À propos de focus breathing...

(article mis à jour et augmenté le 10/12/2019)

Fig. 01 : Mise en évidence du phénomène de focus breathing : rack focus depuis l'infini (image floue) jusqu'à 1,4 m (image nette).

(Nikkor AF-S 70-200mm f/2.8 ED VR II)

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1 – Préambule

Le focus breathing (déplacement radial des points images lorsque les points objets correspondants entrent et sortent du plan de mise au point) apparaît lorsque la translation des éléments assurant la mise au point affecte l'angle de champ de l'objectif. On le définit généralement comme le taux de variation de l’angle de champ (ou du demi angle de champ) lorsque la distance de mise au point varie de l'infini à 10 fois la distance focale nominale de l’objectif * :

Focus breathing (%) = 100 (Wmin – W) / W

avec W = demi angle de champ en configuration de mise au point à l’infini

et Wmin = demi angle de champ en configuration de mise au point mini.

* Le focus breathing est donc fortement dépendant de la distance de mise au point minimum choisie. La valeur généralement retenue est égale à environ 10 fois la distance focale nominale de l’objectif. En dessous de cette valeur, le focus breathing devient très important pour la plupart des objectifs. Toute comparaison doit être réalisée à distance de mise au point mini équivalente.

Ce phénomène affecte tous les objectifs, y compris les objectifs à système optique figé (distance focale fixe et mise au point par allongement du tirage optique) dont l’angle de champ diminue naturellement avec la distance de mise au point (voir figure suivante).

Nikkor 135 mm f/2.8s – Mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique sans modification de ce dernier (système figé).

Fig. 02-1 : En configuration de mise au point à l’infini.

Fig. 02-2 : En configuration de mise au point à distance mini (1,3 m).

Pour les cinéastes et vidéastes pratiquant le rack focus*, un focus breathing supérieur à ± 5% est considéré comme est gênant.

* Rack focus : technique consistant à faire varier la position du plan de mise au point pendant la prise de vues afin d'inciter le spectateur à porter son attention sur différents points particuliers de l'image cadrée.

Pour les photographes, un focus breathing négatif (voir figure précédente) passe généralement inaperçu ; en revanche, il peut être mal accepté s’il est positif, c’est à dire lorsque l’angle de champ augmente lorsque le plan de mise au point se rapproche (voir le zoom AFS Nikkor 70-200 mm f/2.8G ED VR II).

Les gens d’image connaissant la relation existant entre distance focale et angle de champ associent souvent le focus breathing à la variation de la distance focale effective de l’objectif induite par le déplacement des éléments assurant la mise au point. L’exemple de la figure précédente (distance focale rigoureusement constante, focus breathing = –17 %) et les exemples suivants (systèmes optiques très divers) montrent que les choses ne sont pas aussi simples…

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2 – Zoom rétrofocus à deux groupes : AF Zoom-Nikkor 35-70 mm f/2.8s

Ce zoom trans-standard à grande ouverture (constante) date de la fin de l’année 1987 et fut retiré du marché en 2005. C’est un zoom rétrofocus à deux groupes de conception moderne (vergence du groupe convergent arrière variable).

Ce convergent arrière (ou variateur) est constitué de trois sous-groupes de vergence respectivement positive, négative et positive. Seuls les sous-groupes convergents se déplacent, dans la même direction et à la même vitesse.

La bague de commande de variation de la distance focale agit par translation (zoom “à pompe”) ; son action sur le déplacement du groupe frontal est directe. Le déplacement des deux sous-groupes arrières mobiles est assuré par l’intermédiaire d’une came. Une bague dédiée permet le réglage de la mise au point par déplacement additionnel du groupe frontal seul. La distance focale effective du système en configuration de mise au point à l’infini varie de ƒ’ = 36,0 mm à ƒ’ = 68,5 mm.

AF Zoom-Nikkor 35-70 f/2.8s – Système optique.

