Focale

Tout objectif est capable de produire sur un écran une image renversée du sujet. Lorsque les rayons lumineux traversent une lentille convexe (à laquelle toute optique est assimilable), tous se croisent en un point. La distance entre ce point et la lentille en question (ou centre optique de l’objectif) est appelée distance focale.

Cette distance focale, exprimée en millimètres, est directement liée à l’angle couvert par l’objectif (ou angle de champ) : plus elle est courte, plus il est important. Elle est également liée à la zone de netteté produite par un objectif donné, également appelée profondeur de champ.

Elle se calcule de la manière suivante :

PdC = DPN - PPN

PdC : profondeur de champ DPN : dernier plan net PPN : premier plan net

PPN et DPN se calculent ainsi (à part pour la photomacrographie) :

PPN = H x p / [H + (p - f)] DPN = H x p / [H + (p + f)]

H : hyperfocale P : distance de mise au point (ou distance entre le sujet et l’objectif) f : focale de l’objectif

L'hyperfocale et cercle de confusion

L’hyperfocale est la distance sur laquelle on fait la mise au point pour obtenir une netteté étendue de sa moitié (H/2) jusqu’à l’infini. On la calcule de la manière suivante :

H = f² / (n x e) e : cercle de confusion

Le cercle de confusion est la distance minimale séparant deux détails sur le capteur ou le négatif pour que l’œil puisse les distinguer. En argentique 24x36, elle est de 0,03 mm. En numérique, elle est variable en fonction des caractéristiques des capteurs.

Profondeur de champ et diaphragme

En observant ces formules, on voit que la profondeur de champ est inversement proportionnelle au carré de la focale de l’objectif considéré.

On peut simplifier en se souvenant que plus la focale d’un objectif est longue, moins la profondeur de champ est vaste (ex. : un 28 mm produit sur l’image une zone de netteté beaucoup plus importante qu’un 300 mm).

On voit aussi que plus le diaphragme est fermé (donc, plus n est grand), plus la profondeur de champ est étendue. Ainsi, un objectif utilisé à f/16 produit une image où la zone de netteté est plus grande que lorsqu’il est utilisé à f/5,6.

Les focales fixes

Souvent moins encombrants et plus lumineux, les objectifs à focale fixe sont de meilleure qualité que les zooms à prix égal. Leur formule optique (ordre, type et nombre de lentilles) est en effet souvent relativement simple (seule la mise au point nécessite un mouvement des lentilles au sein de l’objectif) et éprouvée depuis de nombreuses années.

Les objectif à focale normale

Anciennement considérés comme indispensables à tous photographes, ces objectifs bénéficient d’une formule existant depuis des décennies qui leur permet de concilier une très bonne qualité optique (ces objectifs sont très peu sujets aux diverses aberrations) et une grande luminosité, le tout pour un prix modique.

Sur la plupart des appareils reflex numériques grand public, ils constituent souvent une excellente optique pour le portrait, alors dotée du prix le moins élevé de la gamme chez presque tous les fabricants. Sur un appareil numérique non professionnel, on retrouve avec un 35 mm un angle de couverture à peu près équivalent à celui que l’on obtient en argentique avec un 50 mm.

Les grands angulaires

Ils présentent un intérêt lorsque le photographe dispose d’un faible recul, ou qu’il désire obtenir une zone de netteté étendue (ex. : un paysage). En exagérant la perspective de manière spectaculaire, il confère au premier plan une importance démesurée. Cet effet optique est particulièrement recherché par de nombreux photographes de reportage.

Les téléobjectifs

Ces objectifs créent un effet optique de proximité avec le sujet. Le photographe les utilise lorsqu’il en est trop éloigné pour obtenir une image intéressante (ex. : reportage sportif, photographie animalière).

Il est également particulièrement recherché pour sa faible profondeur de champ. Ainsi, les courts téléobjectifs (focales comprises entre 85 et 105 mm en argentique et comprises entre 55 et 70 mm pour un utilisateur de reflex numérique) sont les optiques le plus souvent utilisées pour le portrait.

Au contraire des grands-angles, les longs téléobjectifs (focale comprise entre 300 et 1 200 mm en argentique, supérieure à 200 mm sur un reflex numérique grand public ou expert) provoquent sur l’image un écrasement de la perspective d’autant plus visible que la focale est longue.

Les zooms

Ces objectifs sont de loin les plus prisés par le grand public. Polyvalents, ils permettent à l’utilisateur de provoquer un mouvement des lentilles à l’intérieur du barillet et ainsi de modifier la focale de leur objectif. Pour caractériser un zoom, on indique ses deux focales extrêmes (ex. : 28-80 mm). On peut également définir l’amplitude de zooming. Dans le cas d’un 28-80 mm, cette amplitude est environ de 3x (80 / 28 = 2,85, donc environ 3).

