À propos de focus breathing...

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)

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 comme le taux de variation de l’angle de champ (ou demi angle de champ) lorsque la distance de mise au point varie de l'infini à sa valeur minimale :

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.

Dans la pratique, un focus breathing inférieur à 5% est généralement considéré comme acceptable.

Généralement ignoré des photographes, ce phénomène s’avère gênant pour les cinéastes et vidéastes pratiquant le rack focus*.

* 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.

Les gens d’image connaissant la relation existant entre distance focale et angle de champ attribuent spontanément la cause du 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’étude de cinq zooms ayant des systèmes optiques différents montre que les choses ne sont pas aussi simples…

----o--0--o----

----o--0--o----

1 – 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 (retiré du marché en 2005). C’est un zoom rétrofocus à deux groupes de conception moderne : la vergence du groupe convergent arrière est variable.

Ce convergent arrière 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.

Système optique de l’objectif AF Zoom-Nikkor 35-70 f/2.8s.

Fig. 02-1 : Distance focale nominale = 35 mm.

Fig. 02-2 : 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. 03 : 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 variation 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. 04-1 : Distance focale nominale = 35 mm.

Fig. 04-2 : Distance focale nominale = 70 mm.

Nota :

Les valeurs arrondies figurant sur les illustrations sont tirées de calculs réalisés en pleine précision ; les calculs réalisés avec ces valeurs arrondies peuvent donner des résultats sensiblement différents.

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 du système et du focus breathing pour toutes les positions du groupe frontal permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Nota :

La position du groupe frontal (variateur) détermine la distance focale effective de l’objectif.

Fig. 05 : Objectif AF Zoom-Nikkor 35-70 f/2.8s – Courbes.

Graphe 1 : évolution de la distance focale effective du système optique en fonction de la position du variateur.

La distance focale effective de l’objectif diminue (la courbe se décale vers le bas) lorsque le plan de mise au point se rapproche. L’aire colorée en rouge matérialise toutes les distances focales effectives du système en fonction de la position du variateur et du déplacement additionnel du groupe frontal (mise au point).

Graphe 2 : évolution du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point en fonction de la position du variateur.

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

Graphe 3 : évolution du 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 la distance focale effective.

Graphe 4 : évolution du focus breathing en fonction du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point.

Le focus breathing n’évolue pas proportionnellement au taux de variation de la distance focale.

Remarque :

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

----o--0--o----

2 – 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.

Système optique de du zoom Panavision 45-90 f/2.5.

Fig. 06-1 : Distance focale nominale = 45 mm.

Fig. 06-2 : Distance focale nominale = 90 mm.

Le système optique de cet objectif comprend trois principaux groupes d'éléments : 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. 07 : Zoom Panavision 45-90 f/2.5. Variation de la distance focale.

L’ouverture géométrique est maintenue constante sur toute la plage de variation de la distance focale par variation 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).

Objectif 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. 08-1 : Distance focale nominale = 45 mm.

Fig. 08-2 : Distance focale nominale = 90 mm.

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective du système et du focus breathing pour toutes les positions du variateur permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Fig. 09 : Objectif Panavision 45-90 mm f/2.5 – Courbes.

Graphe 1 : évolution de la distance focale effective du système optique en fonction de la position du variateur.

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

Graphe 2 : évolution du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point en fonction de la position du variateur.

Ce taux de variation est négatif car, lorsque le plan de mise au point se rapproche, la distance focale effective de cet objectif diminue. Plus la distance focale effective 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 : évolution du focus breathing en fonction de la position du variateur.

Quelle que soit la distance focale effective du système, le focus breathing est faible (± 1%).

Graphe 4 : évolution du focus breathing en fonction du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point.

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

Remarque :

Un objectif présentant un taux de variation de sa distance focale effective à la fois sensible et variable peut présenter un focus breathing faible et peu variable.

----o--0--o----

3 – 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 quasi 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 ƒ’ = 51,3 mm à ƒ’ = 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.

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

Fig. 10-1 : Distance focale nominale = 50 mm.

Fig. 10-2 : 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. 11 : 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 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. 12-1 : Distance focale nominale = 50 mm.

Fig. 12-2 : Distance focale nominale = 135 mm.

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective du système et du focus breathing pour toutes les positions du variateur permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Fig. 13 : Zoom-Nikkor 50-135 f/3.5s – Courbes.

Graphe 1 : évolution de la distance focale effective du système optique en fonction de la position du variateur.

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

Graphe 2 : évolution du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point en fonction de la position du variateur.

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

Graphe 3 : évolution du 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 de cet objectif diminue. Le focus breathing augmente (en valeur absolue) sensiblement et régulièrement avec l’accroissement de la distance focale effective.

Graphe 4 : évolution du focus breathing en fonction du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point.

C’est lorsque le déplacement du groupe de mise au point altère le moins la distance focale effective 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 la distance focale effective due au déplacement du groupe de mise au point et le focus breathing.

