Téléobjectifs et mise au point
(de la rampe hélicoïdale à la télémétrie par différence de phase)

 

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Sommaire

1 - Préambule.
2 - La mise au point, pourquoi ?
3 - Comment s’effectue la mise au point ?
4 - La mise au point automatique, comment ça marche ?
5 - Comment fonctionne le “détecteur de mise au point” d’un boîtier reflex à mise au point automatique ?
6 - Pourquoi le système ne fonctionne-t-il plus au-dessus d’une certaine valeur d’ouverture géométrique ?
7 - Les modules de détection de mise au point à lentilles de champ.
8 - Dans nos boîtiers photographiques, où se trouve le module de télémétrie ?

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1 - Préambule.

Le chasseur-photographe est souvent confronté à la difficulté de réaliser une bonne mise au point : le grandissement important des téléobjectifs et la faible profondeur de champ qui en résulte rendent l’opération difficile, en particulier sur les sujets en mouvement. Ainsi, il fallait une bonne dose de chance ou une grande dextérité pour parvenir à réaliser une photo nette d’un oiseau en vol ou d’un chevreuil en pleine course lorsque la mise au point devait être effectuée manuellement ! Et encore de nos jours, malgré l’arsenal technologique embarqué sur nos boîtiers modernes, il arrive que la netteté de nos images laisse à désirer, même sur des sujets statiques !

Pourtant, que de chemin parcouru depuis les premières longues focales Leica et Novoflex à mise au point par glissières ! Bien que longs et peu lumineux, ces objectifs ont pourtant fait concurrence aux vrais téléobjectifs à mise au point par rampe hélicoïdale (plus compacts mais plus lents à manœuvrer) jusqu’à la fin des années 1970 lorsque apparut la “mise au point interne”. Les téléobjectifs bénéficiant de cette technologie affichaient souvent des valeurs d’ouverture jamais atteintes jusque là, une relative compacité et une mise au point plus fluide et plus rapide. C’est finalement ce concept de mise au point par le déplacement d’un nombre restreint de lentilles, ainsi que les formidables progrès de l’électronique et de la micro informatique, qui permirent d’automatiser l'opération sur les téléobjectifs puissants.

Avec leur système de stabilisation quasiment magique, leur luminosité, leur mise au point instantanée et silencieuse, les téléobjectifs actuels n’ont plus grand chose de commun avec leurs valeureux ancêtres. Aujourd’hui, “faire le point” est devenu une opération extraordinairement simple : on vise le sujet, on effleure un bouton, et l’image apparaît nette dans le viseur et sur le capteur ! Néanmoins, pour les chasseurs-photographes, la mise au point reste toujours une opération un peu délicate…

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2 - La mise au point, pourquoi ?

Fig. 1 : L’objet et son image.

Lorsqu’on photographie un sujet très éloigné (à plus de 200 fois la distance focale de l’objectif), son image se forme derrière l’objectif en un endroit particulier appelé plan focal image. S’il en était ainsi quelle que soit la distance du sujet, il suffirait de positionner définitivement le capteur de l’appareil photographique à cet endroit précis pour que nos photos soient toujours parfaitement nettes. Malheureusement, la plupart des sujets que nous photographions sont situés à des distances bien moindres, or lorsque le sujet se rapproche de l’objectif, son image s’en éloigne de l’autre côté ! Quel que soit le type d’objectif, qu’il soit constitué d’une vingtaine de lentilles ou bien qu’il n’en comporte qu’une seule, la distance objectif-image varie constamment avec la distance objet-objectif. Objet et image, de part et d’autre de l’objectif, se déplacent toujours dans le même sens, et de manière non proportionnelle.

Fig. 2 : Évolution de l’image d’un objet lorsque celui-ci se déplace.

La figure 2 illustre l’évolution de l’image, en position et en taille, quand l’objet se déplace le long de l’axe optique. Lorsque la bougie, à gauche, est approchée de l’objectif, son image, à droite, s’en éloigne en grandissant. En macro-photographie, lorsque le sujet se trouve très près de l’objectif, son image s’en écarte tellement que l’usage de bagues allonges, ou même d’un soufflet, peut s’avérer indispensable pour éloigner suffisamment le capteur afin d’obtenir une image nette.

En résumé, effectuer la mise au point revient donc à faire coïncider le plan du capteur avec l’image du sujet afin que celle-ci soit nette. Cette opération peut être réalisée de manière simplement mécanique ou bien par des procédés optiques.

