Approche documentaire : L appareil photographique

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1 Approche documentaire : L appareil photographique Cette approche documentaire vise à discuter de l influence de la focale, de la durée d exposition et du diaphragme d un appareil photo numérique sur la formation de l image. I. Définitions et modélisations 1. Schématisation d un appareil photo numérique (APN) Il est modélisable par : un objectif, assimilable à une lentille convergente de distance focale f. un diaphragme circulaire de diamètre D qui limite l étendue du faisceau lumineux admis dans l appareil. un capteur photosensible (capteur CCD ou CMOS) constitué de pixels. 2. Paramètres de réglage Lorsqu on prend une photo, on a la possibilité de choisir plusieurs paramètres : focale de l objectif, durée d exposition, ouverture et sensibilité. Durée d exposition : la prise de la photo s effectue pendant une durée T, appelée durée d exposition. C est la durée pendant laquelle le capteur reçoit de la lumière. On parle aussi de vitesse d obturation. Plus la durée d exposition est grande, plus la vitesse d obturation est petite, plus l obturation est lente. Quand on double le temps de pose en avançant d un cran (par exemple de 1/4 s. à 1/2 s.), on double la durée de l'exposition et par conséquent on double la quantité d énergie lumineuse que le capteur de l'appareil va recevoir. Les valeurs habituelles de T trouvées sur les APN sont indiquées dans le tableau plus bas. L'ouverture du diaphragme de l'objectif (NO) Le diaphragme est constitué de plusieurs lamelles en métal qui, ensemble, constituent une ouverture circulaire dans l'objectif. L'ouverture exprime la surface du diaphragme ; une grande ouverture correspond à un grand diaphragme qui laisse passer beaucoup de lumière, et une petite ouverture à un petit diaphragme qui en laisse passer peu. Plus précisément, on appelle éclairement E le flux lumineux reçu par la surface sensible (le capteur) par unité de surface, exprimé en lux (ou lumen/m2) : c est l énergie lumineuse reçue par le capteur par unité de surface et de temps. On démontre que l éclairement reçu par le capteur pour un faisceau incident parallèle à l axe optique est proportionnel au carré du quotient D/f où D est la surface du diaphragme et f la distance focale de l objectif soit : ( ), où k est un paramètre ne dépendant que de la source lumineuse et du facteur de transmission de l objectif. On définit alors le nombre d ouverture NO de l objectif, grandeur sans dimension telle que : NO = f/d. Plus NO est grand, plus D est petit, à distance focale fixe : D = f/no Les valeurs de NO et T sont normalisées, on rencontre généralement les valeurs suivantes : NO 1 1,4 2 2,8 4 5, T en s 1/1000 1/500 1/250 1/125 1/60 1/30 1/15 1/8 1/4 1/2 1

