Les objectifs des caméras.

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Les objectifs des caméras



De nos jours, la plupart des caméras et tous les caméscopes sont munis d’un objectif à focale variable communément appelé zoom. Le principal avantage de ce type d’optique est de permettre de changer de focale sans avoir à changer d’objectif. Cependant, dans beaucoup de circonstances les cinéastes préfèrent utiliser des optiques fixes car elles offrent un meilleur piqué. Or, pour le tournage d’une fiction le fait d’avoir à changer d’objectif entre certains plans n’est pas gênant.


Propriétés des objectifs


1° Distance focale


Un objectif est caractérisé par sa distance focale, distance à laquelle se forme l’image d’un point à l’infini, comptée à partir du plan principal image ; ce plan, défini par des considérations d’optique théorique, se place à l’intérieur de l’objectif et se déduit de la constitution de ce dernier.
Les objectifs considérés comme normaux par une vieille règle de pratique photographique doivent présenter une distance focale égale à la diagonale de l’image enregistrée, ce qui conduirait à une focale de 13 mm pour le film 16 mm.
En fait, les objectifs normalement utilisés correspondent à une focale plus longue :
25 mm pour le film 16 mm (28 mm pour le film Super-16).
Les objectifs de focale plus courte sont dits grands angulaires et ceux de focale plus longue sont souvent désignés par le terme de télé-objectifs.


2° Champ utile


Le champ d’un objectif est l’angle qui correspond à l’ouverture des rayons extrêmes admis par le système ; cependant, on doit distinguer diverses interprétations de la notion de champ. Le champ total est déterminé par le diamètre des verres et le tracé géométrique de la propagation des rayons ; mais cette considération est secondaire.
Il importe en effet que les aberrations marginales de l’objectif soient suffisamment corrigées dans toute l’étendue angulaire obtenue et que l’on arrive ainsi à la notion plus utile de champ de netteté .
Cependant, de façon pratique, on considère plus simplement le champ utile qui résulte directement du format d’image et de la focale de l’objectif ; la valeur de ce champ se calcule aisément en fonction de la diagonale de l’image et de la focale de l’objectif.
C’est ainsi qu’un objectif de 15 mm présente un angle de champ de 45° en format Super-16 et se trouve classé comme grand angulaire, alors que le même objectif n’a plus qu’un champ de 25° en Super-8 et devient donc un objectif normal.
Tous ceux qui utilisent les optiques du 16 mm sur leur Beaulieu Super-8, grâce à la monture C, ont pu remarquer cela.


3° Ouverture relative


Les objectifs comportent tous un diaphragme réglant l’éclairement de l’image par modification de l’ouverture relative ; on peut considérer en principe que ce diaphragme se trouve entre deux lentilles convergentes. Les rayons lumineux qui pénétreront jusqu’au film sont ceux qui s’appuieront sur le bord du diaphragme : or ces rayons auront déjà subi une réfraction à travers la lentille antérieure, si bien qu’ils correspondront à des rayons initiaux s’appuyant sur le bord de l’image du diaphragme dans la première lentille : cette image s’appelle la pupille d’entrée de l’objectif et l’on désigne son diamètre par la notation F/n.
Un calcul photométrique montre que l’éclairement de l’image formé par un objectif est inversement proportionnel au carré du coefficient n ; on graduera donc le diaphragme en chiffres croissants selon une progression géométrique de raison :

Racine de 2 = 1,414 … soit :

1,4 - 2 - 2,8 - 4 - 5,6 - 8 - 11 - 16

L’éclairement étant moitié à chaque fois que l’on passe d’une ouverture à celle immédiatement supérieure.





Sur l’objectif qui équipe cette Aaton 35 mm, on peut voir les graduations correspondant aux ouvertures de diaphragme sur la bague située à gauche et les mesures de distance sur la bague de droite. Pour plus de commodité, le gros bouton que l’on voit sous l’objectif commande la bague de mise au point.



Zoom apochromat Kinoptik


4° Netteté et aberrations


Les objectifs des caméras doivent être optiquement conçus de façon à donner de tout point une image aussi ponctuelle que possible : le diamètre du cercle-image devrait en toute rigueur ne pas être supérieur au diamètre du grain d’émulsion.
Or, si les conditions de netteté et de réduction des aberrations sont facilement réalisées pour les rayons centraux, le problème devient beaucoup plus délicat pour les rayons écartés de l’axe tels qu’on les utilise sur les objectifs à grande ouverture.



Les rayons marginaux qui nuisent au piqué de l'image


L’aberration sphérique, défaut de convergence des rayons parallèles à l’axe optique, peut être corrigée par compensation en associant des éléments de signe contraire affectés d’aberrations de sens contraire ; c’est ainsi que des ménisques divergents rentrent dans la composition des objectifs. Toutefois l’étude assigne alors à certaines lentilles des courbures si prononcées qu’on ne pourrait les tailler qu’avec des épaisseurs exagérées ; on est donc amené à choisir des verres très réfringents correspondant à de moindres courbures et corrigeant les aberrations zonales.
Pour corriger les aberrations axiales, on dédouble les éléments en plusieurs éléments séparés à faible courbure équivalent à un élément à forte courbure.
L’aberration chromatique, irisation du contour de l’image d’un point par différence de dispersion aux différentes couleurs, est corrigée par l’association de verres d’indices différents comme le crown et le flint. On obtient alors un doublet achromatique.



