Approche documentaire n 1 : autour de l appareil photographique numérique

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1 Approche documentaire n 1 : autour de l appareil photographique numérique But : «En comparant des images produites par un appareil photographique numérique, discuter l influence de la focale, de la durée d exposition et du diaphragme sur la formation de l image.» Travail à rendre sur copie double pour jeudi 3 Octobre 2013, rédigé proprement, avec les calculs et les constructions nécessaires. Travail en binôme autorisé. Veiller à donner des réponses précises et succinctes : pas de roman Les questions sont indiquées en gras, tout au long du document.

2 I) Description rapide : Un objectif photographique comprend : un groupe de lentilles, qui donne d un objet réel une image réelle, inversée, au niveau du capteur; photo 1 un diaphragme, qui règle l ouverture du faisceau lumineux et la quantité de lumière entrant dans l appareil ; photo 2

3 un obturateur situé derrière l objectif, qui permet de choisir la durée d exposition de l image sur le capteur; il règle ainsi la quantité de lumière qui parviendra au capteur. un capteur numérique. Il est «l'équivalent» de la pellicule sur les appareils argentiques. C'est le capteur numérique qui «capte» la lumière lorsque la photo est prise. II) l objectif : Une simple lentille convergente sert d objectif dans les appareils bon marché. Lorsqu elle est diaphragmée, de façon à se trouver dans les conditions de Gauss, elle donne d un objet réel une image relativement nette. Cette image se forme sur le capteur, tout près du plan focal image. La plupart des objectifs sont constitués par des associations de lentilles différentes (cf photo 1), taillées dans des verres spéciaux, aux indices bien déterminés. Cette association permet de corriger les nombreux défauts (aberrations géométriques et chromatiques) que présente toute lentille. Nous assimilerons ce groupe de lentilles à une lentille unique. Une caractéristique importante de l objectif est sa distance focale f. On peut la définir comme la distance en millimètre entre le capteur et le centre optique de l objectif.

4 Focale et champ angulaire Question 1 : Observez la série de photographies suivante : Question 1-1 : L indication en degrés est l angle de champ. Qu observe-t-on pour l angle de champ lorsque la focale augmente? Question 1-2 : Considérons un objet à l infini (!!!!, voir figure ci-contre). La pellicule est donc dans le plan focal image de l objectif. Exprimer l angle de champ α en fonction de f et de la hauteur! du capteur. Commenter l observation de la question 1-1. AN : Calculer α avec! = 16 mm et f = 24 mm. Que pensez-vous de la validité de l approximation de Gauss?

5 III) Le diaphragme : C est un écran métallique percé d un trou. Un dispositif à iris permet de faire varier le diamètre du trou.(cf photo 2) Le rôle essentiel du diaphragme est de contrôler la quantité de lumière qui impressionnera le film. En outre, il limite l inclinaison des rayons lumineux sur l axe optique (conditions de Gauss). On définit le nombre d ouverture N : N = f/d où f est la distance focale de l objectif et D le diamètre de l iris. La grandeur 1/N est appelée ouverture relative. Par exemple f/1.8 (pour f/n) pour un objectif de 85mm de distance focale représente un diamètre D = f/n = 85/1.8 = 47mm. Le nombre N est d autant plus petit que le diaphragme est largement ouvert. Quand N est élevé, l iris est presque fermé. Les diaphragmes sont construits de telle manière que N ne peut varier de façon continue. Les valeurs possibles sont gravées sur le boitier. Diaphragme et exposition L éclairement est proportionnel à la surface du diaphragme de diamètre D. Une ouverture f/1,4 correspond à une grande ouverture, f/16 à une petite ouverture qui laisse entrer peu de lumière. D'un cran de diaphragme au suivant, on divise ou multiplie par deux la quantité de lumière reçue : en passant de f/11 à f/8, on laisse passer deux fois plus de lumière. Question 2 : Expliquer l affirmation verte par le calcul suivant : On note!!! l éclairement pour une ouverture f/11 (N = 11) et!! l éclairement pour une ouverture f/8 (N = 8). Calculer numériquement!! /!!!. (indication : utiliser l affirmation orange). Lorsque l éclairement est important, il faut régler la durée d exposition afin d éviter une photographie surexposée.

6 L'exemple ci-dessous a été réalisé avec l'objectif Sigma 17-50mm f/2.8. C'est un objectif qui permet d'avoir une ouverture maximale de f/2.8 constante. Voici plusieurs photos avec une mise au point sur la tête du cheval jaune, une distance focale fixe de 33 mm, une vitesse d'exposition fixe de 1/500 sec et une sensibilité ISO de 200 en changeant uniquement l'ouverture : Si l éclairement est plus grand (N plus petit), on réduit la durée d exposition. C est le rôle de l obturateur. Très souvent, on choisit une valeur de D et l appareil calcule la vitesse d obturation pour une bonne exposition (voir le lien du paragraphe suivant).

7 Diaphragme et profondeur de champ Ouvrez le lien suivant et lisez ce qui concerne le diaphragme tout en comparant les photographies présentées : numerique/mode- av- mode- a- mode- diaphragme.php Question 3-1 : Comment définiriez-vous la profondeur de champ? Est-elle répartie uniformément de part et d autre de la zone de mise au point? Comparez les différentes photos de la page et conclure sur l utilité d une grande ouverture? Par ailleurs, pour quel type de photographie a-t-on intérêt à avoir une grande profondeur de champ? Question 3-2 : Observez maintenant les photographies suivantes : Les deux photographies de gauche ont été prises avec la même ouverture ; de même celles de droite l ont été avec la même ouverture. Je vous propose (f/16) pour un cas et (f/2.8) pour l autre. Que choisissez-vous pour les photographies de gauche et pourquoi?

8 Question 3-3 : On cherche ici à expliquer comment des points en dehors du plan de mise au point peuvent avoir une image nette. Prenons un cas simplifié où la mise au point est faite à l infini. Alors le capteur se situe dans le plan focal image de la lentille (voir figure cicontre). Pour un point A à distance finie, son image A se situe après le plan du capteur. La taille de la tache sur le capteur est repérée par d. Elle dépend du diamètre D du diaphragme. On pose δ la taille d un pixel. A quelle condition entre d et δ l image de A est-elle nette? On se placera dans la suite dans le cas limite où d = δ. En considérant que le diaphragme est collé à la lentille, établir la relation entre D, δ,!" et!!. En utilisant les relations de Newton et les relations de Descartes, en déduire la relation entre δ, D, f et!". On définit la «distance hyperfocale»! =!" qui repère la position de l objet A le plus proche photographié nettement. La profondeur de champ s étend donc de h à l infini. Ainsi, plus h est petit plus la profondeur de champ est élevée. En déduire h en fonction de f, N et δ. Commenter les observations de la question 3-1 à la lumière du calcul précédent. Remarque : La focale influence elle aussi la profondeur de champ : le calcul précédent montre que h est proportionnelle à f 2 (à N constant). Ainsi l objectif de petite focale (objectif grand angle) a une profondeur de champ plus élevée que le téléobjectif (petite distance focale). C est une propriété utilisée dans les appareils jetables où on n a aucun réglage à effectuer. Question 4 : Rédiger en quelques lignes une conclusion : quelles sont les influences de la focale, du diaphragme et de la durée d exposition?

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