Le web de Dominique Guebey – Optique et technologie photo
Page web : http://www.dg77.net/photo/tech/optique.htm
Soit un objet, dont on veut obtenir une image projetée sur un plan.
Dans les appareils de prise de vue (caméra ciné, appareil photo, photocopieuse…) on positionne entre les deux un dispositif optique, l’objectif.
Les objectifs utilisent les propriétés de la lumière quand elle traverse un matériau (plus ou moins) transparent. Il s’agit de la réfraction.
Le sténopé peut être une simple boîte où une pièce dont on a occulté les fenêtres pour mieux voir le résultat. Par un petit trou percé dans la paroi de cette « chambre obscure » (en italien camera oscura – latin camera obscura) on voit apparaître à l’opposé une image (inversée) projetée depuis l’extérieur.
L’image obtenue au sténopé est relativement sombre : les adeptes du sténopé pratiquent en pose longue, de préférence sur trépied. La netteté est modeste voire médiocre, mais, contrairement aux objectifs, elle ne varie pas avec la distance ; on peut dire que la profondeur de champ d’un sténopé est infinie (sur la profondeur de champ, cf infra). Qualité supplémentaire du sténopé : la distorsion est absolument nulle.
Si on agrandit l’orifice, l’image s’éclaircit mais se trouble davantage. Inversement, en réduisant le diamètre du trou, la netteté s’améliore (au prix d’un assombrissement de l’image), mais elle rencontre une limite due au phénomène de la diffraction (cf infra).
Un sténopé laisse simplement passer les rayons lumineux en ligne droite.
Une optique utilisant des lentilles fait subir à la trajectoire de la lumière autant de déviations qu’il y a de surface de verre à traverser. Un objectif peut atteindre ainsi une remarquable complexité (certains zooms ont plus de vingt lentilles.
En utilisant des lentilles, on peut considérablement améliorer la luminosité, ainsi que la netteté. En contrepartie, celle-la ne sera obtenue que pour une distance donnée . De plus, la qualité d’image, si elle peut être excellente au centre, sera plus difficile à améliorer à la périphérie.
Commençons prudemment pas un objectif considéré comme une unique lentille mince.
La lentille ayant un profil convexe est dite convergente : venant d’un point donné (côté objet), les rayons lumineux qui la traversent se rejoignent en un point côté image. À partir d’un point situé à l’infini (ou très éloigné), ces rayons arrivent parallèlement (ou quasi parallèlement) à la lentille, puis se rejoignent en un autre point qu’on nomme le foyer.
Dans cette hypothèse, la distance entre le centre de la lentille et le foyer est nommée focale. Dans la réalité des objectifs constitués d’un alignement de lentilles, le foyer est plus compliqué à situer empiriquement et, par suite, la focale plus difficile à définir.
La lumière projetée par un objectif couvre un cercle image. Le diamètre de ce cercle varie suivant l’angle de champ dont est capable l’optique. Cela détermine le format utilisable.
Pour le format 24x36 mm, la diagonale mesure environ 42 mm ; il s’ensuit qu’on a besoin au minimum d’un cercle image du même diamètre. Pour une focale courante de 50 mm, la couverture de ce format suppose un champ de 46° ; les côtés correspondent alors à des angles d’environ 27 et 40°. Il est logique d’utiliser plutôt l’angle de champ diagonal, qui permet de caractériser les capacités de l’optique, et de la comparer avec d’autres objectifs quel que soit le format utilisé.
L’angle de champ est toujours donné pour une mise-au-point à l’infini. Quand la distance diminue, on éloigne l’optique du plan image, l’image enregistrée n’occupe alors qu’une portion réduite du cône de lumière projeté par l’objectif.
La recherche d’un champ plus étendu est une contrainte qui complique la conception des objectifs.
Dans le cas de l’objectif schématisé en une unique lentille mince, l’ouverture correspond au diamètre de la lentille. Dans la réalité, ce sera au mieux le diamètre de la monture qui encercle la lentille frontale.
Une convention commode est d’exprimer l’ouverture 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 théoriquement de 100/2=50 mm de diamètre) est de même luminosité qu’un 50 mm dont la lentille frontale mesure a priori 25 mm – en pratique un peu plus.
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. Dès lors on comprend 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.
L’ouverture photométrique s’exprime avec la lettre T, à la différence du l’ouverture relative F. Le verre absorbe une partie de la lumière qui le traverse. Cette diminution peut être non négligeable si l’épaisseur des lentilles devient conséquente. Ainsi un objectif 1:1,2 peut n’être plus qu’un 1:1,4 eut égard à la luminosité effective qu’il laisse passer. L’exposition devra être ajustée en conséquence, par exemple si on effectue une mesure séparée de la lumière avec une cellule à main. La connaissance de l’ouverture T est importante pour les cinéastes.
