Télézooms à variateur de champ afocal et “longueur constante”
Nikon 70(80)-200mm f/2.8 et 200-400mm f/4.

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Cette page fait suite à la page Distance focale et grandissement.

 

Fig. 01 : Zoom-Nikkor AF-S 80-200 mm f/2.8D IF-ED.

 

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Sommaire :

I  –  Présentation.
II  –  Bref historique.
III  –  Principe de fonctionnement du variateur de champ afocal.
IV  –  Le Zoom-Nikkor 80-200 mm f/2.8 ED Ais.
V  –  Le Zoom-Nikkor AF 80-200 mm f/2.8D ED.
VI  –  Les Zoom-Nikkor AF-S 80-200 mm f/2.8D IF-ED et Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED.
VII  –  Le Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G II.
VIII  –  Un mot sur le grandissement maximum des télézooms de ce type.
IX  –  Le Zoom-Nikkor 200-400 mm f/4 ED Ais.
X  –  Le Zoom-Nikkor AF-S VR 200-400 mm f/4G IF-ED.

Annexe I  –  Brève présentation du Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED Ais.

 

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I  –  Présentation.

Parmi les objectifs de longue focale performants utilisés par les photographes animaliers, certains sont des télézooms comme le Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G ou le Nikkor AF-S VR 200-400 f/4G. Sur ces deux zooms, la variation de focale fonctionne selon le même principe : un variateur de champ afocal placé à l’avant d’un objectif ordinaire (objectif primaire). Les ancêtres directs de ces objectifs apparurent pour la première fois sur le catalogue Nikon au début des années 1980. Mais avant eux, plusieurs télézooms, comme le Nikkor-ED 180-600 mm f/8 et même l’impressionnant Nikkor-ED 260-1200 mm f/11 avaient ouvert la voie.

Fig. 02 : Amplitude de variation du champ embrassé par
le Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED.
Le sujet principal (hauteur au garrot 80 cm) est situé à une distance de 9 m environ du boîtier 24 x 36 mm.

Sur ce type de zoom, la variation de la distance focale ne provoque aucune modification de la longueur du barillet. Ceci est une caractéristique importante : ces objectifs sont volumineux, et le restent quelle que soit la distance focale. Sur les premiers modèles, la mise au point provoquait un léger allongement du système optique parce que cette fonction était assurée par le déplacement des éléments frontaux externes de l’objectif. Aujourd’hui, la mise au point étant assurés par des éléments internes, aucun changement n’apparaît sur l’objectif. Ainsi, ces gros télézooms monoblocs sont d’une grande rigidité (gages de longévité) et offrent une excellente étanchéité aux agents extérieurs.

Comme le premier zoom 20-80 mm de Pierre Angénieux breveté en 1955, les Nikkor 70(80)-200 mm f/2.8 et 200-400 mm f/4 adoptent un système à compensation mécanique. Cependant, l’objectif de Pierre Angénieux ne comporte pas de variateur de champ véritablement afocal, alors que les objectifs Nikon cités plus haut utilisent bel et bien un tel système, lequel est parfaitement adapté aux zooms de faible amplitude de variation de focale (rapport focale maxi sur focale mini R < 4).

Fig. 03 : Le système optique du premier zoom à compensation mécanique de M. Pierre Angénieux
(20-80 mm f/2.5, breveté en 1955).

Comme nous allons le voir, le principe de fonctionnement du variateur de champ de ces zooms a peu évolué au fil du temps, alors que leur système de mise au point a subi plusieurs évolutions importantes.

 

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II  –  Bref historique.

Concernant le 70(80)-200mm f/2.8.

1982. Commercialisation du tout premier zoom Zoom-Nikkor 80-200 mm f/2.8 ED. Objectif de dimensions imposantes et lourd : 231 mm de long, 99 mm de diamètre, et 1,9 kg. Une bague coulissante et rotative permet de contrôler la variation de focale et la mise au point. L’ensemble des éléments frontaux externes assure la mise au point. Ce zoom disparaît du catalogue seulement trois ans après sa sortie. C’est le seul 80-200 mm f/2.8 à mise au point manuelle ayant figuré au catalogue Nikon.

1987. Premier modèle autofocus non motorisé : le Zoom-Nikkor AF 80-200 mm f/2.8 ED (éléments assurant la mise au point mus par un moteur placé dans le boîtier). La mise au point est toujours assurée par l’ensemble des éléments frontaux externes mus par une bague coulissante et rotative.

1992. Première mise à jour mécanique du modèle précédent (système optique inchangé).

1997. Seconde mise à jour mécanique du modèle de 1987 (système optique inchangé). La bague coulissante est définitivement abandonnée sur ce type de télézoom au profit de deux bagues différentes assurant respectivement variation de focale et mise au point.

