Activité Documentaire

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1 Activité Documentaire Appareil photographique On se propose d interpréter à l aide des lois de l optique géométrique, l influence sur l image de quelques paramètres principaux d un appareil photographique. I. L appareil photographique 1. Description L appareil photographique est un instrument permettant de capturer l image d un sujet. Ce système optique comprend différents éléments tels que des lentilles, des miroirs, des diaphragmes, Les éléments fondamentaux d un appareil photographique sont : une chambre noire : il s agit d un volume clos et étanche à la lumière, dans lequel va se passer l exposition de la surface sensible. une surface sensible : la surface d une pellicule photo (constituée de sels d argent), les capteurs CCD, Cette surface est composée de récepteurs élémentaires (bâtonnets et cônes dans le cas de l œil, pixels dans le cas d un CCD, ) de dimension fixée. l objectif : il s agit de l organe qui reçoit la lumière du sujet et qui forme son image sur la surface sensible. Il existe un très grand nombre d objectifs, et ces derniers sont constitués généralement d un très grand nombre de lentilles. La figure ci-dessous présente un appareil photographique de type reflex. 1- Œilleton 2- Griffe pour le flash et autres accessoires 3- Bague de mise au point manuelle 4- Bague de focale 5- Diaphragme 6- Lentille externe de l objectif 7- Groupe de lentilles pour la focale 8- Groupe de lentilles pour la mise au point 9- Miroir reflex à Obturateur mécanique (ou double rideaux) 11- Capteur numérique 12- Bouton de prise de vue 13- Sélecteur de mode d utilisation 14- Ecran de contrôle 15- Boutons de paramétrage 1 / 12

2 2. Modélisation Pour simplifier, on modélise l objectif de l appareil par une lentille convergente unique de distance focale f!, appelée par la suite focale. La lumière entrant dans l objectif doit traverser le diaphragme, ouverture de diamètre D proche d un cercle, que l on modélisera par la suite par une ouverture circulaire placée juste devant la lentille mince précédente. La lumière arrive ensuite sur le capteur et impressionne ce dernier pendant une durée τ appelée durée d exposition. On se questionne dans un premier temps sur les conditions nécessaires pour obtenir une image correcte : Où doit se former l image du sujet photographié pour obtenir une photographie nette? Que peut-on dire de la quantité de lumière que doit recevoir le capteur? Pour chacune des deux conditions précédentes, donner des paramètres intrinsèques à l appareil susceptibles d intervenir. II. Paramètres qui influencent l image d un sujet 1. Paramètres d influence Nous nous intéresserons par la suite à trois paramètres d influence : la focale f! le diamètre D de l ouverture du diaphragme la durée d exposition τ 2. Influence du diaphragme d ouverture Il est d usage de donner l ouverture par le nombre d ouverture : a. Exposition N = f! D Les photographies 1,2 et 3 présentées en Annexe1 ont été prises avec la même focale f! et le même nombre d ouverture N. Les durées d exposition sont cependant différentes. 2 / 12