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3 - Comment s’effectue la mise au point ?

Fig. 3 : Pour atteindre sa distance de mise au point minimum de 11 m, le Nikkor-ED 600 mm f/5.6 s’allongeait de 36,7 mm.
Commercialisé en 1975, cet imposant téléobjectif pesait 4,7 kg.
Le bloc optique, dissociable du dispositif de mise au point, pouvait être remplacé
par un 400 mm f/4.5, un 800 mm f/8, ou un 1200 mm f/11.

Sur tous les téléobjectifs, et jusqu’à la fin des années 1970, la mise au point s’effectuait par translation du barillet soutenant la totalité des lentilles. Sur les objectifs lourds (figure 3) c’est plutôt le boîtier qui se déplaçait par rapport à l’objectif. Une gorge de forme elliptique sur la face interne de la bague de mise au point permettait de transformer le mouvement de rotation de celle-ci en déplacement longitudinal du barillet : c’est ce que l’on appelait la “mise au point par rampe hélicoïdale”. Les pièces mécaniques mises en jeu pour assurer un guidage précis du mouvement des lentilles sur des longueurs pouvant être relativement importantes, contribuaient à alourdir ce type d’objectif dont la distance minimum de mise au point était généralement assez lointaine. Ainsi, pour “faire le point” sur une mésange située à 6 m de distance, un photographe équipé d’un 600 mm devait faire usage d’une bague allonge d’au moins 40 mm car l’allongement nécessaire dans ces conditions (76 mm) ne pouvait être obtenu sans cet accessoire…

Actuellement, seuls quelques téléobjectifs de focale relativement courte (de 85 à 135 mm) utilisent encore ce principe (leurs jours sont d’ailleurs probablement comptés). Au-delà de 135 mm, la masse des lentilles à déplacer étant incompatible avec une mise au point motorisée rapide, les opticiens ont inventé des systèmes n’impliquant pas le déplacement de la totalité des lentilles. Ces objectifs sont dits “à mise au point interne”.

Le Nikon 300 mm f/2.8 VR constitue un bon exemple de téléobjectif à mise au point interne (figure 4). Actuellement, de nombreux téléobjectifs fonctionnent selon le même principe, ou une des nombreuses variantes développées par les grands fabricants d’objectifs.

Contrairement aux téléobjectifs classiques qui ne comportent que deux groupes de lentilles, l’un convergent, l’autre divergent (figure 3, ci-dessus), la plupart des téléobjectifs actuels en comportent trois. La figure 4 (ci-dessous) illustre l’agencement des trois groupes de lentilles du Nikon 300 mm f/2.8 VR lorsque celui-ci est réglé sur l’infini.
On y trouve :
- le groupe 1, à l’avant, convergent et fixe par rapport au capteur de l’appareil photographique ; l'image d’un objet situé à l’infini (sur l'axe optique) est créée par ce groupe convergent seul, en son foyer principal F'1 ;
- le groupe 2, au centre, divergent ; par son déplacement le long de l’axe optique, il assure la mise au point ;
- le groupe 3 (ou objectif primaire), à l’arrière, convergent et fixe par rapport au capteur de l’appareil photographique ; il forme l’image sur le capteur (c’est lui le véritable objectif).

Fig. 4 : Nikkor 300 mm f/2.8 VR en configuration de mise au point sur l’infini.
Mouse out : objet à l'infini (image se forme sur le capteur).
Mouse over : objet à 2,2 m (l'image se forme derrière le capteur).

Les groupes 1 et 2 constituent un système afocal (voir Distance focale et grandissement). Tout faisceau lumineux incident constitué de rayons parallèles émerge de ce système en un faisceau de rayons également parallèles. L'objectif primaire est conçu et positionné pour faire converger ces faisceaux précisément sur le capteur.

Lorsque l'objet se rapproche (figure 4, Mouse over), l’image formée par le groupe 1 se déplace vers l’arrière (comme nous l'avons vu figure 2). Ainsi, à la distance de mise au point mini (2,2 m) elle se forme au point A' situé à une distance D du foyer F'1. Dans ces conditions, à la sortie du groupe 2, le faisceau n'est plus constitué de rayons parallèles, mais divergents. Le système formé par les groupes 1 et 2 n’est donc plus afocal, et l'objectif primaire ne peut plus focaliser la lumière sur le capteur : l’image finale se forme derrière lui.