1998. Sortie du Zoom-Nikkor AF-S 80-200 mm f/2.8 IF-ED. Ce modèle marque deux évolutions majeures :

2003. Commercialisation du Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED. C’est une évolution du modèle précédent (systèmes optiques très proches) : plage de variation de focale élargie à 70-200 mm, et intégration d’un système de stabilisation optique (VR). La mise au point est encore assurée par le déplacement des éléments internes du groupe frontal.

2009. La sortie du Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200mm f/2.8G II marque une nouvelle profonde évolution : pour la première fois, la mise au point n’est plus assurée par le déplacement de tout ou partie du groupe frontal de l’objectif. C’est désormais le compensateur (troisième groupe) qui assure la mise au point.

Concernant le 200-400mm f/4.

1983. Premier Zoom-Nikkor 200-400 mm f/4 ED commercialisé. Il est issu d’une importante lignée de télézooms de longues focales (jusqu’à 360-1200 mm) qui ont ouvert la voie. Bien que légèrement plus court que le modèle actuel, il est également plus fort en diamètre et en masse : 144 mm et presque 3,7 kg. Très cher, il reste un rêve inaccessible pour de nombreux photographes animaliers qui voient pourtant en lui l’objectif de toutes les situations. Il disparaît du catalogue Nikon en 1988.

2003. Nikon créé la surprise en commercialisant une version moderne de ce télézoom qui comporte désormais une mise au point automatique et un système de stabilisation. Le Zoom-Nikkor AF-S VR 200-400 mm f/4G IF-ED est lancé.

2010. Mise à jour du modèle précédent avec l’intégration d’un système de stabilisation plus performant et l’application du traitement Nano Crystal sur au moins un élément.

 

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III  –  Principe de fonctionnement du variateur de champ afocal.

Quelques dispositifs afocaux sont décrits à la page Distance focale et grandissement. On y montre comment un convertisseur afocal modifie la distance focale de l’objectif auquel on l’associe, et comment un simple retournement du convertisseur, dans un sens ou dans l’autre, permet de disposer de deux grandissements différents (Figure 4).

Fig. 04 : Système afocal réversible par rotation.
Mouse out : lentille convergente à l’avant (téléobjectif).
Mouse over : lentille divergente à l'avant (grand-angle).

Un zoom à variateur de champ afocal fonctionne selon un principe identique…

Mais comment passer d’un système afocal réversible par basculement, à un système permettant une variation continue de la distance focale ?

Simplement en “scindant” un des éléments du système afocal (convergent ou divergent) en deux unités différentes…

En effet, un assemblage de deux lentilles de vergence globale donnée peut parfaitement remplacer n’importe quelle lentille de vergence identique. La Figure 5 (ci-dessous) montre comment un couple de deux lentilles collées, l’une convergente (#1), l’autre fortement divergente (#3) peut remplacer la lentille divergente #2 de notre système afocal expérimental : la distance focale de la lentille #2 et la distance focale de l’assemblage #1 + #3 sont égales.

Fig. 5 : Caractéristiques des lentilles utilisées dans les systèmes expérimentaux.

Note

La Figure 6 permet de comparer le précédent système afocal à deux éléments au nouveau système à trois éléments. Les deux sont équivalents. Les lentilles #1, #1a et #1b sont identiques. La lentille #3 est plus divergente que la lentille #2.

Fig. 06 : Deux systèmes afocaux équivalents.

Notre nouveau système afocal comprend donc maintenant trois éléments au lieu de deux, mais ses caractéristiques restent inchangées, et nous pouvons toujours l’utiliser par retournement, dans un sens comme dans l’autre, exactement comme nous le faisions avec le système à deux éléments. Bien entendu, les éléments #1 et #3 ne sont pas tenus d’être véritablement collés. Dès lors, le nouveau système présente un intérêt majeur : l’inversion du système afocal devient possible sans retournement, simplement en faisant glisser la lentille divergente de l’avant vers l’arrière et vice et versa (Figure 7). On peut donc passer d’un système afocal divergent-convergent (grand-angle) à un système afocal convergent-divergent (téléobjectif) beaucoup plus facilement.

Fig. 07 : Système afocal à trois éléments avec élément intermédiaire mobile.

Que se passe-t-il lorsque la lentille divergente #3 est dans une position intermédiaire ?

