L'optique et la photographie

Notion d'optique pour les photographes

 

L’optique est  la science de la lumière. En photographie la lumière est la substance de l’artiste et son outil, l’appareil photo, la capture pour exprimer son regard.

 

 

Un appareil photo utilise un objectif pour former une image sur le capteur. Cet objectif a des caractéristiques, et il est essentiel de bien les comprendre. Souvent ces caractéristiques sont mal appréhendées, voir même totalement incomprises avec des amalgames.

 

 

Un objectif d’appareil photo est caractérisé pour sa partie optique par sa focale et son ouverture. Un supplément technique comme les verres à faible dispersion ainsi qu’un élément stabilisateur est rajoutés sur les caractéristiques pour certaines optiques.

 

Les espaces en optique

 

En optique, on définit 3 espaces :

 

L’espace objet, l’espace intermédiaire et l’espace image.

 

 

Les rayons arrivant sur l’optique sont les rayons incidents, les rayons sortants sont les rayons émergents. On écrit les points et plans caractéristiques sans apostrophe dans l’espace objet  et avec apostrophe dans l’espace image (objet A et son image A’ par exemple).

Rayon est faisceau

 

Un faisceau est une infinité de rayons provenant d’une source lumineuse. Si cette source est à l’infinie (située très loin en rapport de la focale de l’objectif), le faisceau est parallèle. Par exemple le soleil ou les étoiles nous envoient  un rayonnement parallèle.

 

Il est possible d’avoir une source très proche qui envoie un faisceau parallèle. Cette source alors est dite collimatée.

 

Si une source ponctuelle est au foyer d’une lentille ou d’un miroir concave,   son image sera renvoyée à l’infinie, la source sera vu alors comme une étoile.

 

En labo d’optique, on utilise beaucoup ce principe pour la projection de sources ou de mires, ce sont les collimateurs.

 

La focale

 

La définition de la focale est souvent résumée à « c’est la distance du centre optique au plan focal où se projette l’image sur le capteur quand l’objectif est réglé à l’infini ».

 

Cette définition est en partie fausse; je le dis souvent, un objectif photo n’a pas de centre optique !

 

Les systèmes optiques sont composés de nombreuses lentilles, on ne peut donc résumer un objectif à une simple lentille d’épaisseur nulle.

 

 

 

Un système optique est « modélisé » par ses plans principaux nommés H et H ‘.

 

Quand un rayon passe par le système optique (espace objet), il passe par le plan H, et ressort par le plan H’ au même niveau, sous un angle émergent différent.

 

Quand un faisceau provenant d’une source à l’infinie (donc parallèle comme nous venons de le voir plus haut) traverse le système optique, ce faisceau ressort du plan H’ en cône pour se focaliser sur un plan nommé plan focal F’.

 

La distance du plan H’ au plan focale est la distance focale !

 

Les points nodaux

Le centre optique n’existe que pour une lentille d’épaisseur nulle, ce fameux « centre » pour un objectif sont les 2 points Nodaux notés N et N’. Pour un système baignant dans l’air, N et N’ sont sur les plans H et H’ et l’axe.

 

 

 

Image H et H’ et N N’

 

 

On remarque que le rayon traversant les points nodaux n'est pas dévié, propriété particulière de ces points faisant figurants donc de "centre optique".

Nota : en panoramique, ne pas confondre le point nodal et la pupille d’entrée  qui est utilisée pour faire des panoramas (rotation de l’appareil autour de la pupille d’entrée).

La focale et le champ

 

 

 

Avec les différentes tailles de capteur, beaucoup d’amateurs ont du mal à s’y retrouver sur la correspondance entre le champ et la focale.

 

Mettons tout de suite les pendules à l’heure, optiquement la focale par définition ne détermine pas un champ !

 

L’objectif est conçu pour donner une image sur plan où sera le capteur.  L’optique a un champ image déterminé d’un diamètre égale (au moins) à la diagonale du capteur.

 

Champ image d’un objectif

 

 

Un champ image est la surface de l’image produite par l'objectif. Il existe 3 champs, le champ de pleine lumière, le champ moyen ou champ de contour et le champ total. Le champ de pleine lumière est le champ utilisable qui doit contenir le capteur.