En déplaçant le groupe 2 vers l’arrière d'une distance strictement égale à D, le caractère afocal du système formé par les groupes 1 et 2 est rétabli, et l'objectif primaire peut à nouveau former l’image sur le capteur (figure 5, Mouse over).

Fig. 5 : Nikkor 300 mm f/2.8 VR et objet à 2,2 m.
Mouse out : groupe 2 en position avancée (l'image se forme derrière le capteur).
Mouse over : groupe 2 en position reculée (l'image se forme sur le capteur).

Ce système permet donc de ramener le plan mise au point depuis l’infini jusqu'à 2,20 m, en ne déplaçant qu'un groupe de trois petites lentilles sur une distance (D) de 12,6 mm seulement, sans aucune modification des dimensions extérieures de l’objectif. Il est donc parfaitement adapté à une motorisation très rapide.

Les nombreux progrès réalisés dans les domaines de l’optique aboutissent aujourd’hui à la conception de systèmes de mise au point interne très performants. Ainsi, dans certains téléobjectifs, la mise au point est assurée par les mouvements synchronisés de sens opposés, de deux groupes distincts de lentilles. Parmi les objectifs pourvus d'un tel système, le Nikkor AF-S VR 85mm f/3.5G permet de photographier depuis l’infini jusqu’à 0,3 m sans aucune modification des dimensions extérieures de l’objectif (figure 7). Voir aussi l'animation présentant le système de mise au point du Micro-Nikkor AF-S VR 105 mm f/2.8G à la page Ouvertures et pupilles.

Fig. 7 : Téléobjectif Nikkor AF-S VR 85 mm f/3.5G à mise au point interne.

Il existe de nombreuses méthodes permettant de faire varier la position du plan de mise au point d’un téléobjectif sans déplacer la totalité de son système optique. Dans le cas du Nikkor AF 85 mm f/1.4 IF, c’est un groupe de cinq lentilles (plus le diaphragme) qui, contrairement à ce qui se passe dans le 300 mm VR, s’éloigne du capteur lorsque le sujet se rapproche (figure 8).

Fig. 8 : Téléobjectif court Nikkor AF 85 mm f/1.4 IF, à mise au point interne.

Le fait de faire glisser quelques lentilles à l’intérieur d’un téléobjectif pour déplacer son plan de mise au point de l’infini à la distance minimale, n’est pas toujours sans conséquence. Pendant l’opération, la plupart des aberrations voient leurs effets se modifier, souvent dans le sens d’une amplification. C’est pourquoi, à la mise au point minimale, les performances optiques des téléobjectifs sont généralement moindres qu’à l’infini.

On observe également une baisse, parfois sensible, de la luminosité des téléobjectifs lorsqu’ils sont réglés sur les plus courtes distances car les rayons incidents marginaux issus des sujets proches ne sont généralement pas assez réfractés par les premières lentilles et sont arrêtés par des éléments de structure interne à l’objectif. Ainsi, par exemple, le diamètre d’ouverture du Nikkor AF 85 mm f/1.4 IF passe de 60 mm environ, lorsqu’il est réglé sur l’infini, à un peu plus de 48 mm, lorsque son plan de mise au point est à 0,95 m. À sa distance minimale de mise au point, l’ouverture de ce petit téléobjectif est donc plus proche de f/1.7 que de f/1.4 (figure 9).

Fig. 9 : Le Nikkor AF 85 mm f/1.4 IF, réglé sur 0,95 m. Dans ces conditions, la structure interne de l’objectif
ne permet pas le passage d’un faisceau de diamètre supérieur à 48,5 mm environ.

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4 - La mise au point automatique, comment ça marche ?

Un appareil photographique à mise au point automatique doit être capable, d’une part, de déterminer si la netteté de l’image créée par l’objectif est optimale et, d’autre part, de commander et contrôler le déplacement des éléments agissant sur la mise au point. Si le déplacement contrôlé des lentilles permettant le réglage de la mise au point se résume à un problème de motorisation et de régulation, le fonctionnement du dispositif capable d’apprécier la netteté de l’image est beaucoup moins intuitif. Avant d’analyser son principe de fonctionnement, voyons comment le photographe contrôlait la mise au point lorsqu’il ne pouvait compter que sur son œil…