Entre les deux positions extrêmes de la lentille #3, la distance focale de l’ensemble varie continument. Mais…

A la page Distance focale et grandissement nous avons vu que pour réaliser un système afocal à deux lentilles, le foyer principal image de la première lentille doit coïncider avec le foyer principal objet de la seconde : l’intervalle optique (Delta) doit être nul. Or, dans le nouveau système afocal à trois lentilles, le premier composant est un assemblage comportant un élément mobile. La position du foyer principal image  de cet assemblage dépend donc de la position de son élément mobile. La Figure 8 et l’animation associée montrent que, lorsque la lentille #3 occupe une position intermédiaire, le foyer principal image de l’assemblage (F'1a+3) ne coïncide plus avec le foyer principal objet du second composant (F1). Par conséquent, le caractère afocal du system est effectif uniquement lorsque la lentille #3 occupe une des deux positions extrêmes. Ce sont les deux seuls cas où les rayons lumineux (provenant d’un point objet infiniment éloigné) atteignent l’objectif primaire en étant parallèles entre eux. Dans tous les autres cas, les faisceaux de lumières atteignant l’objectif primaire sont légèrement divergents, et donc focalisés plus loin, comme si l’objet était plus proche : le tirage optique* varie avec la distance focale de l’ensemble du système optique.

* Tirage optique : distance entre la lentille la plus proche du récepteur (film ou capteur) et le récepteur.

L’ensemble décrit plus haut (système afocal plus objectif primaire) n’est donc pas un zoom ; c’est un simple “objectif à focale variable” imposant un ajustement de la mise au point après chaque changement de focale.

Fig. 08 : Intervalle optique, distance focale, et déplacement de l'image
 en fonction du déplacement de la lentille divergente #3.

Un dispositif afocal à trois composants et grandissement angulaire variable constitue un “téléscope de Donders” ou, plus communément, un “variateur de champ afocal”. Notre exemple décrit un variateur de champ afocal parfaitement symétrique (premier et dernier éléments identiques, élément intermédiaire symétrique). Lorsque l’élément intermédiaire est à mi-chemin entre ses positions extrêmes, le grandissement angulaire du système afocal est G = 1, et la distance focale de l’objectif primaire est inchangée. En pratique, les systèmes utilisés dans les zooms sont non symétriques (voir plus loin).

Remarque

Pour réaliser un véritable zoom il est impératif de résoudre ce problème de décalage de la mise au point. Pour ce faire, le caractère afocal du système doit être maintenu quelle que soit la position de l’élément divergent #3 : l’intervalle optique doit rester nul.

Pour maintenir l’intervalle optique à zéro, il suffit de déplacer l’élément arrière #1b de manière à ce que sont foyer principal objet suive le mouvement du foyer principal image de l’ensemble des deux autres éléments. Ceci revient à coordonner le mouvement de l’élément arrière #1b avec celui de l’élément divergent #3 de manière à respecter la condition précédente. Le déplacement de l’image induit par le changement de focale est ainsi annulé : on dit que le mouvement de l’élément arrière “compense” le déplacement de l’image (Figure 9).

Fig. 09 : Stabilisation axiale de l'image par le déplacement contrôlé de l'élément convergent arrière #1b.

Dans un variateur de champ afocal tel que celui décrit ici, l’élément #1a est appelé “frontal”, l’élément intermédiaire #3 est le “variateur”, et l’élément arrière #1b est le “compensateur”. Le variateur et le compensateur se déplacent de manières différentes. Ils sont guidés mécaniquement au moyen d’une came, d’où l’expression “compensation mécanique”, ou “compensation à came”.

La Figure 9 met en évidence deux points importants :

En résumé, à l’aide de trois lentilles simples et d'un objectif de 50 mm, nous avons créé un zoom 25-100 mm. Évidemment, les performances optiques d’un objectif de conception aussi simpliste seraient entachées de très nombreuses aberrations. C’est la raison pour laquelle ces calculs ont été réalisés avec un diaphragme relativement fermé, et qu’aucun faisceau oblique n’est représenté. Pour obtenir de bonnes performances, chaque élément (frontal, variateur, compensateur et objectif primaire) doit être corrigé des aberrations et/ou contribuer à corriger les aberrations des éléments voisins. Pour ce faire, tous les composants d’un zoom sont constitués d’assemblages de différentes lentilles façonnées dans des verres de types différents. Bien que ceci complique sensiblement le schéma du système, ses performances s’en trouvent grandement améliorées (Figure 10).

Fig. 10 : Comparaison des schémas optiques de notre zoom expérimental
et du Nikkor AF 80-200 mm f/2.8D ED.

