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Technique Photo — annexe sur l’optique

Sommaire

Point de départ

On part d’un objet dont on obtient une image projetée sur un plan [1]. Entre objet et image se trouve l’objectif, qui se caractérise essentiellement par :

Focale

Dans la présentation la plus schématique (celle du sténopé), « l’objectif » se représente comme un petit trou percé dans la paroi d’une « chambre obscure » (en italien camera oscura — latin camera obscura) à une certaine distance de la surface où se forme l’image projetée depuis l’extérieur.

L’orifice du sténopé laisse passer peu de lumière. Par l’utilisation de lentilles, on peut élargir le diamètre, ce qui rend l’image plus lumineuse. Le centre du système optique est appelé foyer : d’où le nom de focale, qui est la mesure à partir du plan image [2].

L’introduction de lentilles apporte des complications : une très bonne netteté peut être obtenue, mais seulement pour une distance donnée (cf infra profondeur de champ)

Angle de champ

Un objectif couvre un champ déterminé, dont l’angle, compte tenu de la focale, donne le diamètre du cercle image. Ce qui détermine le format auquel l’objectif correspond au plus. L’angle de champ est toujours donné pour une mise-au-point à l’infini. On conçoit qu’un champ plus étendu est une contrainte qui vient compliquer la conception des objectifs.

En 24x36 mm, la diagonale de l’image mesure 42 mm ; on a donc besoin au minimum d’un cercle de même diamètre. Pour une focale de 50 mm, la couverture de ce format suppose un champ de 46° ; mais en 6x7 cm (diagonale environ 9 cm) la même focale nécessite 83° (le champ d’un 25 mm en 24x36).

Ouverture

Elle correspond au diamètre de l’entrée de l’objectif (du moins dans une première approche où l’objectif est décrit de façon simplifiée). On a pris l’habitude de l’exprimer relativement à la focale, sous la forme d’un rapport. Ceci permet de comparer des focales différentes : un objectif de 100 mm ouvert à f/2 (lentille frontale de 100/2=50 mm de diamètre) est de même luminosité qu’un 50 mm dont la lentille frontale mesure 25 mm (ces diamètres sont théoriques, en pratique ils seront un peu plus importants).

La quantité de lumière varie comme la surface de l’orifice qui la laisse passer, donc en fonction du carré de ses dimensions. Les objectifs sont équipé d’un iris (ou diaphragme) qui permet de varier la quantité de lumière. D’un cran de diaphragme à l’autre, on fait varier la luminosité d’un facteur 2 ; comme la racine carrée de 2 est environ 1,4 le diamètre variera suivant ce facteur. On comprendra donc la suite des diaphragmes normalisés, dont les valeurs courantes sont 1,4 - 2 - 2,8 - 4 - 5,6 - 8 - 11 - 16 - 22… On peut aussi avoir des demi-diaphragmes (f/1,2 - 1,7 - 2,4 - 3,3…) — et même des tiers.

Grandes et petites ouvertures

Les utilisateurs de chambre grand format n’ont pas peur de fermer à f/64. Dans l’autre sens, le diamètre de l’ouverture peut égaler voire dépasser la focale. D’où les ouvertures étonnantes de f/1, f/0,7 ou plus encore présentées ici.

Profondeur de champ (depth of field / DOF)

Des points situés à différentes distances forment leur image également à des distances différentes de l’objectif. En positionnant l’optique à une certaine distance du plan image, on ne peut obtenir en théorie d’image nette que pour les objets situés à une distance précise. Dans la pratique il existe une marge de tolérance (qui varie notamment avec la focale et le format de l’appareil photo, et aussi les dimensions de l’image finale). La profondeur de champ (PDC) est cette plage de distances dans laquelle on admettra que l’image est nette.

La PDC est d’autant plus réduite que l’objectif est ouvert — et aussi que l’objet est proche. Plus précisément, la profondeur de champ est une fonction INVERSE de l’ouverture et du rapport de reproduction. Illustrations :

Mais la variation ne se fait pas suivant la même progression :

Diffraction

Toute onde (mécanique ou électromagnétique) qui doit franchir un passage étroit subit une perturbation. A proximité des bords se produit une « bousculade » qui fait changer de direction une partie du flux : c’est la diffraction. C’est pourquoi, en photographie, au fur et à mesure qu’on ferme le diaphragme, la diffraction détériore l’image (contraste et définition).