Principe du doublet achromatique


5° Profondeur de champ


Étant donné un sujet ponctuel placé à l’infini, l’objectif en donne dans le plan focal une image qui peut être assimilée à un point ; les rayons lumineux formant cette image définissent un cône ayant pour sommet le point et s’appuyant sur le cercle d’ouverture utile de l’objectif. Or l’œil perçoit quand même comme un point le cercle de très petit diamètre qui se forme si l’image ponctuelle réelle est un peu en arrière du plan focal image.
Le diagramme ci-dessous montre la variation des limites antérieures et postérieures de champ net au 1/40 mm aux diverses ouvertures relatives, ainsi que la distance hyperfocale pour un objectif f :2 de 25 mm de foyer.
On appelle hyperfocale la distance la plus courte à laquelle un sujet sera net lorsque la mise au point est réalisée sur l’infini.





On peut remarquer que la profondeur de champ augmente lorsque l’ouverture du diaphragme diminue.








Ces schémas montrent qu’avec une ouverture réduite, le diamètre du cercle de diffusion diminue.
C’est pour cette raison que l’on recommande d’utiliser une plus grande ouverture à ceux qui veulent diminuer la profondeur de champ afin de décoller le sujet du décor qui se trouve derrière. Pour compenser l’excès de luminosité, ils doivent alors faire appel à un filtre gris neutre.

Pour avoir une faible profondeur de champ, il faut donc :
- Une longue focale
- Une grande ouverture de diaphragme



Constitution des objectifs


1° Combinaisons optiques


L’objectif pose simultanément à peu près tous les problèmes du calcul optique ; la nécessité de réduire les aberrations, tout en conciliant les exigences contradictoires d’un champ étendu et d’une grande clarté, ont abouti à des combinaisons optiques plus ou moins complexes.
Les schémas ci-dessous montrent quelques unes de ces combinaisons :







2° La fabrication des objectifs


Les verres servant à la fabrication des objectifs (boro-silicate-crown, crown baryum, flints légers et denses) sont découpés à partir de plaques polies et arrondies sur des platines au grès. Les disques obtenus sont ensuite collés à la paraffine sur des plateaux et les surfaces sont mises en courbe sur des outils en fonte, à l’aide de grès ;
L’ébauchage des surfaces est terminé avec des outils en laiton, à l’aide d’émeri de plus en plus fin. La phase finale consiste à polir les lentilles, dans des bassins, avec du sesquioxyde de fer ou de l’oxalate ferreux calcinés, en suspension dans l’eau.


3° Traitement de surface


La constitution des objectifs modernes à grande ouverture et à nombre de verres élevés aboutit à des pertes de lumière importantes par réflexion sur les faces et interfaces des verres.



Réflexions à l'intérieur des lentilles


On a donc recherché le moyen de supprimer ces phénomènes de réflexion ; or, la théorie démontre qu’il est possible de diminuer l’énergie lumineuse perdue dans les faisceaux réfléchis s’il existe sur les surfaces une couche de passage dont l’indice moyen est intermédiaire entre l’indice du verre et celui du milieu d’incidence (air).
On peut réaliser cette condition par deux moyens différents, soit un dépôt d’une couche mince de fluorure (lithium ou calcium) par évaporation dans le vide, soit attaque superficielle à l’aide d’acides.
Les objectifs ainsi traités se reconnaissent au reflet bleu-violacé ou pourpre résultant de ce que l’épaisseur des dépôts antiréflecteurs est réglée pour la longueur d’onde moyenne du spectre.



4° Montures


Les montures d’objectifs sont constituées par un assemblage vissé d’un grand nombre de pièces métalliques filetées avec précision. Sur les montures de objectifs de cinéma se trouvent des bagues graduées permettant de commander le diaphragme à iris, la mise au point et les mouvements des lentilles internes pour les zooms. La précision des pièces métalliques portant les lentilles est aussi importante que la qualité des lentilles elles-mêmes ; on comprend pourquoi les objectifs sont des pièces qui coûtent très cher, si on désire un minimum de qualité.
La précision doit être encore plus grande pour les objectifs à focale variable (zooms) car un groupe de lentilles doit se déplacer à l’intérieur, sans le moindre jeu. Le schéma ci-dessous montre le principe de ces optiques particulières :





La variation de focale est assurée par la translation du deuxième élément divergent : les trois coupes ci-dessus montrent la position de l’élément pour les focales de 25, 45 et 80 mm. On remarque aussi le mouvement correcteur exécuté par l’élément antérieur.
Certains zooms de grande marque comprennent un nombre beaucoup plus important de lentilles pour corriger toutes les aberrations.




Un zoom monté sur la célèbre Arriflex