Approche documentaire n 1. L appareil photographique

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1 Approche documentaire n 1 L appareil photographique

2 Document 1 : Principe de l appareil photographique I. Présentation Dans la figure ci-contre est représenté le schéma simplifié d un appareil photographique. Il est constitué : d un boitier (corps de l appareil) d un objectif. Il est constitué d un grand nombre de lentilles, qui peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. L objectif est équivalent à une lentille unique de distance focale f. Le déplacement des lentilles de l objectif permettent : de simuler un déplacement de la lentille équivalente par rapport au boitier ; pour les objectifs permettant de «zoomer», de faire varier la distance focale f. d un diaphragme. Il s agit d une ouverture de diamètre D réglable, placé dans l objectif. d un obturateur. Il s agit d un rideau qui s ouvre au moment de la prise de vue. d un capteur. Dans les anciens appareils, il s agissait d un film argentique. Les appareils actuels sont maintenant numériques : la pellicule est remplacée par un capteur CCD ou CMOS. En outre, un système de traitement placé dans le boitier permet d amplifier, éventuellement de traiter et d enregistrer l image sur une carte-mémoire. On donne dans le document suivant un extrait des caractéristiques techniques d un APN plein format du commerce. 1

3 II. Quelques définitions Mise au point : on dit que l on fait la mise au point sur un objet A si l image de l objet par l objectif se forme sur le capteur de l appareil. Pour faire la mise au point, on déplace l objectif par rapport au capteur. Champ : pour une mise au point donnée, le champ correspond au diamètre apparent maximal sous lequel est vue la scène photographiée. C est donc l angle entre l axe optique de l objectif et le rayon frappant l un des coins du capteur. Profondeur de champ : pour une mise au point donnée, la profondeur de champ est la distance entre le point le plus rapproché et le point le plus éloigné de l axe optique de l objectif pour lesquels l appareil fournit une image nette. Cette notion est liée à la granularité du capteur. On appelle ε la dimension caractéristique d un élément du capteur numérique ou pixel. L intersection du faisceau lumineux issu d un point objet A situé sur l axe optique et du plan du capteur est une surface dont la taille caractéristique est notée 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 appelée cercle de confusion. La profondeur de champ est donc constituée de l ensemble des points situés entre les points extrêmes A 1 et A 2 vérifiant cette condition. On démontre alors que la profondeur de champ vérifie la relation suivante : N. O 2 A 1 A 2 2εd f 2 où d est la distance de mise au pont (d=oa, A étant le point objet, visé par le photographe, sur lequel le point est fait) et f la focale de l objectif. 2

4 Document 2: le problème d exposition en photographie On présente ici le principe général de l exposition, ainsi qu une vue d ensemble des paramètres qui lui sont associés : vitesse d obturation, ouverture, focale. Voyons déjà ce que signifie "une photo correctement exposée". Une photo correctement exposée est obtenue lorsque le capteur numérique de l appareil photo a reçu une quantité de lumière appropriée par rapport à la luminosité de la scène que l on a photographiée. La photo ne sera donc ni trop claire, ni trop sombre, mais bien équilibrée du point de vue de la quantité de lumière. Des exemples valent mieux qu un long discours. La quantité de lumière reçue par le détecteur de l appareil photo dépend (entre autres) des trois paramètres suivants : la focale la vitesse d obturation l ouverture I. La vitesse d obturation ou temps de pose L obturateur est un diaphragme placé devant le capteur de l appareil photo. L obturateur s ouvre plus ou moins longtemps, déterminant ainsi la vitesse d exposition ou de façon équivalente le temps de pose T (en s). En d autres termes, la vitesse d obturation détermine combien de temps le capteur de l appareil photo est exposé à la lumière. Le temps de pose s exprime généralement en seconde ou en fraction de seconde. Schématiquement : un temps de pose long (c est-à-dire une vitesse d obturation faible), par exemple T = 1s, permet d exposer longtemps la surface sensible de l appareil (film argentique ou capteur numérique). Un temps de pose long est utile pour les scènes peu lumineuses (ce qui permet entre autres d éviter la sous-exposition) ; 3

