Tout photographe utilisant un appareil numérique sera confronté à un moment ou l'autre au bruit numérique engendré par la montée en sensibilité (iso) pour faire de la photo en lumière trop faible.
Voici une tentative d'explication du phénomène hausse de sensibilité = hausse du bruit...


1. Quelques rappels sur le fonctionnement d'un APN

Pour simplifier très fort, voici un APN (pour les parties qui nous concernent) :



La lumière passe à travers l'iris (diaphragme) qui contrôle la dose de lumière à laisser passer par son ouverture. Ensuite elle passe à travers l'obturateur ouvert (représenté ici fermé) pendant la durée de pose. Elle tombe pour finir sur les pixels du capteur qui la transforme en énergie électrique. Ce signal électrique est amplifié par l'électronique de l'appareil.

La sensibilité iso dans un apn correspond au gain d'amplification de l'électronique de l'APN.
plus l'iso est élevé, plus le gain est fort. Le gain à iso 400 est 4 fois le gain à iso 100.

Par ce schéma, on voit en particulier que si il y a peu de lumière, une fois qu'on a ouvert le diaphragme à fond, une fois qu'on a atteint le temps de pose maximum qu'on trouve tolérable (en fonction des mouvements des objets de la scène ou en fonction des tremblements du photographe s'il n'utilise pas un trépied), il ne reste plus qu'à augmenter l'iso.


2. Le bruit

Un bruit électrique se forme au niveau de chaque pixel pendant la prise de vue. Plus le temps de pose est long, et plus le bruit a loisir de se former.
Mais ce bruit ne dépend pas de la quantité de lumière qui arrive sur le capteur.

Remarque : le bruit dépend de la température, ce qui explique pourquoi les capteurs de certains systèmes d'imagerie scientifique soient refroidi à l'azote liquide

Plaçons nous donc dans le cas d'un temps de pose donné, à une température donnée, avec un capteur donné (chaque capteur a son bruit propre suivant son type et sa conception).

Si il y a beaucoup de lumière, le signal électrique créé par le pixel est très fort et n'aura pas besoin de beaucoup d'amplification (iso faible). Le bruit est très faible par rapport au signal créé par la lumière. on ne le distingue donc pas sur l'image finale. Le signal provoqué par la lumière est prédominant.

Si il y a moins de lumière, le signal électrique créé par le pixel est faible. Le bruit lui par contre est resté le même. Dans le signal qui est envoyé à l'amplificateur, la part de bruit est donc plus forte.
Pour obtenir une image bien exposée, on est monté en iso et donc le gain électrique est plus fort. Le problème est que ce n'est pas que le signal (faible) qui est amplifié, mais également le bruit. Ainsi le bruit, comme le signal est beaucoup plus amplifié à iso forts, ce qui explique qu'une image est beaucoup plus bruitée pour des iso importants...


J'espère que le manque d'illustrations ne vous aura pas trop rebuté, et que cette petite explication reste compréhensible...
N'hésitez pas à poser des questions, dans la mesure du possible, j'essaierai d'y répondre le plus clairement que je peux !

EDIT : Samu-san propose le lien vers ce site très complet dans cette discussion (interrogation sur la sensibilité iso)