Avant l’apparition des boîtiers reflex, les photographes qui ne pouvaient s’offrir un appareil à télémètre devaient estimer la distance du sujet et reporter le résultat de cette estimation visuelle sur l’échelle de la bague de mise au point de l’objectif. Il n’était pas possible d’utiliser un téléobjectif dans de telles conditions… Les appareils plus chers disposaient d’un télémètre optique. Ce dispositif permettait de “mesurer” assez précisément la distance à laquelle se trouvait le sujet. Ces télémètres étaient soi couplés à l’objectif, soi indépendants. Dans ce dernier cas, la valeur de la distance mesurée devait être reportée sur la bague de mise au point de l’objectif. Sur les appareils haut de gamme, encore utilisés actuellement (Leica M), le télémètre étant couplé à l’objectif, mesure et réglage de mise au point s’effectuent simultanément. L’opération est assez rapide et très précise lorsque le sujet n’est pas trop éloigné. D’ailleurs, pendant longtemps, de nombreux photo-reporters ont préféré utiliser ce type d’appareil plutôt qu’un reflex car il permettait d’effectuer la mise au point même lorsque les conditions d’éclairage étaient très défavorables (la piètre qualité de l’écran dépoli des reflex a longtemps été un de leurs principaux points faibles).

La figure 10 présente l’agencement d’un télémètre optique d’appareil photographique. Ce dispositif est composé de deux systèmes optiques différents créant chacun une image distincte de la scène visée. Deux fenêtres, de part et d’autre de l’appareil photographique, permettent à la lumière de pénétrer respectivement dans chaque système optique. La fenêtre principale, à gauche, permet la visée directe de la totalité du champ embrassé par l’objectif ; à droite, la fenêtre secondaire, de champ plus réduit, permet de déterminer la distance du sujet. Par un jeu de miroirs et de prismes, les deux images virtuelles redressées sont superposées puis renvoyées à travers l’oculaire. Lorsque le dispositif est réglé sur l’infini, les deux images d’un sujet proche apparaissent décalées car la visée secondaire n’est pas précisément orientée vers le sujet. En ajustant la position angulaire du premier miroir, on fait converger l’axe de visée secondaire vers le sujet. Ce faisant, les deux images se rapprochent dans le viseur jusqu’à se confondre parfaitement lorsque le premier miroir est correctement orienté. C’est donc la position angulaire du premier miroir qui permet de déterminer la distance du sujet.

Fig. 10 : Appareil photographique à visée télémétrique.

Avec ce type de télémètre, la précision de la mesure de distance est proportionnelle à l’écartement des deux fenêtres de visée (malheureusement cet écartement est limité par les dimensions de l’appareil photographique) et inversement proportionnelle à l’éloignement du sujet. Ceci est dû au principe même du dispositif, car l’angle de rotation du miroir devient de plus en plus faible au fur et à mesure que le sujet s’éloigne. Cette technique n’est donc pas adaptée à l’usage des téléobjectifs qui exigent une mise au point très précise sur des sujets lointains. C’est la raison pour laquelle le viseur reflex (qui permet également un cadrage plus rigoureux) s’impose avec les objectifs de longueur focale supérieure à 135 mm.

Le photographe équipé d’un boîtier reflex “fait la netteté” sur le verre dépoli du viseur en observant précisément le sujet à travers l’objectif de prise de vue. La face inférieure du dépoli et la surface sensible du capteur étant tous deux à la même distance de l’objectif, lorsque l’image apparaît nette dans le viseur, elle l’est également sur le capteur. Ainsi, la précision du dispositif n’est plus liée à la distance du sujet.

Fig. 11 : Le viseur reflex permet la mise au point à travers l’objectif. La distance entre le plan d’appui de la monture à baïonnette et le capteur est rigoureusement identique à la distance séparant la monture du verre dépoli.

Parce que la qualité du verre dépoli des premiers boîtiers reflex ne permettait pas toujours d’apprécier correctement la netteté de l’image, de nombreux moyens ont été inventés afin d’aider le photographe à effectuer rapidement une mise au point précise : microprismes, télémètre de Dodin (stigmomètre), champ clair réticulé… Avant la généralisation de la mise au point automatique, la grande majorité des boîtiers en étaient pourvus, mais depuis, l’électronique et l’informatique ont remplacé tous ces astucieux dispositifs…

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5 - Comment fonctionne le “détecteur de mise au point” d’un boîtier reflex à mise au point automatique ?

Nous avons vu que, dans le viseur d’un appareil à télémètre, deux images issues de deux fenêtres de visée différentes apparaissent et se superposent exactement lorsque la mise au point est parfaitement réglée. Avec un appareil reflex, la distance de mise au point ne peut être déterminée que grâce à la lumière traversant l’unique objectif de prise de vue. Pour ce faire, on considère que ce dernier n’est pas traversé par un faisceau unique, mais par deux demi faisceaux de lumière.