Plus complexes à produire que les focales fixes, notamment en raison du nombre élevé de lentilles à faire cohabiter et se déplacer, on atteint rapidement des sommets en matière de prix lorsque l’on recherche des zooms aux performances comparables à ces dernières. Là encore, on distingue plusieurs familles de zooms en fonction des focales couvertes.

Les zooms grands-angles

Ce sont les zooms dont l’ensemble des focales couvertes sont inférieures ou égales à 35 mm en argentique et inférieures ou égales à 24 mm sur un reflex numérique non professionnel. Souvent chers, voire très chers, ils ne sont pas ouverts à toutes les bourses.

Les zooms transstandard

Ils couvrent les focales les plus courantes, du grand-angle au petit téléobjectif en passant par la focale normale. Ce sont les objectifs fournis en kit avec les boîtiers et dont l’utilité n’est plus à démontrer. En argentiques, ils couvrent en général les focales s’étendant de 28 à 80 ou 105 mm. Ils possèdent un inconvénient : la nécessité de les vendre en kit avec les boîtiers à moindre coût induit des performances correctes, voire bonnes, mais ils sont peu lumineux et leur qualité est souvent moyenne lors d’une utilisation des focales extrêmes (en position grand-angle ou téléobjectif).

Les télézooms

La plus petite focale de ces zooms est supérieure à la focale normale pour un reflex argentique (50 mm). Plus chers que les transstandards, ces objectifs sont surtout l’apanage des photographes sportifs ou animaliers. Lorsque l’on souhaite se servir d’optiques lumineuses dans cette gamme, on atteint assez rapidement des prix très élevés.

La compatibilité entre optiques argentiques et reflex numérique

Que les possesseurs d’optiques argentiques se rassurent ! La plupart des fabricants assurent leur compatibilité avec leur système reflex numérique (à part Olympus, qui a mis au point une technologie 4/3 totalement inédite). Deux restrictions sont néanmoins à prendre en compte. Premièrement, seuls les objectifs autofocus sont pleinement compatibles. Ensuite, à part ceux qui sont fabriqués par des marques spécialisées dans la conception d’optiques destinées à des boîtiers d’autres firmes (ex. : Tamron ou Sigma), seuls les objectifs développés par le fabricant de l’appareil sont adaptables.

En raison de la taille réduite des capteurs numériques par rapport au film argentique (à part sur certains boîtiers professionnels qui coûtent plusieurs milliers d’euros), les optiques autofocus traditionnelles se comportent comme des focales d’environ une fois et demie plus longues sur un boîtier numérique. Ce coefficient multiplicateur d’1,5 est indicatif et varie légèrement selon les marques (à part Olympus, dont la technologie 4/3 induit un coefficient multiplicateur x2).

Ce rétrécissement du capteur numérique par rapport au film n’a pas que des désavantages. D’une part, si cette transformation a tendance à léser les utilisateurs de grands-angles, elle favorise ceux qui se servent de longues focales, dont l’effet de proximité avec le sujet se voit renforcé. D’autre part, le capteur ainsi réduit ne prend en compte que la partie centrale des objectifs argentiques, qui est toujours de meilleure qualité que ses bords.

La diffraction

La lumière est le seul phénomène physique connu qui combine une réalité matérielle (elle est composée de photons) et une nature ondulatoire. C’est de cette seconde caractéristique que découle le phénomène de la diffraction qui constitue une des limites majeures au pouvoir séparateur des objectifs.

Lorsqu’une ouverture est traversée par un rayon lumineux, celui-ci est automatiquement dévié par ses bords. C’est le cas, par exemple, avec le diaphragme d’un objectif. Le point qu’il est sensé former sur le capteur se transforme alors en un disque d’une taille par définition supérieure au point. Il est appelé disque de Airy. Son diamètre est variable en fonction de la longueur d’onde (ou couleur) considérée. Par convention, on adopte celle du vert-jaune (560 μm) à laquelle l’œil humain est le plus sensible. Il se calcule de la manière suivante :

D = 0,683 2 x n n : ouverture du diaphragme de l’objectif

D représente donc la taille sur le capteur du boîtier du plus petit détail rendu par un objectif à une ouverture de diaphragme donnée. Pour calculer la résolution maximale d’un objectif en fonction de la diffraction (en paires de lignes par millimètre), on applique la formule :

R = 1 000/D (ou R = 1 464/n)

Si on observe la formule qui permet de calculer D, on voit bien que plus n est élevé (diaphragme fermé), moins la définition d’un objectif est juste. Néanmoins, on ne peut tenir compte de cette seule règle car d’autres paramètres entrent en ligne de compte.

Le vignetage

Le terme « vignetage » désigne un défaut optique qui consiste en une mauvaise répartition de la lumière sur l’image finale : son centre est correctement éclairé, alors que ses extrémités sont plus sombres. Ce phénomène, qui limite la qualité de l’image, est le résultat de la perte d’une partie des rayons marginaux entrants, pour lesquels le barillet de l’objectif lui-même constitue un obstacle.