Fig. 03-1 : Distance focale nominale = 35 mm.

Fig. 03-2 : Distance focale nominale = 70 mm.

Conformément au principe de fonctionnement des zooms rétrofocus à deux groupes, la distance focale effective de cet objectif augmente lorsque l’espace entre le groupe divergent frontal (vergence V = –20.0 d) et le groupe convergent arrière diminue (et inversement).

Fig. 04 : Objectif AF Zoom-Nikkor 35-70 f/2.8s. Variation de la distance focale.

L’ouverture géométrique est maintenue constante sur toute la plage de variation de la distance focale par la variation commandée mécaniquement de l’ouverture effective de l’iris.

La mise au point est assurée par le déplacement additionnel de la totalité du groupe frontal dont la translation vers l’avant (4,8 mm) rapproche le plan de mise au point de l'infini à 0,6 m (mise au point mini en mode normal).

Objectif AF Zoom-Nikkor 35-70 f/2.8s – Influence de la position du groupe de mise au point sur la distance focale effective et sur l’angle de champ.

Fig. 05-1 : Distance focale nominale = 35 mm.

Fig. 05-2 : Distance focale nominale = 70 mm.

Nota :

Sur les illustrations, les résultats figurant à droite d’un signe = sont obtenus par calcul en pleine précision ; les calculs réalisés avec les valeurs arrondies figurant à gauche des signes = peuvent donner un résultat légèrement différent.

Le taux de variation de la distance focale effective du système lorsque la distance de mise au point varie de l'infini à sa valeur mini s’exprime de la manière suivante :

Taux de variation de la distance focale effective (%) = 100 (ƒmin’ – ƒ’) / ƒ

avec ƒ’ = distance focale effective en configuration de mise au point à l’infini

et ƒmin’ = distance focale effective en configuration de mise au point mini.

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective ƒeff’ et du focus breathing entre l’infini et 8,6 fois la distance focale nominale maxi, pour toutes les positions du variateur permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Nota :

La position du groupe arrière (ou variateur) détermine la distance focale effective ƒeff' de l’objectif.

Fig. 06 : Objectif AF Zoom-Nikkor 35-70 f/2.8s – Courbes.

Graphe 1 (influence du déplacement des éléments assurant la mise au point sur la distance focale effective ƒeff’).

ƒeff’ diminue lorsque le plan de mise au point se rapproche (la courbe se décale vers le bas). L’aire colorée en rouge matérialise toutes les valeurs de ƒeff’ en fonction de la position du variateur et du déplacement additionnel du groupe frontal (mise au point).

Graphe 2 (taux de variation de ƒeff’ en fonction de la position du variateur).

Le taux de variation de ƒeff’ est négatif car lorsque le plan de mise au point se rapproche ƒeff’ diminue. Plus la distance focale effective ƒeff’ augmente, plus elle est affectée par le déplacement des éléments assurant la mise au point.

Graphe 3 (focus breathing en fonction de la position du variateur).

Le focus breathing est positif car l’angle de champ augmente lorsque le plan de mise au point se rapproche. Il est modéré (≈ +4%) et varie peu avec ƒeff’.

Graphe 4 (focus breathing en fonction du taux de variation de ƒeff’).

Le focus breathing n’évolue pas proportionnellement au taux de variation de ƒeff’.

 

Remarque :

Un objectif présentant un taux de variation de sa distance focale effective ƒeff’ variable et sensible peut présenter un focus breathing modéré et relativement constant.

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3 – Zoom à trois groupes : Panavision 45-90 mm f/2.5

Les zooms destinés à la prise de vues cinéma ou vidéo sont conçus de manière à minimiser le phénomène de focus breathing (entre autres). Le groupe frontal de ces objectifs, très élaboré, comprend souvent trois sous-groupes d'éléments ; la mise au point étant assurée par le déplacement d’un ou deux de ces sous-groupes. L’objectif Panavision 45-90 mm f/2.5 présenté ci-après appartient à cette catégorie d’objectifs. Son cercle image couvre le format Super 35 mm.

