Voici ici, en partant de la théorie des lentilles minces, les explications des notions utilisées en photographie : notion de focale et d’angle de vue, notion d’ouverture et de profondeur de champ, de mise au point et de netteté…
Même si nos objectifs comprennent une multitude de lentilles, nous pouvons, pour simplifier, les ramener à une simple lentille convergente…
A – Physique d’une lentille convergente
CENTRE OPTIQUE d’une lentille
Lorsque les rayons lumineux passent par le centre optique (noté « O ») de la lentille, ils ne sont pas déviés et continuent leur course en ligne droite.
FOYERS d’une lentille et DISTANCE FOCALE
Le foyer image » F’ » est le point par lequel passent les rayons lumineux lorsqu’ils arrivent perpendiculairement à la lentille (ou parallèlement à son axe optique schématisé en pointillés).
Le foyer objet » F » est le point symétrique du foyer image par rapport à la lentille. Les rayons passant par le foyer image avant de traverser la lentille ressortent parallèles à l’axe optique.
La distance focale (définie pour tout objectif photographique et souvent appelée simplement « focale » : 50mm, 100mm , 300mm…) est donc la distance entre le centre optique « O » et le foyer (image ou objet) de la lentille.
Ces notions (centre optique, foyer et distance focale) vont nous permettre d’expliquer toutes les notions techniques utilisées en photo ! C’est parti…
(Toutes les notions abordées dans cette série s’appuient sur la théorie des lentilles « parfaites ». Ce modèle rend bien compte de la réalité, notamment dans le cas de lentilles « minces » : lorsque leur épaisseur est faible devant leur diamètre. Mais il convient de se rappeler que ce n’est qu’un modèle simple, et que la réalité est souvent bien plus complexe…).
B – Construction de l’image d’un objet
En utilisant les caractéristiques vues précédemment du centre optique et des foyers d’une lentille, nous pouvons construire géométriquement le trajet des rayons lumineux provenant d’un objet et passant à travers une lentille…
Les rayons passant par le centre optique « O » ne sont pas déviés.
Les rayons passant par le foyer image » F » ressortent parallèles.
Les rayons arrivant parallèlement à l’axe optique passent par le foyer objet » F’ « .
On constate que les rayons convergent en un même point. C’est à cet endroit qu’il sera possible de recréer une image nette de l’objet vu à travers la lentille…
On montre que l’on peut généraliser et que tous les rayons arrivant sur la lentille et issues d’un même point, convergent vers le même point image de l’autre coté de la lentille.
Voyons voir maintenant comment cela fonctionne dans l’appareil photo…
C – Image sur le capteur et mise au point
Un appareil photo peut donc être assimilé simplement à un objectif (représenté dans notre modèle par une simple lentille convergente), et un capteur, situé généralement derrière le foyer image de l’objectif.
On se rend alors compte, en dessinant l’image d’un objet situé devant l’appareil photo, qu’en fonction de la distance de cet objet, son image peut ne pas se créer dans le plan du capteur. L’image est alors floue. Il faut donc trouver un moyen de faire en sorte que l’image soit nette sur le capteur.
Première solution : éloigner ou rapprocher l’appareil photo de l’objet, jusqu’à la coïncidence de l’image sur le capteur. Pas toujours très pratique !
Deuxième solution : utiliser la mise au point de l’objectif ! Cela revient tout simplement à éloigner ou rapprocher la lentille par rapport au capteur, de manière à faire coïncider l’image nette de l’objet sur le capteur de l’appareil photo…
D – Influence de la focale d’un objectif, angle de vue
C’est le premier paramètre d’un objectif : sa focale. Depuis les grand-angles (focale inférieure à 35mm) jusqu’aux téléobjectifs (focales de 200mm ou plus) en passant par des objectifs intermédiaires, quel est le lien avec le modèle optique ?
C’est très simple : plus la focale est longue (c’est un abus de langage, qui correspond à dire que la distance focale est importante), plus les foyers sont éloignés de la lentille, et plus l’image d’un objet au travers de l’objectif est grande. On a alors l’impression que l’objectif « rapproche » l’objet. Au contraire, avec une focale courte (un grand-angle par exemple), un objet proche peut paraître « lointain » car l’image qui se forme dans l’appareil photo est petite.
LIEN ENTRE FOCALE ET ANGLE DE VUE
Il y a un lien direct entre focale et angle de vue. Une courte focale est plus grand-angulaire qu’une longue focale. En clair, l’angle de vue est bien plus important avec une courte focale (encore nommée « grand-angle ») car les images sont plus petites, on peut donc en caser « plus » sur la surface du capteur. Au contraire, un téléobjectif (qui possède donc une grande longueur focale) produit de grandes images, il n’est donc pas toujours possible de placer toute l’image d’un objet sur le capteur : l’ange de vue est étroit.