3 Que peut-on dire de la qualité de ces photos (on utilisera les termes correctement exposée, surexposée, sous-exposée)? Comment interpréter ce résultat à l aide des paramètres d influence? On pourra illustrer les réponses à l aide de schémas. Comparer l énergie lumineuse reçue par le CCD dans les différents cas. En annexe 2, les photos 4,5 et 6 ont été prises avec la même focale et des nombres d ouvertures respectifs : N = 2 ; 8 ; 22. Les trois photographies sont correctement exposées pour des durées d exposition respectives : τ = s ; 1 30 s ; 1 4 s Rappels de photométrie : La photométrie est l étude énergétique du rayonnement lumineux. Ce domaine fait appel à plusieurs grandeurs mathématiques traduisant un concept physique. Voici quelques unes de ces grandeurs : - flux lumineux φ : l énergie lumineuse émise par une source et transférée vers un récepteur croît proportionnellement au temps. Aussi introduit-on le flux lumineux φ égal à la puissance rayonnée par la source le long des rayons lumineux. Il s exprime en watt (W) - intensité lumineuse T : l intensité d une source lumineuse est le flux lumineux qu elle rayonne par unité d angle solide. Elle s exprime en W. sr!!, ou candela. - exitance M : l exitance d une source est le flux lumineux qu elle émet par unité de surface. Elle s exprime en W. m!! ou lux. - éclairement E : l éclairement d un élément de surface est le flux lumineux qu elle reçoit par unité de surface. Elle s exprime en W. m!! ou lux Interpréter ces observations. En vous aidant des rappels de photométrie précédents, effectuer un raisonnement afin de déterminer une relation entre D et τ pour avoir une bonne exposition. b. Profondeur de champ On appelle profondeur de champ, la zone de l espace dans laquelle doit se trouver le sujet à photographier pour que l on puisse en obtenir une image que l écran (œil ou CCD) acceptera comme nette. Observer la netteté de l arrière plan des photos 4, 5 et Que constate-t-on? Récepteur d onde lumineuse Capteur CCD : Un capteur photographique est un composant photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique en un signal électrique analogique. Le capteur CCD (Charge Coupled Device) est l élément sensible des appareils photographiques numériques. Il fournit pour chaque pixel de l image les valeurs de trois puissances lumineuses pour les trois couleurs rouge, vert et bleu du système RGB. Un capteur de 18 millions de pixels est typiquement un tableau rectangulaire de dimensions 14,9mmx22,3mm. Il est constitué de cellules comportant chacune 4 photorécepteurs (1 pour le rouge, 2 pour le vert et 1 pour le bleu) et dont la taille est de l ordre de quelques micromètres. Son temps de réponse est inférieur à 0,1ms Interpréter à l aide du schéma suivant, les résultats de la question précédente. 3 / 12

4 Déterminer la dimension moyenne d un pixel Le diaphragme étant de forme circulaire, exprimer en fonction de D, B! A! et OB! le diamètre δ de la tache qui correspond à l image de B sur le CCD En notant d! le diamètre d une cellule élémentaire du capteur CCD, quelle doit-être la condition sur δ pour que le sujet B soit net sur la photographie? En réalité, on ne considère pas un seul pixel, mais une zone appelée cercle de confusion. On retiendra que pour un CCD, le diamètre du cercle de confusion est 3 fois celui d un pixel Interpréter la variation de la profondeur de champ pour les photos 4,5 et 6 (Annexe 2) et donner sa variation en fonction du diamètre D du diaphragme d ouverture. 3. Distance focale f! Les photos 7 et 8 (Annexe 3) ont été prises au même endroit en faisant la mise au point sur l infini. Les focales utilisées ne sont pas les mêmes, mais le nombre d ouverture N est lui identique dans les deux cas Observer dans les deux cas le champ angulaire (ou champ de vision) de la photographie. Dans quel cas est-il plus important? Que peut-on dire de la profondeur de champ dans les deux cas? Interpréter les observations précédentes à l aide de schémas et d explications. 4 / 12

5 Annexe 1 Photo 1 f = 50mm ; N = 8 ; τ = 1 30 s 5 / 12

6 Photo 2 f = 50mm ; N = 8 ; τ = 1 2 s 6 / 12

7 Photo 3 f = 50mm ; N = 8 ; τ = s 7 / 12

8 Annexe 2 Photo 4 f = 50mm ; N = 2 ; τ = s 8 / 12

9 Photo 5 f = 50mm ; N = 8 ; τ = 1 30 s 9 / 12

10 Photo 6 f = 50mm ; N = 22 ; τ = 1 4 s 10 / 12

11 Annexe 3 Photo 7 f = 35mm ; N = 8 11 / 12

12 Photo 8 f = 135mm ; N = 8 12 / 12