Zoom Panavision 45-90 f/2.5 – Système optique.

Fig. 07-1 : Distance focale nominale = 45 mm.

Fig. 07-2 : Distance focale nominale = 90 mm.

Le système optique de cet objectif comprend trois groupes : le premier (convergent) assure la mise au point, les deux suivants (divergent – convergent) assurent la variation de la distance focale selon le principe du zoom rétrofocus à deux groupes.

Fig. 08 : Zoom Panavision 45-90 f/2.5 – Fonctionnement du variateur de champ.

L’ouverture géométrique est maintenue constante sur toute la plage de variation de la distance focale par variation commandée mécaniquement de l’ouverture effective de l’iris.

La mise au point est assurée par le déplacement du sous-groupe intermédiaire (V = –10,4 d) au sein du groupe frontal. Une translation vers l’avant (5,8 mm) rapproche le plan de mise au point de l'infini à 0,9 m (mise au point mini).

Zoom Panavision 45-90 mm f/2.5 – Influence de la position du groupe de mise au point sur la distance focale effective et sur l’angle de champ.

Fig. 09-1 : Distance focale nominale = 45 mm.

Fig. 09-2 : Distance focale nominale = 90 mm.

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective ƒeff’ et du focus breathing entre l’infini et 10 fois la distance focale nominale maxi (0,9 m), pour toutes les positions du variateur (groupe arrière), permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Fig. 10 : Objectif Panavision 45-90 mm f/2.5 – Courbes.

Graphe 1 (influence du déplacement des éléments assurant la mise au point sur la distance focale effective ƒeff’).

La distance focale effective ƒeff’ diminue (la courbe se décale vers le bas) lorsque le plan de mise au point se rapproche.

Graphe 2 (taux de variation de ƒeff’ en fonction de la position du variateur).

Le taux de variation de ƒeff’ est négatif car, lorsque le plan de mise au point se rapproche, ƒeff’ diminue. Plus la distance focale effective ƒeff’ augmente, plus elle est affectée par le déplacement des éléments assurant la mise au point. Bien que ce taux de variation soit globalement plus faible que celui de l’objectif précédent, il n’en demeure pas moins sensible.

Graphe 3 (focus breathing en fonction de la position du variateur).

Le focus breathing est faible (± 1%) pour toutes les valeurs de ƒeff’.

Graphe 4 (focus breathing en fonction du taux de variation de ƒeff’).

Le focus breathing n’évolue pas proportionnellement au taux de variation de ƒeff’. Il s’annule lorsque le taux de variation de ƒeff’ est de –4,2 % environ.

 

Remarque :

Un objectif présentant un taux de variation de la distance focale effective ƒeff’ variable et sensible peut présenter un focus breathing faible et relativement constant.

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4 – Zoom à quatre groupes (variateur de champ divergent) : Zoom-Nikkor 50-135 mm f/3.5s

Ce zoom à quatre groupes et ouverture constante a été commercialisé au cours des années 1982-1984. Son variateur de champ de type divergent rend cet objectif particulièrement intéressant. En effet, bien que très utilisé en cinéma ou en vidéo dans les optiques à grande plage de variation de la distance focale, ce type de variateur de champ est beaucoup moins courant en photographie où les télézooms à ouverture constante sont généralement construits sur la base d’un variateur de champ afocal (ou pseudo afocal).

C'est un zoom mono bague : une seule bague permet de faire varier la distance focale (par translation) et la mise au point (par rotation). Sa distance focale effective varie de ƒeff’ = 51,3 mm à ƒeff’ = 131,5 mm.

Les trois premiers groupes du système optique forment le variateur de champ de type convergent–divergent–divergent (+ – –). Le quatrième groupe (convergent) constitue l'objectif primaire.

Zoom-Nikkor 50-135 f/3.5s – Système optique.

