Commençons donc par l'appareil photo. Pourquoi débuter par lui ? Car c'est un système optique très simple. Basiquement, c'est une lentille (l'objectif) placée devant un écran (le capteur ou la pellicule). C'est tout !
Modélisation d'un appareil photo
Un appareil photo peut être modélisé par une lentille placée devant un écran.
Crédit :
ASM/B. Mollier
Bon, je vous embobine un peu. Si on démonte un appareil photo, c'est beaucoup plus compliqué que ça. Mais la modélisation une lentille + un écran suffit largement pour comprendre son fonctionnement.
Qu'est-ce qu'un appareil photo ? Je l'ai dit juste avant, c'est une lentille et un écran. Plus exactement, un objectif qui va former l'image du sujet sur notre capteur.
Description d'un réflex
Je vais brièvement décrire le boîtier réflex classique, avec objectif amovible et capteur 24x36.
L'objectif est un tube dans lequel on trouve un grand nombre de lentilles (parfois une dizaine). Elles servent à faire l'image du sujet sur le capteur, d'en faire la mise au point correcte, de zoomer éventuellement, et d'assurer une bonne correction des aberrations optiques et chromatiques. Je vous l'avais déjà dit, on ne travaille pas, en photo, dans les conditions de Gauss, car on perdrait trop de lumière.
On trouve aussi un diaphragme permettant de régler la quantité de lumière rentrant dans l'appareil (réglage de l'ouverture et de la profondeur de champ).
Dans le boîtier, on trouve un miroir basculant. Il renvoie la lumière vers le viseur pour permettre le cadrage, puis bascule pour la laisser rentrer dans la chambre pendant la prise de vue.
On trouve derrière l'obturateur, qui ne s'ouvre que pendant la prise de vue, pour laisser la lumière imprimer le capteur ou la pellicule. La quantité de lumière arrivant sur le capteur est bien sûr proportionnelle au temps d'exposition, c'est-à-dire la durée d'ouverture de l'obturateur.
Enfin, derrière l'obturateur, on trouve la pellicule sur les anciens appareils argentiques, ou un capteur CCD, sur les appareils photo numériques (abrégé APN). La dimension classique du capteur est (ou était) 24x36 mm. Même si elle n'est plus utilisée dans tous les APN, surtout les compacts, elle sert encore de référence pour les calculs de focale.
Par défaut, quand je parlerai d'APN, ce sera un réflex avec un capteur de 24x36 mm.
Coupe transversale d'un appareil photo reflex.
- 1. Objectif
- 2. Miroir abaissé (image visible dans l'oculaire / le viseur)
- 3. Obturateur focal
- 4. Capteur/Film
- 5. Verre dépoli
- 6. Condenseur
- 7. Pentaprisme
- 8. Oculaire/Viseur
Crédit :
Colin M.L. Burnett, GFDL/CC BY-SA 3.0
Coupe d'un appareil photo réflex
- 1. Lentille frontale de l'objectif
- 3. Diaphragme
- 4. Obturateur
- 5. Pellicule
- 10. Viseur
- 12. Bague de mise au point
Objectif à focale variable 
, téléobjectif de 
, grand angulaire de 
... qu'est-ce que tout ça ?
Des chiffres ?
Que veulent dire ces chiffres
?
Crédit :
B. Mollier
Angle de champ
La focale de l'objectif nous donne une information sur l'angle embrassé par l'appareil.
L'angle de champ est l'angle couvert par l'appareil photo. Si c'est angle est grand, on photographie une grande zone, un vaste paysage par exemple. S'il est petit, on ne photographie qu'un détail, par exemple un animal perdu dans le paysage.
Lien entre angle de champ et focale
L'angle de champ et la focale sont reliés entre eux. Ils dépendent de la taille du capteur. La référence est le capteur de 24x36. S'il est de taille différente, on calculera des focales équivalentes ramenées au format 24x36 (cf page suivante).
Pour qu'une partie du paysage soit photographiée, il faut que son image arrive sur le capteur. Les bords du capteur définissent donc la limite de ce qui est photographiable. Ce dernier projette un cône virtuel en avant de l'appareil photo. Tout ce qui est dans ce cône apparaîtra lors de la soirée diapo. Ce qui est en dehors sera perdu à jamais...
La distance entre le capteur et l'objectif est typiquement la distance focale. On est donc en mesure de calculer l'angle de champ connaissant la taille du capteur et la focale.
Angle de champ
Crédit :
ASM/B. Mollier
Pour les curieux, son expression est 
, où 
est la diagonale du capteur, 
la focale.
Angle de champ et focale
| Pour un capteur de 24x36 mm |
| Focale | Angle de champ (environ) |
| 17 mm | 105° |
| 28 mm | 75° |
| 35 mm | 65° |
| 50 mm | 45° |
| 80 mm | 30° |
| 105 mm | 23° |
| 135 mm | 18° |
| 200 mm | 12° |
| 300 mm | 8° |
Grand angulaire, téléobjectif
On classe les objectifs en 2 catégories. Les grands angulaires possédant une courte focale et un grand champ, et les téléobjectifs possédant une longue focale et un petit champ.
