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Technique Photo — annexe sur l’optique

Sommaire

Point de départ

Soit :

Dans les appareils de prise de vue (caméra ciné, appareil photo, photocopieuse…) on positionne un dispositif optique (l’objectif, qui peut être un zoom) entre les deux.

Sténopé

En anglais : pinhole camera (pinhole : trou d’épingle).

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.

Une image au sténopé est moyennement nette sur tout le champ, mais à toutes les distances. Cependant elle est sombre : les photographes au sténopé pratiquent en pose longue avec trépied.

Si on agrandit l’orifice, l’image s’éclaircit mais devient franchement trouble. Inversement, en réduisant le diamètre du trou, l’amélioration de la netteté rencontre une limite due au phénomène de la diffraction (cf infra).

Objectif simplifié

En utilisant des lentilles, la luminosité peut considérablement être améliorée, ainsi que la netteté. Une contrepartie notable est que cette netteté ne sera obtenu que pour une distance donnée ; de plus, la qualité d’image, si elle peut être excellente au centre, sera plus difficile à obtenir à la périphérie.

Un sténopé laisse simplement passer les rayons lumineux en ligne droite. Une optique utilisant plusieurs 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 — dites encore éléments).

Commençons prudemment pas un objectif considéré comme une unique lentille mince.

Une 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 appelle le foyer [1].

Dans ce cas de figure très théorique, la distance entre le centre de la lentille et le foyer est appellée focale. Dans la réalité des objectifs constitués par un épais alignement de lentilles, le foyer est plus compliqué à situer empiriquement, et la focale plus difficile à définir.

Angle de champ

La lumière projetée par un objectif couvre un cercle image. Le diamètre de ce cercle varie suivant l’angle de champ. Cela détermine le format utilisable avec cet objectif.

L’angle de champ est toujours donné pour une mise-au-point à l’infini.

En 24x36 mm, la diagonale de l’image mesure environ 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° ; les côtés correspondent 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 [2].

On conçoit qu’un champ plus étendu est une contrainte qui s’ajoute aux exigences (recherche de luminosité, de définition, contraste, reproduction géométrique fidèle, etc.), tout celà venant compliquer la conception des objectifs.

Ouverture

Dans le cas de l’objectif schématisé en une unique lentille mince, l’ouverture correspond au diamètre de ladite lentille. 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 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.

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 [http://www.dg77.net/photo/tech/fastex.htm#].

Profondeur de champ (PDC, 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 (ou passe près d’un objet) 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 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 foyer en fonction de l’ouverture du diaphragme, qui apparaît dans certaines configurations, notamment les optiques à grande ouverture souffrant d’aberration sphérique. Celà peut entraîner des erreurs de mise au point [3].

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 [4]. 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.

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, tandis qu’est floue une autre ligne de direction perpendiculaire à la première. L’astigmatisme concerne les rayons lumineux provenant d’objets qui ne sont pas dans l’axe. Par suite, il rend plus difficile la conception d’objectifs grands-angulaires [5].

Courbure de champ (planéité de –)

La zone où l’image est nette devrait être totalement plane ; celà 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. On peut y parvenir, certes, mais au prix d’un plan parfois curieusement ondulé du côté de l’objet.

Voir aussi Somme de Petzval.

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 [6].

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 explications qu’il faut distinguer :

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 : les courbures s’annulent entre elles.


Notes


Cre : 25 sep 2010 - Maj : 23 nov 2018

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Cre : 25 sep 2010 - Maj : 23 nov 2018