Une petite expérience de “séparation” des demi faisceaux peut être facilement réalisée en visant une source lumineuse ponctuelle (par exemple la LED témoin de mise sous tension d’un appareil électronique) avec un boîtier reflex muni d’un objectif devant lequel on a placé un filtre bicolore (figure 12). Lorsque la mise au point est parfaite, la LED apparaît nette. Dans le cas contraire, l’image de la LED se change en une tache lumineuse bicolore aux couleurs du filtre. Si le plan de mise au point est décalé vers l’arrière (objectif trop proche de la LED), les couleurs de la tache sont disposées dans le même sens que celles du filtre. Si le plan de mise au point est décalé vers l’avant (objectif trop éloigné de la LED), les couleurs de la tache sont inversées par rapport à celles du filtre.

Fig. 12 : Évolution de la tâche lumineuse apparaissant dans le viseur lorsque la distance entre
une source lumineuse ponctuelle et l’objectif varie, sans correction de la mise au point.

Bien souvent, le principe de fonctionnement des appareils les plus sophistiqués fait appel à des notions assez simples. Les systèmes de détection de mise au point utilisés dans les boîtiers photographiques ne font pas exception à cette règle. La figure 13 illustre la seule notion nécessaire à la compréhension de ces systèmes.

Fig. 13 : Comportement des rayons émergents selon la position de la source lumineuse
par rapport au foyer principal objet de la lentille.

Lorsqu’une source lumineuse ponctuelle est placée au foyer principal objet d’une lentille convergente, les rayons lumineux émergents sont parallèles à l’axe optique. Utilisée de cette manière, la lentille porte le nom de condenseur optique. Si la source lumineuse s’éloigne, les rayons émergents convergent derrière la lentille. Plus on éloigne la source lumineuse, plus le point de convergence des rayons émergents se rapproche de la lentille. À la limite, lorsque la source est à l’infini, les rayons lumineux émergents convergent en un point appelé foyer principal image (figure 2). À l’inverse, si la source lumineuse se rapproche, les rayons lumineux divergent derrière la lentille.

Si la source lumineuse est remplacée par le faisceau convergent issu d’un objectif photographique, le comportement des rayons lumineux derrière le condenseur reste inchangé (figure 14).

Fig. 14 : Comportement des rayons émergents selon la position du point de convergence par rapport au foyer du condenseur.

Lorsque le point de convergence du faisceau lumineux ayant traversé l’objectif coïncide avec le foyer principal objet du condenseur, les rayons lumineux émergents sont parallèles à l’axe optique. Le moindre décalage du point de convergence par rapport au foyer principal objet du condenseur fait converger ou diverger les rayons lumineux à la sortie du condenseur. C’est cette propriété qui est mise à profit dans les télémètres des boîtiers à mise au point automatique : un faisceau convergent indique un réglage de mise au point trop éloigné, alors qu’un faisceau divergent signifie que le réglage de la mise au point est trop proche. Lorsque le faisceau n’est ni convergent ni divergent, le plan de mise au point coïncide avec la position du sujet. En fait, nous allons voir que le dispositif adopté permet bien mieux que la simple détection du sens de l’erreur…

Le schéma de la figure 15 illustre l’agencement des différents éléments d’un détecteur de mise au point.

Fig. 15 : Montage des éléments d’un détecteur de mise au point.

On y retrouve, à gauche, l’objectif de prise de vue formant l’image sur le plan du capteur (pour simplifier le schéma, le capteur n’est pas représenté). Derrière celui-ci, un condenseur est positionné de manière à ce que son foyer principal objet coïncide avec le plan du capteur. De cette manière, comme nous l’avons vu précédemment, si la mise au point est correctement réglée, les rayons lumineux émergents sont rejetés à l’infini parallèlement à l’axe optique. Derrière le condenseur, de part et d’autre de l’axe optique, deux petites lentilles convergentes reforment l’image crée par l’objectif en focalisant une partie du faisceau lumineux sur deux barrettes de CCD situées à l’extrémité du dispositif. Ces CCD sont positionnés de manière à ce que les images d’une source lumineuse ponctuelle située à l’infini sur l’axe optique se forment en leur centre lorsque la mise au point est correctement réglée. Les diagrammes, à gauche, représentent la distribution de la lumière à la surface de chaque CCD dans de telles circonstances : les deux courbes sont parfaitement superposables. Des masques opaques percés d’ouvertures de formes adaptées sont placés devant le condenseur et les petites lentilles de focalisation pour que seule la lumière utile puisse pénétrer à l’intérieur du dispositif (figure 16).

