, des électroaimants le dirigent d’un côté à l’autre de façon à ce qu’il balaye systématiquement l’écran, ligne par ligne, en « peignant » l’image encore et encore comme une sorte de pinceau électronique invisible.

Le faisceau d’électrons se déplace si rapidement qu’on ne le voit pas construire l’image. Il ne « peint » pas vraiment quoi que ce soit : il crée des points lumineux colorés lorsqu’il frappe différentes parties de l’écran.

C’est parce que l’écran est recouvert de nombreux petits points de produits chimiques appelés phosphores. Lorsque le faisceau d’électrons frappe les points de phosphore, ils forment un minuscule point de lumière rouge, bleue ou verte.

En allumant et en éteignant le faisceau d’électrons lorsqu’il passe devant les points rouges, bleus et verts, le circuit vidéo peut créer une image complète en éclairant certains points et en laissant d’autres sombres.

Comment fonctionne un téléviseur à écran cathodique

Comment fonctionne un tel téléviseur ? Un diagramme étape par étape montre comment trois faisceaux d’électrons à balayage dessinent l’image à l’intérieur d’un téléviseur à tube cathodique CRT.

Une antenne située sur votre toit capte les ondes radio de l’émetteur.

• Dans le cas de la télévision par satellite, les signaux proviennent d’une antenne parabolique installée sur votre mur ou votre toit.
• Avec la télévision par câble, le signal vous parvient par un câble à fibre optique souterrain.

➜ Fonctionnement d’un vieux téléviseur à tube cathodique

1. Le signal entrant alimente la prise d’antenne située à l’arrière du téléviseur.
2. Le signal entrant transporte l’image et le son de plus d’une station.
3. Un circuit électronique à l’intérieur du téléviseur sélectionne uniquement la station que vous voulez regarder et divise le signal de cette station en informations audio (son) et vidéo (image) séparées, passant chacune à un circuit distinct pour un traitement ultérieur.
4. Le circuit du canon à électrons divise la partie vidéo du signal en signaux séparés rouge, bleu et vert pour piloter les trois canons à électrons.
5. Le circuit envoie 3 canons à électrons (un rouge, un bleu et un vert) dans un tube cathodique, comme une grosse bouteille de verre dont on a retiré l’air.
6. Les faisceaux d’électrons traversent un anneau d’électro-aimants. Les électrons peuvent être dirigés par des aimants car ils ont une charge électrique négative. Les électroaimants dirigent les faisceaux d’électrons de manière à ce qu’ils balaient l’écran, ligne par ligne.
7. Les faisceaux d’électrons passent à travers une grille de trous appelée masque, qui les dirige de manière à ce qu’ils touchent des endroits précis sur l’écran de télévision. Là où les faisceaux touchent les phosphores (produits chimiques colorés) sur l’écran, ils forment des points rouges, bleus ou verts. Ailleurs, l’écran reste sombre. Le motif de points rouges, bleus et verts forme très rapidement une image colorée.
8. Pendant ce temps, l’information audio du signal entrant (son) passe à un circuit audio séparé.
9. Le circuit audio pilote le haut-parleur (ou les haut-parleurs, puisqu’il y en a au moins deux dans un téléviseur stéréo) afin qu’ils recréent le son exactement au moment de l’image animée.

Les téléviseurs à écran plat

Il est assez difficile de trouver des téléviseurs à tube cathodique aujourd’hui. Comme ils sont basés sur la technologie analogique et que la plupart des pays passent maintenant au numérique, les tubes cathodiques sont essentiellement obsolètes (sauf si vous utilisez un adaptateur, appelé décodeur, qui permet à votre tube de capter les émissions numériques).

La plupart des gens ont plutôt des écrans plats, utilisant l’une des trois technologies différentes :

• LCD
• plasma
• ou OLED

Téléviseurs LCD

Les téléviseurs LCD (affichage à cristaux liquides) comportent des millions de minuscules éléments d’image appelés pixels qui peuvent être allumés ou éteints électroniquement pour former une image.

Chaque pixel est composé de trois sous-pixels rouges, verts et bleus plus petits. Ceux-ci peuvent être activés et désactivés individuellement par des cristaux liquides : des interrupteurs lumineux microscopiques efficaces qui activent ou désactivent les sous-pixels en les tournant ou en les détournant.

Comme il n’y a pas de tube cathodique encombrant ni d’écran au phosphore, les écrans LCD sont beaucoup plus compacts et plus économes en énergie que les anciens récepteurs de télévision. Pour en savoir plus, lisez notre article sur les écrans LCD.

Les écrans plasma

Un écran plasma est similaire à un écran LCD, mais chaque pixel est en fait une lampe fluorescente microscopique qui brille au plasma.

Un plasma est une forme de gaz très chaud dans lequel les atomes se sont séparés pour former des électrons chargés négativement et des ions chargés positivement (atomes moins leurs électrons).