----o--0--o----

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

À l’image du Panavision 45-90 mm f/2.5 (voir § 2), 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.

Système optique du zoom vidéo Canon 40-120 f/2.8.

Fig. 14-1 : Distance focale nominale = 40 mm.

Fig. 14-2 : 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 principaux, mais cet objectif 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. 15 : 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. 16-1 : Distance focale nominale = 40 mm.

Fig. 16-2 : Distance focale nominale = 120 mm.

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective du système et du focus breathing pour toutes les positions du variateur permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Fig. 17 : Zoom vidéo Canon 40-120 f/2.8 – Courbes.

Graphe 1 : évolution de la distance focale effective du système optique en fonction de la position du variateur.

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

Graphe 2 : évolution du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point en fonction de la position du variateur.

Ce taux de variation est faible (< 3 %). Il est négatif car, lorsque le plan de mise au point se rapproche, la distance focale effective de cet objectif diminue légèrement. Les valeurs de distance focale effective comprises entre ƒ’ = 65 mm et ƒ’ = 80 mm ne sont quasiment pas affectées par le déplacement du groupe de mise au point.

Graphe 3 : évolution du focus breathing en fonction de la position du variateur.

En valeur absolue, le focus breathing augmente régulièrement avec la distance focale effective. Il devient sensible (> 5%) dès que la distance focale effective dépasse ƒ’ = 70 mm.

Graphe 4 : évolution du focus breathing en fonction du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point.

Pour un taux de variation de la distance focale effective donné, cet objectif peut présenter deux valeurs différentes de focus breathing.

Remarque :

Un objectif dont la distance focale effective 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 la distance focale effective due au déplacement du groupe de mise au point et le focus breathing.

----o--0--o----

5 – Zoom à quatre groupes (mise au point par déplacement du compensateur) : Nikon 70-200 mm f/2.8

L’étude suivante n’est pas basée sur le système optique d’un objectif commercialisé précisément sous cette forme. Cependant, le principe de fonctionnement décrit est intéressant car il correspond à celui de l’objectif Nikkor AF-S 70-200mm f/2.8 ED VR II.

L’originalité de ce zoom à ouverture constante ne réside pas dans son variateur de champ 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, au prix d’un double inconvénient : une plus grande complexité mécanique, et un important taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point.

Zoom 70-200mm f/2.8 à mise au point par déplacement du compensateur (étude Nikon). Présentation du système optique.

Fig. 18-1 : Distance focale nominale = 70 mm.

Fig. 18-2 : 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.

À la sortie du variateur de champ, les faisceaux lumineux sont collimatés : l’image créée est rejetée à l’infini. L'objectif primaire (ƒp’ = 122,3 mm) reprend cette image pour créer l’image finale à la surface du capteur. L'objectif primaire travaille toujours à l’infini.

Fig. 19 : Zoom 70-200mm f/2.8 à mise au point par déplacement du compensateur (étude Nikon) – Fonctionnement du variateur de champ.

Les courbes de déplacement du groupe de variation et du groupe de compensation sont typiques d’un variateur de champ afocal. La mise au point est assurée par le déplacement additionnel du compensateur dont la translation vers l'arrière varie selon la position du variateur : de 2,4 mm lorsque le variateur est en position avancée (ƒ’ = 70 mm) à 14,5 mm lorsqu’il est en position reculée (ƒ’ = 196 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 70-200mm f/2.8 à mise au point par déplacement du compensateur (étude Nikon).

Influence de la position du groupe de mise au point sur la distance focale effective et sur l’angle de champ.

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

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

Le calcul du taux de variation de la distance focale effective du système et du focus breathing pour toutes les positions du variateur permet d’établir les courbes de la figure suivante.

Fig. 21 : Zoom 70-200mm f/2.8 à mise au point par déplacement du compensateur (étude Nikon) – Courbes.

Graphe 1 : évolution de la distance focale effective du système optique en fonction de la position du variateur.

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

Graphe 2 : évolution du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point en fonction de la position du variateur.

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

Graphe 3 : évolution du 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 très sensiblement avec la distance focale effective.

Graphe 4 : évolution du focus breathing en fonction du taux de variation de la distance focale effective induite par le déplacement du groupe de mise au point.

Le focus breathing augmente proportionnellement à la valeur absolue du taux de variation de la distance focale effective.

Remarque :

Le focus breathing de ce zoom à mise au point par déplacement du compensateur, et son taux de variation de la distance focale effective évoluent de manière proportionnelle et en opposition : quand la distance focale diminue fortement, alors l’angle de champ augmente fortement, et inversement. Ceci est conforme à la logique. Pour un système optique de ce type, il est donc possible de relier focus breathing et variation de la distance focale.

En guise de 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 du système, mais pas obligatoirement de manière corrélée.

Fig. 22 : Nikkor AF-S 70-200mm f/2.8 ED VR II.

PT, le 2 février 2019.

Pierre Toscani (2008-2018) • Photos, textes et illustrations ne sont pas libres de droits