Fig. 16 : Masques utilisés avec 2 barrettes de CCD (capteur linéaire).

Que se passe-t-il lorsque la mise au point n’est pas correctement réglée ?

Lorsque le plan de mise au point est plus éloigné que le sujet (figure 17, en haut), l’image se forme à l’avant du capteur et apparaît donc floue sur celui-ci. De ce fait, à la sortie du condenseur, les deux petites lentilles focalisent aussi la lumière en avant des CCD, formant sur ceux-ci des images également floues. Mais surtout, le faisceau étant convergent, ces images apparaissent décalées par rapport aux centres des CCD (plus proches de l’axe optique).

Fig. 17 : Réponse des barrettes de CCD en cas de défaut de mise au point sur une source lumineuse ponctuelle.

À l’inverse, lorsque le plan de mise au point est plus proche que le sujet (figure 17, en bas), l’image se forme à l’arrière du capteur et les deux petites lentilles focalisent la lumière légèrement derrière les CCD : les images ainsi formées sur les CCD sont donc à nouveau floues et décalées par rapport aux centres des CCD. Mais le faisceau étant divergent, le décalage est inversé par rapport au cas précédent (images plus éloignées de l’axe optique).

En superposant les courbes de distribution de la lumière obtenues sur chacune des deux barrettes de CCD, on constate :
- qu’elles ont la même forme (car elles sont obtenues d’après deux images d’un même sujet),
- qu’elles sont déphasées dans un sens ou dans l’autre selon le sens de l’erreur de mise au point,
- que le déphasage entre les deux courbes est proportionnel à l’importance de l’erreur de mise au point.

Ce dispositif est particulièrement intéressant car il permet de déterminer simultanément le sens et l’amplitude de la correction à apporter pour que la mise au point soit correcte, sans tâtonnement. C’est ce que l’on appelle un télémètre par différence de phase.

Fig. 18 : Exemples de courbes de distribution de la lumière selon le sujet, l’écart de mise au point et l’éclairement.

Lorsque l’amplitude des signaux issus des CCD est suffisamment importante, l’analyse est facilitée et les calculs de déphasage sont plus précis (figure 18). Pour cela, il est nécessaire qu’un minimum de lumière atteigne les CCD. C’est la raison pour laquelle, la télémétrie par différence de phase devient imprécise lorsque les conditions d’éclairage sont défavorables, et inopérante en dessous d’un certain seuil d’éclairement. De la même manière, le sujet visé doit présenter un minimum de contraste.

Il est possible de rendre le dispositif plus sensible et plus discriminant en y ajoutant une deuxième paire de lentilles de focalisation et de CCD. Les lentilles et CCD supplémentaires sont alors disposés selon un plan orienté à 90° par rapport aux autres, formant ainsi un “capteur en croix” (figure 19).

Fig. 19 : Les modules à 4 barrettes de CCD (capteur en croix) sont plus sensibles que les modules à 2 barrettes.

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6 - Pourquoi le système ne fonctionne-t-il plus au-dessus d’une certaine valeur d’ouverture géométrique ? 

L’écartement des lentilles du module de télémétrie détermine la valeur minimale de l’angle au sommet du cône d’ouverture de l’objectif compatible avec le bon fonctionnement du système.

Sur la figure 20 (ci-dessous) apparaît le cône d’ouverture d’un objectif d’ouverture géométrique minimale N = 1.4 ; son demi angle au sommet est repéré u’. Cet angle u’ varie avec l’ouverture de l’objectif : il est d’autant plus faible que l’ouverture géométrique de l’objectif est plus élevée (par exemple, u' vaut 19,7° pour N = 1.4 ; 10,2° pour N = 2.8 ; 5,1° pour N = 5.6).

Les faisceaux lumineux pénétrant à l’intérieur du module de télémétrie sont inclus dans un cône d’ouverture bien plus faible, de demi angle au sommet v’. Cet angle v’ est fixe par construction : il est déterminé par l’écartement des lentilles de focalisation du module.

Fig. 20 : Cônes d’ouverture du Nikkor AF 85 mm f/1.4 et d’un module de télémétrie.