Fig. 11-1 : Distance focale nominale = 50 mm.

Fig. 11-2 : Distance focale nominale = 135 mm.

La position du plan image du variateur de champ (et son foyer principal image Fv’) est rigoureusement constante à 66,1 mm en avant du diaphragme d'ouverture (voir figure ci-dessus). L'objectif primaire effectue la conjugaison entre ce plan image (devenu plan objet) et le plan de l’image finale confondu avec la surface du capteur ; l'objectif primaire travaille à grandissement constant g = –1.32.

Fig. 12 : Zoom-Nikkor 50-135 f/3.5s – Fonctionnement du variateur de champ.

La mise au point est assurée par le déplacement de la totalité du groupe frontal (V = +10,4 d) dont la translation vers l’avant (9 mm) rapproche le plan de mise au point de l'infini à 1,3 m (voir figures suivantes). Cette translation a une influence sensible sur la distance focale effective ƒeff’ du système.

Zoom-Nikkor 50-135 f/3.5s – Influence de la position du groupe de mise au point sur la distance focale effective et sur l’angle de champ.

Fig. 13-1 : Distance focale nominale = 50 mm.

Fig. 13-2 : Distance focale nominale = 135 mm.

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective ƒeff’ et du focus breathing entre l’infini et 10 fois la distance focale nominale maxi, pour toutes les positions du variateur permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Fig. 14 : Zoom-Nikkor 50-135 f/3.5s – Courbes.

Graphe 1 (influence du déplacement des éléments assurant la mise au point sur la distance focale effective ƒeff’).

Contrairement aux exemples précédents, la distance focale effective ƒeff’ de cet objectif augmente lorsque le plan de mise au point se rapproche (la courbe se décale vers le haut).

Graphe 2 (taux de variation de ƒeff’ en fonction de la position du variateur).

Le taux de variation de ƒeff’ est positif car, lorsque le plan de mise au point se rapproche, ƒeff’ augmente. L’influence du déplacement du groupe de mise au point sur ƒeff’, très sensible à courte distance focale, diminue fortement à distance focale élevée.

Graphe 3 (focus breathing en fonction de la position du variateur).

Le focus breathing est négatif car, lorsque le plan de mise au point se rapproche, l’angle de champ diminue. Le focus breathing augmente sensiblement et régulièrement (en valeur absolue) avec ƒeff’. Il est comparable à celui d’un objectif à système optique figé – voir Fig. 02).

Graphe 4 (focus breathing en fonction du taux de variation de ƒeff’).

C’est lorsque le déplacement du groupe de mise au point altère le moins la distance focale effective ƒeff’ qu’il induit le plus fort focus breathing (en valeur absolue).

 

Remarque :

Pour cet objectif, il n’y a pas de relation directe et évidente entre la variation de ƒeff’ due au déplacement du groupe de mise au point et le focus breathing.

À l’image du Panavision 45-90 mm f/2.5 (voir § 3), Ce zoom destiné à la prise de vues cinéma ou vidéo est conçu de manière à minimiser le phénomène de focus breathing (entre autres). Il est doté d’un groupe frontal élaboré comprenant trois sous-groupes d'éléments. La mise au point est assurée par le déplacement du sous-groupe intermédiaire. Le cercle image couvre le format Super 35 mm.

Zoom vidéo Canon 40-120 f/2.8 – Système optique.

Fig. 15-1 : Distance focale nominale = 40 mm.

Fig. 15-2 : Distance focale nominale = 120 mm.

Comme dans l’exemple précédent (Zoom-Nikkor 50-135 mm f/3.5), le système optique de ce zoom à ouverture constante comprend quatre groupes, mais celui-ci est doté d’un variateur de champ afocal de type convergent–divergent–convergent (+ – +). Le quatrième groupe (convergent) constitue l'objectif primaire (ƒp’ = 88,5 mm).