On se rend compte également que pour les longues focales, il faut éloigner la lentille du capteur pour réussir a avoir une image nette : les objectifs à longue focale (téléobjectifs) sont beaucoup plus longs que les objectifs à courte focale (grand-angulaires) ! Globalement, la longueur d’un objectif est sensiblement égale à sa longueur focale (c’est assez vrai pour les longues focales, moins pour les grand-angle)…
Enfin, certains objectifs sont des zooms : il est possible de modifier la longueur focale par un jeu de lentilles mobiles à l’intérieur de l’objectif. Dans ce cas, ces objectifs possèdent une focale minimum et une focale maximum, notée par exemple 100-400mm (focale minimum de 100mm et focale maximum de 400mm), ou par exemple 18-55mm.
E – Ouverture d’un objectif, diaphragme
La seconde caractéristique mentionnée sur un objectif après la focale est l’ouverture. Généralement notée f/4 ou f/1.2 ou f/5.6 par exemple (et parfois écrite f4 ou f5.6 par exemple, sans le signe de division).
Très simple, l’ouverture mentionne tout simplement le diamètre de passage de la lumière le plus important dans l’objectif. C’est donc une distance, définie généralement par rapport à la distance focale. Ainsi un objectif de 200mm de longueur focale et d’ouverture f/4 signifie tout simplement que le diamètre de passage de la lumière est de 200/4 = 50mm. Dans le cas d’un téléobjectif (c’est un peu différent pour les grand-angle), ce sera en général le diamètre de la lentille frontale ! Plus l’ouverture est importante (f/1.2 par exemple donne une ouverture plus importante que f/4) plus l’objectif reçoit de la lumière : on dit que c’est un objectif très lumineux !
Dans le cas d’un zoom (un objectif dont on peut changer la focale, par exemple un 70-200mm), deux valeurs d’ouverture peuvent être mentionnée si l’ouverture n’est pas constante, par exemple f/4-f/5.6. Cela signifie qu’à la focale de 70mm l’ouverture est de f/4 et qu’à la focale de 200mm l’ouverture n’est plus que de f/5.6. Certains zooms (haut de gamme) possèdent néanmoins une ouverture constante. Par exemple un 17-40mm f2.8. Vous savez donc maintenant déchiffrer un objectif 100-400mm f/4 – f/5.6 !
Et comme qui peut le plus peut le moins, il est bien évident que l’ouverture d’un objectif peut être diminuée en utilisant le diaphragme (sorte de « cache » circulaire de diamètre variable qui diminue la quantité de lumière passant dans l’objectif). Ainsi, un objectif d’ouverture f/2.8 peut bien être fermé a f/22, voir plus… Il est par contre impossible de dépasser l’ouverture maximum d’un objectif… Or cette ouverture maximum a une importance considérable : non seulement pour pouvoir prendre des photos dans des conditions lumineuses difficiles (obscurité par exemple), mais également pour jouer sur la profondeur de champ d’une photo.
F – Profondeur de champ fonction de l’ouverture
Nous allons montrer géométriquement pourquoi un objectif ayant une grande ouverture permet d’avoir une faible profondeur de champ, et au contraire pourquoi il faut fermer beaucoup un objectif pour gagner de la profondeur de champ.
Une faible profondeur de champ, c’est lorsque la zone nette de la photo est réduite (par exemple un visage, alors que tout ce qui est derrière ou devant est flou). Une faible profondeur de champ est souvent recherchée lorsqu’il s’agit de mettre en valeur un détail de la composition (un regard par exemple).
Une profondeur de champ importante implique que presque toute la photo est nette (par exemple le même visage, mais cette fois les maisons en arrière plan sont également nettes). C’est souvent utilisé pour des photos de paysage par exemple.
Dans les deux cas, la mise au point est faire sur l’arbre vert : son image est nette sur le capteur. Maintenant observons ce qui se passe pour l’arbre rouge juste derrière…
Dans le cas du haut (lentille à forte ouverture) on voit que les rayons lumineux peuvent emprunter un chemin très différent, si ils passent par le bas de la lentille, ou au contraire sur le bord haut de la lentille. L’angle formé par ces deux rayons lumineux est important, et comme ils ne convergent pas au niveau du capteur (puisque la mise au point est faite sur l’arbre vert), l’image donnée sur le capteur est très floue, un gros « paté » : l’arbre rouge sera difficilement visible.
En revanche, dans le cas du bas (lentille à faible ouverture), l’arbre rouge sera également flou, puisque la mise au point est toujours sur l’arbre vert. Mais comme le diamètre de la lentille est petit, l’angle formé par les rayons lumineux extrêmes (de chaque coté de la lentille) est plus faible : le flou sera moins prononcé et la profondeur de champ plus importante…