2 Montrer que la suite des NO faisant varier l éclairement du capteur est une suite géométrique de raison. De quel facteur varie l éclairement quand on passe d un NO au suivant? Sur les objectifs photographiques, c est en réalité le diamètre du diaphragme qui est porté par des indications f/no : f/8, f/11, etc Ainsi, si le photographe veut diminuer la surface du diaphragme, il doit augmenter NO ce qui est un peu troublant de prime abord En résumé, à distance focale f constante : - une valeur f/no, avec NO petit (par exemple f/2.8) correspond à une grande ouverture (D grand) laissant entrer beaucoup de lumière, ce qui est utile pour les scènes peu lumineuses (permet d'éviter la sous-exposition) ; - inversement, une valeur f/no, avec NO grand (par exemple f/11) correspond à une petite ouverture (D petit) laissant entrer peu de lumière, ce qui est utile pour les scènes très lumineuses (permet d'éviter la surexposition). Ainsi, pour qu'une photo soit bien exposée, il faut choisir une certaine combinaison vitesse/ouverture qui soit appropriée à la luminosité de la scène que l'on veut photographier. C est le problème de l exposition. L exposition En réalité, ces deux paramètres, ouverture et temps de pose, influencent donc simultanément la qualité de l image. On définit l exposition H, comme le produit de l éclairement par le temps de pose soit : H = ET = k T/NO 2. Cette grandeur représente, pour une prise de vue donnée, l énergie lumineuse reçue par le capteur par unité de surface. Il existe donc plusieurs combinaisons temps de pose/ouverture permettant d obtenir une même exposition : ce sont celles qui rendent H constant. Il suffit pour cela d augmenter d un cran l ouverture et de diminuer d un cran le temps de pose, ou inversement! C est alors principalement l esthétique de l image qui guide le choix du photographe. Les APN permettent de choisir quelle priorité le photographe accorde, pour une exposition idéale H déterminée par les capteurs et le processeur de l appareil : soit le photographe accorde la priorité à l ouverture (mode Av) c est-à-dire qu il la choisit ; l appareil fixe alors le temps de pose T. Soit le photographe donne la priorité au temps de pose (mode Tv), et alors l appareil fixe l ouverture. Dans tous les cas, les choix correspondent tous à H=ET constant. Sensibilité ISO : c est la sensibilité du capteur à la lumière. Elle peut prendre en général les valeurs suivantes : 100, 200, 400, 800 et Sur les APN, augmenter l ISO consiste à amplifier les mesures du capteur lorsque le flux lumineux capté n est pas suffisant. Par exemple, si on diminue la durée d exposition d un facteur 2, on peut obtenir une exposition identique en multipliant par 2 la sensibilité. Néanmoins, plus la sensibilité ISO est élevée, plus la photo est bruitée, conséquence de cette amplification. Pour un couple temps d exposition, ouverture donnée, il

3 vaut mieux choisir l ISO le plus bas conduisant à une exposition satisfaisante, c est ce que fait le mode automatique de valeur d ISO. 3. Caractéristiques d une photo Exposition : L exposition correspond à la luminosité d une photo. Une photo est surexposée quand elle est trop lumineuse et sous-exposée quand elle ne l est pas assez. L exposition est déterminée par trois paramètres clefs : l ouverture du diaphragme, le temps de pose et la sensibilité ISO. Champ : Soit θ l angle entre l axe optique et les rayons lumineux émis par un objet ponctuel à l infini, noté B. Le champ de l objectif 2θm est défini comme le double de l angle θ maximal autorisé pour que l image de B se forme encore sur le détecteur, de taille fixée. Le format standard de la pellicule d un appareil argentiques est un rectangle 24,0 mm 36,0 mm, centré sur l axe optique. θm est donc la valeur de θ pour laquelle l image de B est dans un coin de la pellicule. Profondeur de champ (PDC) : c est la zone de netteté acceptable, en avant et en arrière du plan de mise au point. Elle désigne une plage de distances dans laquelle des sujets paraitront nets. On cherche par exemple à réduire la profondeur de champ lorsque l on veut faire ressortir un sujet en noyant l arrière-plan dans le flou, comme en portrait. On cherche à l augmenter lorsque l on veut avoir une netteté parfaite du premier plan jusqu à l horizon, comme en photo de paysages. Plus précisément, la PDC est la distance entre les deux points extrêmes de l axe optique dont les images sont vues nettement sur le capteur de l APN. La PDC est due à la structure granulaire du capteur numérique. On appelle ε la dimension caractéristique d un élément du capteur numérique ou pixel. Un faisceau issu d un point objet A situé sur l axe optique intersecte le plan du capteur selon une surface, dont la taille caractéristique est a. Tout point objet A sera vu net (i.e. aura une image ponctuelle à l échelle du capteur) tant que a < ε. Pour cette raison, la distance ε est appelé cercle de confusion. La PDC est donc constituée de l ensemble des points situés entre les points extrêmes A1 et A2 vérifiant cette condition.