5 un temps de pose court (c est-à-dire une vitesse d obturation élevée), par exemple T = 10 3 s, permet d exposer la surface sensible de l appareil très peu de temps. Un temps de pose court est utile pour les scènes très lumineuses (ce qui permet entre autres d éviter la sur-exposition). Quand on double le temps de pose en avançant d un cran (en passant par exemple de 1/4 s à 1/2 s), on double la durée de l exposition et par conséquent on double l énergie lumineuse reçue par le capteur de l appareil. Les valeurs habituelles trouvées sur les appareils photo numériques sont réunies dans le tableau suivant. Temps de pose usuels (en s) 1/40001/10001/5001/250 1/125 1/60 1/30 1/2000 1/15 1/8 1/4 1/2 1 2 III. L ouverture du diaphragme de l objectif (NO) Le diaphragme est constitué de plusieurs lamelles en métal qui, ensemble, constituent une ouverture quasi - circulaire dans l objectif. L ouverture représente le diamètre de l'orifice créé par le diaphragme; une grande ouverture correspond à un diaphragme qui laisse passer beaucoup de lumière, et une petite ouverture à un diaphragme qui en laisse passer peu. Plus précisément, on appelle éclairement énergétique I l énergie lumineuse reçue par le capteur par unité de surface et de temps. L éclairement énergétique s exprime en W/m 2. La puissance P reçue par un détecteur de surface S est donnée par P = I.S (si l éclairement est uniforme). On démontre que la puissance reçue par le capteur pour un faisceau incident parallèle à l axe optique est proportionnelle au carré du quotient D f : I = ( D f )2. L ouverture relative de l objectif (ou nombre d ouverture) est définie par le nombre sans dimension: N. O = f D où f est la focale et D le diamètre de la pupille du diaphragme. L ouverture relative est aussi appelée nombre d ouverture (noté N.O.). Les valeurs successives de N.O. pré-définies sur les appareils numériques correspondent à des éclairements reçus par la surface sensible variant d un facteur 2. Les valeurs des N.O. constituent une suite géométrique de raison 2. Les valeurs d ouverture les plus courantes sont réunies dans le tableau ci-dessous : 4

6 Nombres d ouverture les plus courants 1,4 2 2,8 4 5, Sur les objectifs photographiques, c est en réalité le diamètre du diaphragme qui est porté par des indications f/8, f/11, etc. Par exemple, si on ferme le diaphragme de f/2,8 à f/4, on diminue de moitié la surface du diaphragme, donc d un facteur 2 son diamètre. Ainsi, si le photographe veut diminuer la surface du diaphragme, il doit augmenter N.O. ce qui est un peu troublant de prime abord. En résumé, à distance focale f constante : une petite valeur de f/ (par exemple f/2,8) correspond à une pupille largement ouverte (D grand) laissant entrer beaucoup de lumière, ce qui est utile pour les scènes peu lumineuses (ce qui permet entre autres d éviter la sous-exposition) ; inversement, une grande valeur de f/ (par exemple f/11) correspond une pupille étroite (D petit) laissant entrer peu de lumière, ce qui est utile pour les scènes très lumineuses (ce qui permet entre autres d éviter la sur-exposition). 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. IV. L exposition Les deux paramètres, ouverture et temps de pose, influent simultanément sur la qualité de l image. L énergie E reçue par le capteur est le produit de l éclairement énergétique I par le temps de pose T soit : E = IT T N. O 2 Cette grandeur représente, pour une prise de vue donnée, l énergie lumineuse reçue par le capteur. Il existe donc plusieurs combinaisons temps de pose/ouverture permettant d obtenir une même exposition : ce sont celles qui rendent E constant, c est-à-dire le quotient T N. O 2 constant. Il suffit pour cela d augmenter d un cran l ouverture et de 5

7 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 appareils numériques permettent de choisir quelle priorité le photographe accorde, pour une exposition idéale déterminée par les capteurs et le processeur de l appareil. Soit le photographe accorde la priorité à l ouverture (mode A ou Av pour aperture priority ou aperture value) c est-à-dire qu il choisit l ouverture et l appareil détermine alors le temps de pose T optimal. Soit le photographe donne la priorité au temps de pose (mode Tv pour time value ou S pour shuter priority). Dans ce cas, le photographe choisit le temps de pose et l appareil détermine l ouverture optimale. Dans tous les cas, les choix correspondent tous à une exposition constante. V. La sensibilité du capteur En photographie, l échelle ISO est l échelle de mesure de sensibilité des surfaces photosensibles. Plus le nombre ISO est élevé, plus la sensibilité de la surface est grande, ce qui permet des photographies à très basse luminosité. Les références standards ISO sont : 50 ; 100, 200 ; 400 ; 800 ; 1600 ; Pour un appareil photo numérique, l augmentation de sensibilité se fait par amplification du signal électrique recueilli, ce qui génère du bruit et dégrade l image. 6