Tant que l’angle u’ est supérieur à l’angle v’ le module de télémétrie fonctionne normalement. Lorsque l’angle u’ est inférieur à l’angle v’, le module ne recevant pas assez de lumière (voire plus du tout), il cesse de fonctionner. Les modules installés dans les boîtiers photographiques fonctionnent normalement avec un faisceau de demi angle au sommet égal à 5° environ (N = 5.6).

Conclusion :

La figure 21 et l’animation associée illustrent ce qui précède. Dans cet exemple, on constate que la quantité de lumière reçue par le module est rigoureusement constante pour toute valeur d’ouverture de l’objectif égale ou inférieure à N = 5.6. Aux valeurs supérieures, le flux lumineux parvenant aux barrettes de CCD diminue (jusqu’à N = 8). Au-delà de N = 9, plus aucune lumière ne parvient jusqu’à elles, et le module ne fonctionne plus.


Fig. 21 : Effet de l'ouverture de l'objectif sur le fonctionnement d'un module de détection de mise au point.

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7 - Les modules de télémétrie à lentilles de champ.

Les modules de télémétrie linéaires ou “en croix” dont le principe vient d’être décrit utilisent un condenseur et des CCD monodimensionnels (barrettes). Il existe des modules dans lesquelles le condenseur est remplacé par une lentille de champ placée virtuellement sur le plan du capteur ou légèrement en arrière. Après avoir traversé la lentille de champ, les faisceaux lumineux sont donc divergents. Ceci ne change pas fondamentalement les choses quant au principe de fonctionnement de l'ensemble.

La figure 22 et l'animation associée (ci-dessous) présentent un module à lentille de champ placé à l'arrière d'un objectif de 50 mm. Lorsque l’objectif est en configuration de mise au point à l’infini, le plan de symétrie de la lentille de champ est confondu avec le plan du capteur. Dans cet exemple, le point objet est fixe, situé à 0,79 m du capteur. L’animation permet de visualiser la réponse des CCD lorsque la distance de réglage de l'objectif varie entre 0,45 m et l'infini. On constate que les courbes de réponse des CCD se superposent parfaitement lorsque l'objectif est réglé sur 0,79 m.

Fig. 22 : Module de détection de mise au point à lentille de champ avec objet ponctuel.

L’entraxe du couple de lentilles de focalisation détermine l’angle d’ouverture minimum du cône utile émergent permettant de les éclairer, et par conséquent le Nombre d’ouverture maximum de l’objectif compatible avec le fonctionnement du module de télémétrie. Afin de rendre l'animation plus lisible (figure 24), j'ai volontairement choisi un couple de lentilles de focalisation très écartées. En contrepartie, un tel module ne peut fonctionner qu’avec des objectifs ayant un Nombre d’ouverture inférieur ou égal à N = 2. Dans la réalité, l’entraxe du couple de lentilles de focalisation est toujours moindre. Les entraxes les plus importants sont adaptés aux objectifs dont le Nombre d’ouverture est inférieur ou égal à N = 2.8 ; les entraxes les plus courants autorisent l’emploi d’objectifs dont le Nombre d’ouverture est inférieur ou égal à N = 5.6.

L'animation précédente illustre le fonctionnement d'un module en présence d'un objet ponctuel positionné sur l'axe optique. C'est un cas de figure simple, et donc idéal. Cependant, c'est généralement sur des objets étendus que le photographe réalise la mise au point. Dans ces conditions, la réponse des barrettes de CCD ne présente pas un pic d'intensité isolé mais prend plutôt une forme quelconque représentative de la luminance non uniforme de la surface de l'objet. Si le système optique de l'ensemble objectif + capteur est bien corrigé, les courbes de réponse des CCD sont néanmoins de forme identique, et l'électronique peut déterminer un éventuel déphasage entre les deux, comme dans le cas d'un objet ponctuel (voir figure 18, plus haut).

Un objet étendu peut être considéré comme un ensemble d'objets ponctuels élémentaires. En considérant, par exemple, trois points appartenant au plan objet, on peut donc simuler le fonctionnement d'un module face à un objet étendu. Malheureusement, la grande ouverture d’un système permettant une bonne lisibilité sur un schéma, et le fait d'utiliser des lentilles sphériques (pour la simplicité des calculs) induisent une aberration de sphéricité telle que les courbes de réponse des CCD ne sont jamais parfaitement superposables. La figure 23 et l'animation associée (ci-dessous) peuvent donc être considérées comme la mise en évidence qu'un ensemble objectif + module de télémétrie doit être bien corrigé des aberrations pour pouvoir fonctionner correctement. Les modules de télémétrie des boîtiers actuels sont vraisemblablement équipés de lentilles asphériques.