Ceux-ci se déplacent librement, produisant une lueur floue de lumière chaque fois qu’ils entrent en collision.

Les écrans à plasma peuvent être fabriqués bien plus grands que les téléviseurs à tube cathodique ordinaires, mais ils sont également beaucoup plus chers.

La technologie OLED

Si vous voulez un téléviseur vraiment plat, vous opterez probablement pour un téléviseur utilisant la technologie OLED (LED organique).

Comme leur nom l’indique, les OLED fonctionnent un peu comme les LED normales, mais elles sont fabriquées à partir de plastiques organiques à base de carbone au lieu de semi-conducteurs classiques.

➜ Caractéristiques de l’écran OLED

• Un écran OLED est très fin (quelques millimètres d’épaisseur seulement)
• très lumineux
• il consomme beaucoup moins d’énergie qu’un écran LCD équivalent

Conclusion : Brève chronologie de la télévision

• 1884 : L’étudiant allemand Paul Nipkow (1860-1940) invente un disque rotatif troué (connu plus tard sous le nom de disque de Nipkow) qui peut convertir une image en une série d’impulsions lumineuses.
• 1888 : Le physicien allemand Heinrich Hertz (1857-1894) démontre comment fabriquer des ondes radio.
• 1894 : Sir Oliver Lodge (1851-1940), un physicien britannique, réussit à transmettre un message par radio d’une pièce d’un bâtiment à une autre.
• 1922 : L’ingénieur américain en électronique Philo T. Farnsworth (1906-1971) a l’idée d’un système de balayage de télévision alors qu’il regarde le cheval de son père labourer un champ en rangées bien ordonnées.
• 1923 : Le physicien et ingénieur en électronique russe Vladimir Zworykin (1888-1982) dépose un brevet américain : 2 141 059 (accordé en 1929) pour un système de télévision qui utilise des tubes cathodiques dans l’émetteur et le récepteur. S’installant aux États-Unis, il travaille pour Westinghouse et, plus tard, pour RCA, où il dirige les efforts de la société pour développer la télévision.
• 1924 : L’inventeur écossais John Logie Baird (1888-1946) utilise un disque de Nipkow pour transmettre une image de télévision vacillante à quelques mètres de distance dans une pièce.
• 1925 : Baird fait la première démonstration publique d’images de télévision grossièrement scannées au grand magasin Selfridges de Londres, avec une démonstration plus sophistiquée devant un public scientifique invité le 26 janvier 1926.
• 1927 : Farnsworth dépose un brevet américain : 1 773 980 euros (accordé en 1930) pour son dissecteur d’images, la première véritable caméra de télévision au monde.
• 1928 : Baird fait la démonstration de la télévision couleur et d’une des premières formes de télévision en 3D.
• 1932–1934 : Isaac Shoenberg (1888-1946), d’origine russe, travaillant pour la société britannique EMI, développe un système de télévision entièrement électronique, essentiellement basé sur les idées de Zworykin. EMI s’associe plus tard à Marconi pour former Marconi-EMI.
• 1932 : Le 22 août 1932, la BBC (British Broadcasting Corporation) commence à offrir un service de télévision publique et opte finalement pour le système Marconi-EMI. La BBC commence à diffuser le premier service régulier de télévision au monde depuis le palais Alexandra de Londres le 2 novembre 1936.
• 1946 : Peter Goldmark, de CBS, pionnier du disque vinyle, développe un système de télévision couleur qui utilise une roue rotative pour alterner les images rouges, bleues et vertes.
• 1954 : RCA (Radio Corporation of America) vend les premières télévisions couleur le 25 mars 1954.
• 1964 : Donald Bitzer, Gene Slottow et Robert Willson, de l’université de l’Illinois à Urbana-Champaign, produisent le premier téléviseur à plasma, basé sur un écran d’ordinateur à haute résolution pour un système d’enseignement appelé PLATO.
• 1988 : La société japonaise Sharp Corporation lance le premier téléviseur LCD commercial.
• 1990s : Les premières émissions publiques de TVHD (TV haute définition) sont réalisées aux États-Unis et en Europe.
• 1999 : Le magazine Time désigne Philo T. Farnsworth comme l’une des 100 personnes les plus influentes du XXe siècle.
• 2000s : De nombreux pays passent de la télévision analogique à la télévision numérique. Aux États-Unis, par exemple, la transition s’est achevée en 2006, mais certains pays ne passeront complètement au numérique que dans les années 2020.
• 2007 : Sony, un autre fabricant japonais, présente le premier téléviseur OLED au monde, le XEL-1, principalement comme « preuve de concept ». Même si l’écran ne mesure que 28 cm, il se vend 2 500 dollars.
• 2010–2017 : L’engouement initial pour la télévision 3D tourne rapidement au vinaigre. En 2013, le New York Times déclare que c’est un « flop coûteux ». En 2017, les grands fabricants LG, Sony et Samsung abandonnent la technologie.