4 L image sera réussie si le point A visé par le photographe est compris entre A1 et A2. Pour un même sujet A visé, la composition de l image, c est-à-dire son rendu esthétique, sera fortement modifiée selon l amplitude de la PDC, c est-à-dire la distance A1A2. On démontre que la PDC vérifie la relation suivante:, où d est la distance de mise au point (d = OA, A étant le point objet, visé par le photographe, sur lequel la mise au point est faite) et f la focale de l objectif. Pour une focale donnée, une grande ouverture (par exemple f/2.8) donne donc lieu à une petite PDC, permettant de laisser nets uniquement les plans proches de celui où a été fait la mise au point (utile par exemple en portrait, pour rendre flou l'arrière-plan). Une petite ouverture donne lieu à une grande PDC, laissant nets la plupart des plans de la photo (utile par exemple en paysage). II. Observations et interprétations On cherche maintenant à comprendre l influence de la focale, du temps d exposition et de l ouverture sur la photo. Chaque série de photos intervenant est prise avec le même appareil (Canon 550D), d un même endroit et avec une mise au point identique. On précisera au cas par cas les paramètres choisis. 1. Champ observable f = 18 mm f = 35 mm

5 f = 50 mm f = 135 mm Les photos ci-dessus ont été prises avec des objectifs de différentes focales : 18 mm, 35 mm, 50 mm et 135 mm. Pour le Canon 550D, le capteur a comme taille 22,3x14,9 mm (format APS-C). Les autres paramètres sont identiques sur les 4 photos: ISO 100, f/10 (c est-à-dire un nombre d ouverture de 10), 1/100 s (c est-`a-dire un temps d exposition de 1/100 s). Commenter l influence de la focale. Illustrer ces constatations par une construction géométrique et calculer l angle du champ photographié dans les quatre cas. Conclure sur l utilisation d objectifs de différentes focales : f = 18 mm ; f = 35 mm ; f = 50 mm ; f = 135 mm. 2. Influence du diaphragme seul Voici une série de photos prises avec une distance focale fixe de 76 mm, un temps d exposition fixe de 1/100 s, une sensibilité identique ISO 100. Seule l ouverture est modifiée. f/5,6 f/9 f/18 f/32

6 Commenter l influence du diaphragme. 3. Influence du temps d exposition seul Voici une série de photos prises avec une distance focale fixe de 76 mm, une ouverture fixe de f/10, une sensibilité identique ISO 100. Seul le temps d exposition est modifié. 1/640 s 1/320 s 1/100 s 1/25 s Commenter l influence du temps d exposition. Que constatez-vous concernant ces deux dernières séries de photos?

7 4. Influence du diaphragme et du temps d exposition cumulés ISO 100; f/5,6; 1/320 s ISO 640; f/20; 1/160 s ISO 1600; f/36; 1/125 s Les photos ci-dessus ont été prises avec une focale de 85mm. ISO 200; f/5,6; 1/250 s ISO 800; f/32; 1/30 s Les photos ci-dessus ont été prises avec une focale de 135mm. Commenter l influence du diaphragme sur la profondeur de champ. Commenter l influence du temps d exposition.

8 5. Influence du diaphragme et du temps d exposition sur un sujet en mouvement ISO 100; f/32; 1/6 s ISO 100; f/5,6; 1/640 s Les photos ci-dessus ont été prises avec une focale de 135mm. Les photos ci-dessous ont été prises avec une focale de 10mm. ISO 1600; f/4; 1/30 s ISO 1600; f/22; 1 s Commenter les photos (temps d exposition, ouverture). Comparer les relations entre modifications du temps d exposition et du diaphragme d ouverture, et les interpréter qualitativement. Quelle est la conséquence sur l exposition des photos?

9 Ces deux photos ont été prises dans des conditions similaires avec une focale de 200 mm, et un couple (nombre d ouverture, temps d exposition) égaux à (ISO 100; f/5,6; 1/320s) et (ISO 100; f/25; 1/15s). Associer chaque triplet à la bonne photo. Commenter les effets des temps d exposition et ouverture. Vérifier l invariance de l exposition. Revenir aux photos du paragraphe 4). L ISO a ici aussi été modifié afin d obtenir une même exposition. Trouver la nouvelle quantité invariante construite à partir de NO, T et ISO. 6. Diffraction par le diaphragme Ces photos ont été prises dans des conditions similaires avec une focale de 50 mm ISO 1600; f/16; 1/10 s ISO 200; f/1,8; 1/60 s Commenter les photos ci-dessus. Comment interpréter le nombre de branches obtenues autour des sources de lumières?