À la sortie du variateur de champ, les faisceaux lumineux sont donc collimatés (grandissement angulaire 0,45 ≤ G ≤ 1,36 environ). L'objectif primaire reprend cette image collimatée pour créer l’image finale à la surface du capteur. L'objectif primaire travaille toujours à l’infini.

Fig. 16 : Zoom vidéo Canon 40-120 f/2.8 – Fonctionnement du variateur de champ afocal.

Le groupe frontal comprend trois sous-groupes (divergent – convergent – convergent). La mise au point est assurée par le déplacement du sous-groupe intermédiaire (V = +5,7 d) dont la translation vers l'arrière (11 mm) rapproche le plan de mise au point de l'infini à 1 m (mise au point mini).

Zoom vidéo Canon 40-120 f/2.8 – Influence de la position du groupe de mise au point sur la distance focale effective et sur l’angle de champ.

Fig. 17-1 : Distance focale nominale = 40 mm.

Fig. 17-2 : Distance focale nominale = 120 mm.

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective ƒeff’ et du focus breathing entre l’infini et 8,3 fois la distance focale nominale maxi, pour toutes les positions du variateur permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Fig. 18 : Zoom vidéo Canon 40-120 f/2.8 – Courbes.

Graphe 1 (influence du déplacement des éléments assurant la mise au point sur la distance focale effective ƒeff’).

Le déplacement du groupe de mise au point a peu d’influence sur la distance focale effective ƒeff’.

Graphe 2 (taux de variation de ƒeff’ en fonction de la position du variateur).

Le taux de variation de ƒeff’ est faible (< 3 %). Il est négatif car, lorsque le plan de mise au point se rapproche, ƒeff’ diminue. Pour 65 mm ≤ ƒeff’ ≤ 80 mm, le déplacement du groupe de mise au point a peu d’influence sur ƒeff’.

Graphe 3 (focus breathing en fonction de la position du variateur).

En valeur absolue, le focus breathing augmente régulièrement avec ƒeff’. Il ne devient sensible (> 5%) que pour ƒeff’ > 70 mm (il reste cependant nettement inférieur à celui d’un objectif à système optique figé en conditions similaires).

Graphe 4 (focus breathing en fonction du taux de variation de ƒeff’).

Pour un taux de variation de ƒeff’ donné, cet objectif peut présenter deux valeurs différentes de focus breathing.

 

Remarque :

Un objectif dont la distance focale effective ƒeff’ est peu altérée par le déplacement des éléments assurant la mise au point peut présenter un focus breathing sensible.

Pour cet objectif, il n’y a pas de relation directe et évidente entre la variation de ƒeff’ due au déplacement du groupe de mise au point et le focus breathing.

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6 – Zoom à quatre groupes (mise au point par déplacement du compensateur) : AFS Nikkor 70-200 mm f/2.8G ED VR II.

Fig. 19 : Zoom AFS Nikkor 70-200mm f/2.8G ED VR II.

Ce zoom à quatre groupes et ouverture constante a été mis sur le marché en juillet 2009. Son originalité ne réside pas dans son variateur de champ (de type afocal classique), mais dans son système de mise au point : cette fonction n’est pas assurée par le déplacement de tout ou partie du groupe frontal, mais par le déplacement du compensateur.

Rarement adopté sur ce type de télézooms, ce système offre le double avantage d’une mise au point rapide et peu consommatrice d’énergie (la masse des éléments à déplacer et l’amplitude de leur déplacement sont faibles), au prix d’un double inconvénient : une plus grande complexité mécanique, et un important taux de variation de la distance focale effective ƒeff’ induite par le déplacement du groupe de mise au point.

Zoom AFS Nikkor 70-200 mm f/2.8G ED VR II – Système optique.

Fig. 20-1 : Distance focale nominale = 70 mm.

Fig. 20-2 : Distance focale nominale = 200 mm.