La diffraction n’est pas une aberration qu’on peut chercher à corriger, mais le résultat intangible des lois physiques et plus spécialement de la nature corpusculaire de la lumière. Elle frappe indistinctement tous les objectifs, bons ou mauvais. Ceci ne veut pas dire que tous sont absolument égaux devant la diffraction : deux objectifs similaires (i.e. de même focale et même angle de champ — comme vous avez dû le comprendre) mais de formule optique différente peuvent, à diaphragme égal, ne pas subir la diffraction avec la même intensité.

Aberration sphérique (sphéricité)

Les lentilles ne sont pas des objets abstraits, elles ont non seulement une épaisseur, mais aussi une courbure. D’où une imperfection liée à cette nature sphérique : pour un objet situé dans l’axe, les rayons lumineux qui passent le plus loin du centre ont une trajectoire qui ne s’infléchit pas comme ce qui est prévu, et ils ne rencontrent pas l’axe au même point que ceux qui ont le trajet le plus direct. Ce qui fait qu’aux plus grandes ouvertures, un point lumineux se trouve entouré d’une petite auréole diffuse. Ce n’est pas toujours un défaut grave, en portrait, on peut même souhaiter ce genre de diffusion.

En combinant des lentilles concaves et convexes on peut arriver à corriger jusqu’à un certain point l’aberration sphérique, mais la tache est excessivement ardue avec les optiques très lumineuses.

Focus shift

Déplacement (shift=glissement) du centre optique en fonction de l’ouverture du diaphragme, qui apparaît dans certaines configurations, notamment les optiques à grande ouverture, souffrant d’aberration sphérique. Cela peut entraîner des erreurs de mise au point [3].

Coma

L’aberration de coma est aux rayons latéraux ce que l’aberration sphériqe (cf supra) est aux rayons axiaux. Les faisceaux venant de la périphérie ayant des trajectoires disymétriques dans tous les axes (ce qui est aussi cause de l’astigmatisme, cf infra) l’auréole floue observée au centre se transforme en une forme allongée sur les bords. La coma se remarque particulièrement avec des points lumineux photographiés dans la pénombre. C’est un problème sérieux quand on recherche une grande luminosité.

Astigmatisme

L’astigmatisme est un défaut reconnaissable au fait qu’une ligne est nette dans une direction, et une autre de direction perpendiculaire à la première est floue. L’astigmatisme concerne les rayons lumineux provenant d’objets qui ne sont pas dans l’axe. Par suite, c’est une aberration qui rend plus difficile la conception d’objectifs grands-angulaires [4].

Courbure de champ (planéité de —)

Voir aussi Somme de Petzval.

Le champ d’un objectif (là où l’image est nette) devrait être un plan ; cela est difficile à obtenir en pratique, surtout si l’optique est lumineuse, a un grand angle de champ ou si on cherche à corriger au maximum l’astigmatisme.

Une planéité de champ impeccable est un impératif pour les objectifs de reproduction ; l’exigence est moindre a priori pour d’autres domaines (reportage…) ; néanmoins l’utilisation de capteurs numériques impose une planéité supérieure à ce que demandent les émulsions argentiques.

Somme de Petzval

Un système optique reproduit un champ plan sur un plan image présentant une certaine courbure. Cette courbure est égale à la somme de toutes les surfaces R(1/n' - 1/n). R=courbure, n et n'=indices de réfraction avant et après chaque surface. Pour corriger l'astigmatisme en conservant un champ image plan, cette somme doit être égale à zéro.

Aberration chromatique (chromatisme)

Chacun connaît le phénomène de décomposition en bandes colorées de la lumière blanche dirigée à travers un prisme. C’est ce qui explique les arcs-en-ciel. L’angle de réfraction varie avec la longueur d’onde, et à la sortie d’un objectif, les différentes couleurs venues du même point objet ne convergent normalement pas toutes au même point image. Celà reste peu détectable si la focale est courte, mais à mesure qu’elle s’allonge, des franges colorées deviennent plus visibles au bord des fins détails. Les opticiens doivent tenir compte du problème dans la conception des objectifs de longue focale. Si la correction est complête, l’objectif est dit apochromatique [5].

Traditionnellement, en prise de vue générale, la correction complête de l’aberration chromatique ne s’imposait que pour les longues focales. Dans d’autres domaines, c’est une qualité indispensable : par exemple pour les objectifs destinés à la reproduction — comme ceux utilisés en photogravure par les imprimeurs. L’utilisation des capteurs (particulièrement sensible au chromatisme) à la place de film argentique a considérablement accru l’importance de la question (l’acronyme AC est devenu courant dans les discussions entre amateurs).

Vignettage

Assombrissement sur la périphérie de l’image. Le vignettage a deux explication qu’il faut distinguer :


Notes


Cre : 25 sep 2010 - Maj : 02 jan 2014

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