 

Nous voyons alors que le capteur cadre à l’intérieur du champ de pleine lumière de l’objectif. Par conséquence, il en détermine un champ objet, le fameux champ que les photographes veulent connaitre en correspondance de la focale.

 

 

Les fabriquant font des objectifs avec des champs images correspondants à une taille précise de capteurs. Si le champ est plus grand que ce dernier, aucun problème de compatibilité optique, on aura juste une portion de l’image que l’optique projette. Si le capteur est plus grand, dans ce cas, il y aura incompatibilité, l’image sera plus petite que le capteur.

 

Donc une focale de 35 mm pour un capteur 24x36 est un grand angle alors que cette même focale pour un capteur 2 fois plus petit en surface (APS-C) sera une focale dite standard et, même un petit téléobjectif pour un capteur d’un appareil micro 4 :3 !

 

Donc, c’est quand on détermine la taille du capteur (donc le choix de son appareil photo) qu’on détermine la catégorie de champs de ses optiques (capteur 24x36 : focale 35 mm = grand angle, 50 mm = standard…ect.).

 

Le nombre d'ouverture

 

 

Le nombre d’ouverture est souvent une caractéristique difficile à comprendre pour beaucoup de photographes débutants (et moins débutants aussi).

 

Pour une lentille mince, l’ouverture correspond à sa focale divisée par son diamètre.

 

Mais voilà que nos objectifs ne sont pas pour de simples lentilles minces, cette définition n’a alors plus de sens.

 

 

Un objectif est composé d’un iris encadré par un groupe optique formé de lentilles de chaque coté.

 

Ce diamètre, si facile à mesurer pour une seule lentille, est le diamètre de la pupille d’entrée de  de tout' l'optique; une fenêtre ou rentre toute la lumière provenant de la scène photographiée.

 

Cette pupille d’entrée n’est pas physiquement réelle, elle est imagée. Son image est celle de l’iris totalement ouvert à travers le groupe avant.

 

Le nombre d’ouverture est alors le diamètre de cette pupille, image de l’iris à travers le groupe optique avant divisé par la focale du système.

 

Nota : ne pas confondre le nombre d’ouverture avec l’ouverture numérique.

 

Complément : l’ouverture photométrique T est l’ouverture avec le coefficient de transmission. Cette ouverture est utilisée surtout identifiée sur les optiques pour les vidéastes.

 

Composition des optiques photographiques

 

 

Différents objectifs, différents concepts optiques

 

Complément : l’ouverture photométrique T est l’ouverture avec le coefficient de transmission. Cette ouverture est utilisée surtout identifiée sur les optiques pour les vidéastes.

 

Composition des optiques photographiques

 

Sans rentrer dans les détails, nous pouvons distinguer 3 sortes de design optique :

 

Le téléobjectif inversé "divergent convergent" pour les grands-angles

 

 

 

Le symétrique pour les standards

 

 

Le téléobjectif "convergent divergent" pour les…téléobjectifs

 

 

Agrandissement et grossissement

 

Voilà encore 2 termes que beaucoup de photographes confondent.

 

L'agrandissement est le rapport entre la taille de l'objet et celle de l'image.

Le grossissement est le rapport entre la taille angulaire de l'objet et la taille angulaire de l'image.

Nota : dans le cas des loupes et microscopes, on ramène la taille angulaire de l'objet vu à 25 cm, on parle alors de grossissement commercial (Gc).

Grossissement

Système afocal redressé
Système afocal redressé

Le grossissement G est définit par :

 

Le rapport de la tangente de la taille apparente angulaire de l'image / tangente de la taille apparente angulaire de l'objet.

En photographie, un objectif ne grossit pas, seule les systèmes afocaux ont un grossissement. Ces systèmes afocaux sont les lunettes, jumelles et télescopes. Ces instruments envoient une image à l'infini d'un objet qu'il "regarde" (aussi à l'infini).

En macrophotographie, on parle d'agrandissement avec des rapports courants de 0.3 à 1. C'est le rapport taille de l'image de l'objet / par taille réelle de l'objet.


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