Le variateur de champ constitué des trois premiers groupes est afocal, de type convergent–divergent–convergent (+ – +). Le quatrième groupe (convergent) constitue l'objectif primaire. Le groupe de compensation est constitué de deux sous-groupes dont l’espacement variable permet un meilleur contrôle des aberrations.

À la sortie du variateur de champ, les faisceaux lumineux sont collimatés : l’image créée par le variateur est rejetée à l’infini. L'objectif primaire (ƒp’ = 110,9 mm) reprend cette image pour créer l’image finale à la surface du capteur. L'objectif primaire travaille toujours à l’infini.

Fig. 21 : Zoom AFS Nikkor 70-200 mm f/2.8G ED VR II. Fonctionnement du variateur de champ.

Les courbes de déplacement des groupes de variation et de compensation sont caractéristiques d’un variateur de champ afocal. La mise au point (voir figure suivante) est assurée par le déplacement additionnel de la première partie du compensateur dont la translation vers l'arrière varie selon la position du variateur : de 2,5 mm lorsque le variateur est en position avancée (ƒnom’ = 70 mm) à 12,8 mm lorsqu’il est en position reculée (ƒnom’ = 200 mm) ; pour une mise au point à 1,4 m. Mécaniquement, ce système est plus complexe qu’une mise au point par le déplacement d’éléments appartenant au groupe frontal dont la translation est indépendante de la distance focale.

Zoom AFS Nikkor 70-200 mm f/2.8G ED VR II – Influence de la position du groupe de mise au point sur la distance focale effective et sur l’angle de champ.

Fig. 22-1 : Distance focale nominale = 70 mm.

Fig. 22-2 : Distance focale nominale = 200 mm.

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective ƒeff’ et du focus breathing entre l’infini et 2 m (10 fois la distance focale nominale maxi), pour toutes les positions du variateur permet d’établir les courbes de la figure suivante (les courbes en pointillé sont obtenues à la distance de mise au point mini : 1,4 m).

Fig. 23 : Zoom AFS Nikkor 70-200 mm f/2.8G ED VR II. Courbes.

Graphe 1 (influence du déplacement des éléments assurant la mise au point sur la distance focale effective ƒeff’).

La distance focale effective ƒeff’ diminue très sensiblement lorsque le plan de mise au point se rapproche (la courbe se décale nettement vers le bas).

Graphe 2 (taux de variation de ƒeff’ en fonction de la position du variateur).

Le taux de variation de ƒeff’ est négatif car, lorsque le plan de mise au point se rapproche, ƒeff’ diminue. Plus la distance focale effective ƒeff’ augmente, plus elle est affectée par le déplacement des éléments assurant la mise au point.

Graphe 3 (focus breathing en fonction de la position du variateur).

Le focus breathing est positif car l’angle de champ augmente lorsque le plan de mise au point se rapproche. Il augmente sensiblement avec ƒeff’.

Graphe 4 (focus breathing en fonction du taux de variation de ƒeff’).

Le focus breathing augmente proportionnellement à la valeur absolue du taux de variation de ƒeff’ qu’elle que soit la distance de mise au point mini prise en compte.

 

Remarque :

Le déplacement du sous-groupe de mise au point altère la distance focale et l’angle de champ de manière proportionnelle. Pour un système optique de ce type, il existe une relation directe entre le focus breathing et la variation de la distance focale effective.

Un autre exemple, traité de manière identique : le Zoom AFS Nikkor 70-200 mm f/4G ED VR.

Conclusion :

Le phénomène de focus breathing découle de nombreux facteurs : le principe de fonctionnement du système optique, la vergence des éléments mobiles assurant la mise au point, l’amplitude de leur déplacement, leur position au sein du système, etc. Ces paramètres altèrent à la fois l’angle de champ et la distance focale effective, mais rarement de manière corrélée.

PT, le 2 février 2019.

Pierre Toscani (2008-2019) • Photos, textes et illustrations ne sont pas libres de droits