Cette réduction de luminosité n’affecte pas la géométrie de l’image obtenue. Dans le cas précité, la profondeur de champ sera toujours celle d’une optique f/1.2.
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 par ailleurs [http://www.dg77.net/photo/tech/fastex.htm].
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. Exemples :
Mais la variation ne se fait pas suivant la même progression :
Assombrissement sur la périphérie de l’image. Le vignettage a deux explications qu’il faut distinguer :
Une optique souffrant de distorsion inflige une courbure aux lignes droites qui ne passent pas par le centre. La distorsion est dite en barillet quand la déformation courbe les lignes vers l’extérieur ; dans le cas inverse, on a une distorsion en coussinet.
On évitera de parler de distorsion quand il s’agit de simples convergences dues au fait que le plan de l’image n’est pas parallèle au plan de l’objet. Cas classique : un monument devant lequel on aura dirigé l’objectif vers le haut.
Une bonne correction de la distorsion est souhaitable pour l’objectif de base (50 mm ou autre) et encore plus pour un grand angulaire utilisé en photo d’architecture ; elle est moins nécessaire pour le reportage humain. Une correction maximale est requise pour certaines applications : reproduction, cartographie aérienne, photogrammétrie.
La lumière est constituée d’ondes. On connait des ondes mécaniques (vibrations, sons, vagues à la surface de l’eau…) ou électromagnétiques (ondes radio, chaleur, lumière).
Toute onde qui passe près d’un objet ou doit franchir un passage étroit subit une perturbation. À proximité des bords de l’obstacle 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 altère l’image, par baisse du contraste.
La diffraction n’est pas une aberration qu’on peut chercher à corriger. 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 une variation de diffraction exactement similaire.
Chacun a déjà vu un arc-en-ciel. C’est la manifestation d’un phénomène facilement vérifié : la décomposition en bandes colorées de la lumière blanche dirigée à travers un prisme. La raison en est que l’angle de réfraction varie avec la longueur d’onde : à la sortie d’un objectif, les différentes couleurs venues du même point objet ne convergent pas toutes automatiquement au même point image. Cela 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. Si la correction est complète, l’objectif est dit apochromatique.
Naguère, en prise de vue générale, la correction complète de l’aberration chromatique ne s’imposait que pour les longues focales. L’utilisation des capteurs (particulièrement sensibles au chromatisme) à la place de film argentique a considérablement accru l’importance de la question (les initiales A.C. sont devenues courantes dans les discussions entre amateurs).
Dans d’autres domaines, la correction chromatique est impérative. Par exemple en reproduction, notamment pour les objectifs utilisés en photogravure par les imprimeurs.
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 souhaité, 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 : 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.
Déplacement (shift=glissement) du foyer en fonction de l’ouverture du diaphragme, qui apparaît dans certaines configurations, notamment des optiques très lumineuses souffrant d’aberration sphérique. Cela peut entraîner des erreurs de mise au point.
A pleine ouverture, les photons qui frappent la surface sensible proviennent en majorité (une majorité massive) de la périphérie de l’optique. Or ces rayons lumineux correspondent à une focale légèrement inférieure à la focale nominale, calculée en passant par le centre . Mais au fur et à mesure qu’on ferme l’iris, les rayons centraux prennent plus d’importance, l’aberration sphérique se trouve gommée, la focale glisse vers sa valeur officielle. Ce glissement du foyer de l’optique est nommé couramment focus-shift.
L’aberration de coma est aux rayons latéraux ce que l’aberration sphérique (cf supra) est aux rayons axiaux. Les faisceaux venant de la périphérie ont 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 en photo nocturne, où l’on voit les points lumineux photographiés dans la pénombre prendre des formes variées suivant leur emplacement dans le cadre. On comprend que les astronomes soient gens spécialement exigeants en la matière.
L’astigmatisme est un défaut reconnaissable au fait que des lignes dans une certaine direction se distinguent avec netteté, tandis que sont floues d’autres lignes de direction perpendiculaire aux premières. L’astigmatisme concerne les rayons lumineux provenant d’objets qui ne sont pas dans l’axe. Cela rend plus difficile la conception d’objectifs grands-angulaires.
La zone où l’image est nette devrait être totalement plane ; cela est difficile à obtenir en pratique, surtout si l’optique est lumineuse, a un grand angle de champ, ou si on veut une correction maximale de 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…). L’utilisation de capteurs numériques impose un plan image plus rigoureux que ce que demandent les émulsions argentiques.
La courbure de champ est liée à l’astigmatisme : il est difficile de corriger simultanètement les deux aberrations.