La limite entre les deux catégories est pour une focale d'environ 
qui offre un champ comparable à celui d'un oeil humain.
Grands angulaires et téléobjectifs
En vert, la classe des objectifs grand-angle, en bleu, celle des téléobjectifs. En rouge, l'objectif de
dont l'angle de champ est équivalent à celui de l'oeil.
Crédit :
ASM/B. Mollier
Objectif de 25 mm
Grande coupole de l'observatoire de Meudon prise avec un objectif de
.
Crédit :
B. Mollier
Objectif de 70 mm
Grande coupole de l'observatoire de Meudon prise avec un objectif de
.
Crédit :
B. Mollier
Objectif de 120 mm
Grande coupole de l'observatoire de Meudon prise avec un objectif de
.
Crédit :
B. Mollier
Objectif de 300 mm
Grande coupole de l'observatoire de Meudon prise avec un objectif de
.
Crédit :
B. Mollier
Un gros zoom
Pourquoi voit-on plus gros un objet avec un téléobjectif ? un zoom dirons nous de manière abusive ?
L'angle de vue étant plus réduit, on met une portion de l'espace plus petite sur la même surface de capteur, on l'a agrandi.
Un arbre vu au grand angle et au téléobjectif
Plus la focale est longue, plus l'image d'un objet (l'arbre ici) est grande et prend de la place sur le capteur.
Crédit :
ASM/B. Mollier
Auteur: Benjamin Mollier
Focale équivalente
Difficulté : ☆☆
Temps : 20 min
Nous venons de voir que l'angle de champ dépend de la taille du capteur. Or, de nombreux APN possèdent maintenant des capteurs plus petits. Nous allons prendre l'exemple d'un APN du commerce (dont je ne citerai pas la marque) possédant un capteur mesurant 
.
Boîtier avec petit capteur
Sur ce boîtier, le capteur est de petite taille. Il ne fait pas
comme les argentiques, mais
.
Crédit :
B. Mollier
Question 1)
J'adapte dessus un objectif de 
de focale. Rappelez quel serait l'angle de champ avec un capteur 
.
Question 2)
Quelle valeur prend cet angle avec notre capteur plus petit ?
Question 3)
Calculez quelle focale donnerait le même angle de champ avec un capteur 
. C'est ce qu'on appellera la focale utile (ou équivalente).
Question 4)
Calculer la focale utile sur notre nouveau boîtier si j'adapte un téléobjectif de 
. Commentez.
Question 5)
À l'inverse, si je désire obtenir une focale utile de 
, quel objectif dois-je acheter ? Concluez.
Exposition
L'exposition, en photographie, désigne la quantité de lumière, le nombre de photons, enregistré par le capteur.
Elle dépend de trois paramètres :
- Le temps de pose : il paraît évident que, plus on pose longtemps, plus on enregistre de photons.
- L'ouverture : plus notre objectif est large, plus il peut collecter de lumière.
- La sensibilité : plus le capteur, ou la pellicule, est sensible, plus la lumière est amplifiée.
Dans le cadre de ce cours d'optique, nous ne nous intéresserons qu'au cas de l'ouverture. De nombreux ouvrages consacrés à la photographie traitent du reste.
L'ouverture
S'il est un paramètre important en photographie, c'est bien l'ouverture. On contrôle cette quantité à l'aide d'un diaphragme. Plus on ferme le diaphragme, plus on diminue l'ouverture.
Si ce réglage a un impact direct sur la quantité de lumière qui rentre dans l'appareil, il en a aussi sur la qualité de la photo. Réduire l'ouverture augmente la zone de netteté de l'image (on parle de profondeur de champ), peut réduire certaines aberrations (en se rapprochant des conditions de Gauss), mais gare au vignétage !
Cette quantité s'exprime étrangement en 
sur un nombre. Nous allons voir pourquoi.
Angle d'ouverture
L'angle d'ouverture 
mesure le rapport entre le diamètre 
de l'objectif (du collecteur de lumière en général) et sa focale 
:
Angle d'ouverture
L'angle d'ouverture
mesure le rapport entre le diamètre
de l'objectif (du collecteur de lumière en général) et sa focale
:
Crédit :
ASM/B. Mollier
Attention
Ne pas confondre l'angle de champ, qui dépend de la taille du capteur, et l'angle d'ouverture, qui dépend du diamètre de l'objectif.
Nombre d'ouverture
Le nombre d'ouverture (noté N.O.) ou plus simplement ouverture est la quantité inverse 
On la note 
Par exemple, si je possède un objectif de 
de focale, avec un diaphragme de 
de diamètre, l'angle d'ouverture vaut 
et son ouverture vaut 2,8. On parle donc d'objectif ouvert à 
.