8 Document 3 : Quelques prises de vue Série n 1 : dans cette série, ni l éclairage, ni la position de l appareil photo, ni la scène photographiée n ont été modifiés. Série n 2 : les deux photos ci-dessous ont été prises dans des conditions similaires Série n 3 : dans cette série, ni l éclairage, ni la position de l appareil photo, ni la scène photographiée n ont été modifiés. 7

9 Série N 4 : dans la série ci-dessous, ni la scène, ni l éclairage n ont été modifiés. La photo de droite correspond à un agrandissement de celle de gauche. Focale : 58mm Ouverture : f/6,1 Temps de pause : 1/10 s Sensibilité : 200 Focale : 58mm Ouverture : f/6,1 Temps de pause : 1/250 s Sensibilité : 3200 Série n 5 : dans la série de photos ci-dessous, la distance objet - appareil a été maintenue constante. Série n 6 : dans cette série, la distance objet - appareil a été maintenue constante. 8

10 Questions Série de questions n 1 : fonctionnement et caractéristiques de l appareil photo 1. Pourquoi la lentille équivalente à l objectif est-elle toujours convergente? 2. Faire un schéma optique représentant les éléments principaux de l appareil photo 3. On considère un appareil à focale fixe f =50 mm, a. On fait la mise au point sur un objet à l infini. Quelle doit être la distance entre la lentille équivalente et le capteur? b. On fait maintenant la mise au point sur un objet à distance finie. Expliquer grâce à un schéma comment doit varier la distance entre l objectif et le capteur. c. Le déplacement de l objectif par rapport au capteur est de 5 mm au maximum. A quelle distance se trouve l objet le plus proche dont l appareil peut fournir une image nette? Série de questions n 2 : le temps de pose 1. Dans la série de photos n 1, Quel paramètre a été changé? Quel est l effet sur les photographies? 2. Citer un autre effet du temps de pose visible en particulier quand le sujet ou le photographe bouge. 3. Dans la série n 2, les paramètres sont les suivants : focale 200mm et sensibilité 200 iso pour les deux prises de vue. Pour l une, on a un temps de pose de 1/320 s et une ouverture de f/5,6 et pour l autre, un temps de pose de 1/15 s et une ouverture de f/25. Attribuer chaque doublet de valeurs à chaque photo en justifiant. Série de questions n 3 : ouverture et exposition 1. Dans la série de photos n 3, quel paramètre a été changé? Quel est l effet sur les photographies? 2. Dans la série de photos n 2, que peut-on dire de la luminosité des clichés? Interpréter en comparant leur exposition. Série de questions n 4 : ouverture et exposition 1. Dans la série de clichés n 4, déterminer l influence de la sensibilité. 2. Quel est l avantage d une sensibilité élevée? Quel est l inconvénient majeur? 9

11 Série de questions n 6 : focale 1. A partir des clichés de la série n 5, décrire l influence de la focale la scène photographiée? Comment appelle-t-on cet effet dans le langage courant? 2. Expliquer cet effet avec un schéma. 3. Expliquer les valeurs de l ouverture et du temps d exposition choisi par le photographe dans la série n En s appuyant sur l extrait des caractéristiques techniques d un APN donné dans le document 3, déterminer le champ si la mise au point est faite sur l infini pour un objectif standard (f =50 mm), pour un téléobjectif (f =200 mm) et pour un grand angle (f =30mm). Expliquer l influence de la focale sur le champ (faire un schéma). 5. Comment choisir la focale si on souhaite photographier un gratte-ciel? Série de questions n 7 : profondeur de champ 1. En s appuyant sur l extrait des caractéristiques techniques d un APN donné dans le document 3, déterminer l ordre de grandeur de la taille d un pixel du capteur CMOS de l appareil photographique. 2. A partir de la série de photographies n 6, expliquer comment se manifeste la profondeur de champ. 3. Dans cette série, l ouverture et le réglage du temps de pose sont faits automatiquement (mode Av ou A). Quelle est l influence de l ouverture sur la profondeur de champ? Expliquer cela avec un schéma. 4. Expliquer l évolution du temps de pause dans cette série de photographies. 5. A partir de la série n 5, expliquer l influence de la focale sur la profondeur de champ. Expliquer cela avec un schéma. Série de questions n 8 : choix de réglage 1. Un photographe désire réaliser une image d un paysage. Il vise une colline située à d=100 m avec un objectif grand angle de focale 30 mm, ouvert à f/11. Calculer la profondeur de champ correspondante. Qu en conclure? Les paramètres choisis sontils pertinents? 2. Un portraitiste réalise une image d un visage en visant le nez du sujet situé à 3 m. Il utilise un objectif de focale 100 mm ouvert à f/2. Calculer la profondeur de champ. Ce choix de paramètres est-il pertinent? 10