Fig. 23 : Module de détection de mise au point à lentille de champ avec objet ponctuel.

Une erreur de mise au point donnée provoque un déphasage des images sur les CCD d’autant plus fort que l’entraxe entre les lentilles de focalisation est plus important. Par conséquent, plus l’entraxe entre les lentilles de focalisation est fort, plus il est facile de détecter une faible erreur de mise au point. En contrepartie, un entraxe important est incompatible avec les objectifs peu lumineux.

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8 - Dans nos boîtiers photographiques, où se trouve le module de télémétrie ?

Dans la réalité il est évidemment impossible de placer le module de détection de mise au point derrière le capteur car celui-ci n’est pas transparent ; on le place donc sous la chambre reflex (figure 24). Une plage semi-transparente, aménagée dans la partie centrale du miroir principal, laisse passer une fraction de la lumière provenant de l’objectif. Cette lumière est déviée une première fois vers le condenseur du module par un miroir secondaire (ces deux miroirs s’escamotent simultanément avant chaque prise de vue). Afin de gagner en compacité, le faisceau lumineux est souvent dévié une deuxième fois à l’intérieur même du module, par un miroir de renvoi situé entre le condenseur et les petites lentilles de focalisation.

Fig. 24 : Implantation du module de détection de mise au point sous la chambre reflex.

Pour être fiables, ces modules de détection de mise au point très miniaturisés doivent être réalisés avec une précision extrême, et leur positionnement à l’intérieur du boîtier photographique doit être ajusté avec la plus grande rigueur. Les résines constituant les éléments optiques sont sélectionnées en fonction de leur capacité à ne pas absorber l’humidité, ce qui pourrait modifier leurs propriétés et affecter, au gré des conditions climatiques, la qualité de la mesure. La moindre variation de la distance séparant les différents composants du module peut également influencer la précision de la mesure. La conception mécanique des modules fait donc l’objet d’un soin particulier afin de minimiser l’effet des différences de dilatation des matériaux utilisés lors des changements de température. Certains boîtiers sont d’ailleurs équipés d’un capteur de température permettant d’apporter une correction à l’erreur induite par la variation de l’entraxe des lentilles de focalisation due à la dilatation ou à la contraction du matériau dont elles sont constituées (ces quatre lentilles étant moulées d’une seule pièce, figure 25).

Fig. 25 : Module de détection de mise au point.

Les appareils photographiques utilisant des modules à CCD monodimensionnels comportent, en principe, autant de modules qu’il y a de plages de détection de mise au point dans le viseur. En choisissant une plage de détection plutôt qu’une autre, on active le module correspondant, qui prend alors en charge la mise au point. Les appareils comportant un grand nombre de plages de détection utilisent aujourd’hui des modules à CCD bidimensionnels. Dans ces modules, les barrettes sont remplacées par des CCD rectangulaires de surface bien plus importante, et un seul module permet de gérer la totalité des plages de détection.

L’analyse des signaux issus des CCD, les calculs de déphasage ainsi que la commande et le contrôle du moteur électrique déplaçant les lentilles sont confiés à des microprocesseurs de plus en plus puissants qui exécutent ces tâches en une fraction de seconde. Ainsi, aujourd’hui, tout le monde peut réaliser relativement facilement des photos au téléobjectif, qui autrefois nécessitaient une grande dextérité (ou beaucoup de chance). Actuellement, les performances de ces systèmes sont si élevées qu’ils permettent, sur des sujets en déplacement rapide, d’assurer simultanément la mise au point “en continu” et la prise de vues à des cadences proches de dix images par seconde !

 

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PT, le 14 mars 2009.
Page mise à jour le 13 décembre 2011.

Références :

• Digital focus detecting device (Minolta Camera - Kabushiki Kaisha - 1989).
• Large aperture medium telephoto lens system (Nikon Corporation - 1997).
• Focus detecting device having light distribution detection (Nikon Corporation - 1997).
• Focus detection device (Nikon Corporation - 1997).
• Internal focusing telephoto lens (Nikon Corporation - 1998).
• Rangefinder optical system (Asahi Kogaku - Kogyo Kabushiki Kaisha - 2002).
• Interchangeable lens (Nikon Corporation - 2007).

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