Plus le chiffre est petit, plus l'objectif est ouvert, plus la quantité de lumière qui rentre est importante. À l'inverse, plus ce chiffre est grand, plus l'objectif est fermé, et moins la quantité de lumière qui rentre est importante.
Pour résumer, un objectif ouvert à 
veut simplement dire que le diamètre du diaphragme est 2,8 fois plus petit que la focale.
Profondeur de champ
Nous avons vu, lors du cours sur les lentilles, qu'il n'existe qu'un seul plan antécédent du plan du détecteur. Autrement dit, notre photo ne sera nette qu'à une distance très précise de l'appareil photo.
Cependant, lorsque l'on regarde une photo, celle-ci nous apparaît nette sur une certaine distance, parfois très courte, parfois très grande.
Cette zone nette s'appelle la profondeur de champ. Plus celle-ci est grande, plus la photo sera nette longtemps. À l'inverse, plus la profondeur de champ est petite, plus courte sera la distance sur laquelle la photo sera nette.
Faible profondeur de champ
Avec une grande ouverture, la profondeur de champ est réduite. Les épis en arrière-plan sont flous.
Crédit :
B. Mollier
Faible profondeur de champ
Avec une faible ouverture, la profondeur de champ est augmentée. Les épis en arrière-plan sont cette fois-ci plus nets.
Crédit :
B. Mollier
Lien avec l'ouverture
Si l'ouverture est importante, les rayons issus d'un point empruntent beaucoup de chemins différents. Si l'image de cet objet n'est pas sur le capteur, mais en avant ou en arrière, alors tous ces rayons tombent sur le capteur en une largeur zone, une grosse tache (regardez l'intersection des faisceaux avec le capteur dans l'image en bas). L'image est floue.
Mais si on réduit l'ouverture, on diminue le nombre de rayons entrant dans l'appareil, et on réduit ainsi la taille de la tache où ils convergent.
À la limite, si on ferme au maximum le diaphragme, on ne sélectionne plus qu'un seul rayon par point. L'image est alors nette à toutes les distances. On peut même se passer de la lentille. C'est le principe du sténopé. Par contre, comme très peu de lumière entre, il faut poser très longtemps.
Ouverture et profondeur de champ
Plus l'ouverture est grande, plus la profondeur de champ est réduite. Premier plan et arrière plan sont flous. À l'inverse, plus on diminue l'ouverture, plus la profondeur de champ augmente. Premier plan et arrière plan apparaissent nets.
Crédit :
ASM/B. Mollier
Modélisation
L'appareil photo peut être modélisé par une simple lentille placée devant un écran.
Focale
La focale d'un objectif est la distance focale de la lentille équivalente.
Une courte focale entraîne un grand angle de champ. Ce type d'objectif est appelé grand angle. Ces derniers possèdent une focale inférieure à 
.
Une longue focale entraîne un angle de champ réduit. Ce type d'objectif est appelé téléobjectif. Ces derniers possèdent une focale supérieure à 
.
Ouverture
L'ouverture mesure le rapport entre le diamètre du diaphragme et la focale.
Pour ouvrir un objectif, on ouvre le diaphragme : on augmente son diamètre. On augmente la quantité de lumière rentrant dans l'appareil, et on diminue la profondeur de champ.
En réduisant le diamètre du diaphragme, on ferme l'objectif. On réduit la quantité de lumière rentrant dans l'appareil, et on augmente la profondeur de champ.
Auteur: B. Mollier
Compact numérique
Ci-dessous, vous pouvez voir la photo d'un compact numérique. De nombreuses informations sont inscrites sur sa face avant. Que signifient-elles ?
Le compact numérique
Un appareil photo compact. Sur l'objectif, on peut lire plusieurs chiffres comme 1:3.3-4.9 / 4.1 - 49.2 ainsi que 25 mm WIDE.
Crédit :
B. Mollier
Question 1)
Vous pouvez lire sur l'objectif 25 mm WIDE, ainsi que 1:3.3-4.9 et enfin 4.1 - 49.2. Que signifient ces chiffres ?
Le premier est une focale équivalente. Notez que les seconds sont des dénominateurs. Enfin, 49,2 est à peu près égal 12x4,1.
Question 2)
Lorsque la focale du zoom optique est réglée sur la plus courte distance, 
, le compact offre une focale équivalente de 
Déduisez-en la taille du capteur.
Question 3)
Quelle est alors la focale équivalente en position de zoom maximal ?
L'appareil affiche un zoom optique de 12x.
veut dire que notre objectif est équivalent à une lentille mince convergente de distance focale image 
. Quand au téléobjectif de 
, il sera équivalent à une lentille mince convergente de vergence moindre, puisque sa distance focale sera de 
.
par exemple) et au zoom universel (
), en jouant sur le déplacement de lentilles à l'intérieur, on peut faire varier leur distance focale. C'est l'avantage d'avoir un système à plusieurs lentilles par rapport à une unique lentille pour laquelle cette grandeur est fixe.
de focale, dont le diamètre est 
. Quelle pourra être l'ouverture maximale ?