Ce type d’aberration concerne essentiellement les focales courtes, et il est plus marqué en numérique en raison de la taille réduite et des caractéristiques physiques du capteur. La constitution en alvéole des photosites forme en effet un obstacle pour les rayons lumineux obliques, qui sont, de plus, moins bien captés en numérique qu’en argentique, car la surface sensible d’un capteur est plus réfléchissante que celle d’un film.

La seule solution pour réduire le vignetage consiste à utiliser des lentilles plus grandes. Il limite donc fortement la compacité des objectifs, et notamment des grands-angulaires. Il faut également souligner que plus le diaphragme est clos, moins ces rayons ont d’importance pour la formation de l’image. Pour limiter ce phénomène, le photographe doit donc choisir l’ouverture du diaphragme la plus petite possible lors de la prise de vue. Cela pose deux problèmes : ils captent ainsi moins de lumière et provoquent une baisse de la résolution optique à cause de la diffraction.

Pris entre la nécessité de limiter à la fois le vignetage et la diffraction, le photographe est donc contraint en permanence de trouver un compromis afin de disposer de la meilleure définition optique possible. Sauf cas dans certains cas particuliers, la plupart des professionnels utilisent leurs optiques diaphragmées entre f/5,6 et f/11. Ces valeurs sont celles pour lesquelles un objectif donne ses meilleurs résultats car le vignetage et la diffraction restent limités.

La distorsion et les aberrations chromatiques

Toute lentille est imparfaite et sujette à de nombreuses aberrations. C’est pourquoi la juxtaposition de plusieurs lentilles, ou de groupes de lentilles, est toujours nécessaire au sein d’un objectif pour corriger au mieux les défauts de chacune d’entre elles et garantir à l’utilisateur la définition la plus élevée. La meilleure optique est donc par nature celle pour laquelle ces aberrations sont le mieux corrigées par le constructeur.

La distorsion

Dans de nombreux cas, les lignes droites d’une scène photographiée se transforment sur l’image et deviennent incurvées : c’est la distorsion. Elle concerne toutes les focales, à l’exception de la focale normale, et elle s’accentue à mesure qu’on s’en éloigne. La solution à ce problème consiste à employer des lentilles particulières, dites « asphériques », dont la forme complexe n’est ni totalement concave ni complètement convexe. Coûteuses à produire, ces lentilles influent de façon importante sur le prix des objectifs auxquels elles sont intégrées.

Les aberrations chromatiques

Autre conséquence du phénomène optique de la diffraction : toutes les couleurs ne sont pas nettes de la même manière sur l’image finale. Il y a aberration chromatique lorsque la couleur d’un point influe de manière trop importante sur sa netteté. Ce désagrément augmente avec la focale et concerne donc surtout les téléobjectifs. La solution consiste à ajouter dans la formule optique des lentilles fabriquées avec des verres optiques spéciaux dont le rôle est de corriger l’écart de netteté existant entre les couleurs. Les objectifs ainsi fabriqués sont dits « apochromatiques » et souvent désignés sous le sigle APO.

La technologie diffringente multicouche

Afin de concilier les nécessités de corriger les aberrations avec l’impératif de compacité des objectifs, Canon s’est décidé à utiliser des lentilles diffringentes multicouches.

Ce type de dispositif intègre deux éléments diffringents montés en opposition de phase

Cette technologie, pour le moment peu répandue et onéreuse, a plusieurs avantage.

En premier lieu, son emploi permet une meilleure focalisation des rayons lumineux captés par l’objectif, ce qui permet de réduire la distance les séparant des lentilles suivantes et de réduire ainsi l’encombrement de l’objectif de manière importante (25 à 30 % selon les modèles). Ensuite, en inversant l’image formée par la lentille précédente de l’objectif, un système diffringent permet une correction efficace de l’aberration chromatique

Les multiplicateurs de focales

Pour les amateurs de très longs téléobjectifs dont le budget est limité, il existe chez certains fabricants des multiplicateurs de focale.

Ces compléments, que l’on place entre le boîtier et l’objectif, ont l’avantage de multiplier la focale de l’optique par 1,4 ou 2 selon les modèles pour un coût largement inférieur aux optiques correspondant à ces focales.

Leur défaut est d’entraîner une diminution importante de la luminosité de l’objectif (d’une ou de deux valeurs d’ouverture du diaphragme selon les modèles).

Cette caractéristique peut se révéler handicapante dans des conditions de faible éclairement.

Les bonnettes macro

Les bonnettes macro permettent de se servir d’une optique standard pour faire de la photomacrographie, vissées devant la lentille frontale de l’objectif (à la place du filtre).

Moins chères que les objectifs dédiés à cette pratique, elles sont constituées d’une simple lentille convergente.

Elles sont de ce fait beaucoup plus sensibles aux diverses aberrations que les optiques qui sont spécialement conçues pour la photomacrographie.