Sur ce type d’objectif, la mise au point peut être réalisée de différentes manières, en déplaçant :

Puisque tout déplacement du plan objet induit un déplacement du plan image proportionnel à la distance focale du système, la première manière citée plus haut, bien que possible dans l’absolu, n’est pas intéressante en pratique : un tel système imposerait une retouche de la mise au point après chaque changement de focale. A ma connaissance, cette méthode de mise au point n’est utilisée que sur les objectifs d’appareils de projection (et quelques objectifs d’appareils photographiques très compacts autofocus).

Entre le variateur de champ et l’objectif primaire, les faisceaux lumineux sont constitués de rayons parallèles. Par conséquent, en éloignant uniquement l’objectif primaire du plan image il est possible d’effectuer la mise au point sans altérer sensiblement les performances du système : c’est la deuxième manière citée plus haut. Mais là encore, une retouche de la mise au point est nécessaire après chaque changement de focale (parce que pour une distance objet donnée, la position de l'image dépend de la distance focale). Un tel système était couramment proposé sur certaines caméras d’amateurs offrant une position “macro” : pour une distance focale donnée (généralement la plus courte car c’est celle qui offre le dégagement le plus important entre le compensateur et le primaire), le déplacement de l’objectif primaire vers l’avant permettait une mise au point très rapprochée.

Au fil du temps, sur les télézooms Nikon 80-200mm f/2.8 puis 70-200 mm f/2.8, les trois dernières manières énumérées ci-dessus ont été utilisées dans l’ordre où elle apparaissent ici. Pour ce qui concerne les 200-400 mm f/4 nous verrons que les choses sont un peu différentes.

Voyons le fonctionnement de ces objectifs…

 

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IV  –  Le Zoom-Nikkor 80-200 mm f/2.8 ED Ais.

Il s’agit d’un zoom mono bague : une seule bague permet de faire varier la distance focale (par translation) et la mise au point (par rotation). Les solutions adoptées pour l’élaboration du système optique de ce zoom sont simples. Moyennant certaines concessions (encombrement), elles permettent d’obtenir d’excellentes performances sur toute la plage de variation de la distance focale.

A titre d’exemple, voici les valeurs calculées des distances focales des quatre groupes composant cet objectif :

Et les distances focales des combinaisons du système afocal dans les deux positions extrêmes du variateur :

Contrairement à notre objectif expérimental, la distance focale du groupe frontal est différente de celle du compensateur (système dissymétrique). Le déplacement complet du variateur n’est donc pas équivalent à un retournement du système afocal, et le grandissement angulaire du système en position “téléobjectif” n’est pas égal à l’inverse du grandissement angulaire en position “grand-angle”.

Nous pouvons déterminer la distance focale de l’objectif aux deux positions extrêmes du variateur de la manière suivante…

Lorsque le variateur est à l’avant :

Lorsque le variateur est à l’arrière :

Le rapport des grandissements angulaires extrêmes donne le rapport d’amplitude du zoom (R) :

R = Gmax / Gmin = 1,7410 / 0,6964 ≈ 2,5

La mise au point est assurée par le groupe frontal seul : son glissement de 17,85 mm vers l’avant déplace le plan de mise au point de l’infini à 2,5 m. Ce système présente un avantage majeur : seul le système afocal est impliqué dans le processus de mise au point (l'objectif primaire reste fixe). Par conséquent, une fois effectuée, la mise au point ne varie pas avec la distance focale. C’est la raison pour laquelle ce système a été utilisé de manière quasi exclusive sur ce type de zoom pendant de très nombreuses années.

Lorsque le groupe frontal avance pour effectuer la mise au point :

Fig. 11 : Zoom-Nikkor 80-200 mm f/2.8 ED Ais en configuration de distance focale mini.
Effet de la distance de mise au point sur la distance focale.
Mouse out : mise au point à l'infini.
Mouse over : mise au point mini (2,5 m).

Cette augmentation de la distance focale est due au fait que lorsque le groupe frontal avance pour effectuer la mise au point sur un objet proche, l'espace qui le sépare du variateur croît. Or, c’est précisément ce qui se passe lorsque le variateur recule (vers la droite) afin d’augmenter la distance focale. Dans une certaine mesure, les mêmes causes produisent les mêmes effets.

Pour un déplacement vers l'avant du groupe frontal d'une amplitude donnée, la distance focale augmente plus fortement lorsque le variateur est en position avancée (grand-angle) car l'accroissement relatif de l'espace qui le sépare du variateur est alors plus important que lorsque ce dernier est en position reculée (téléobjectif). Dans certains cas (voir plus loin), en fonction de la vergence respective des différents composants, il peut arriver que les longues focales décroissent ; mais les courtes focales augmentent toujours lorsque l’objet se rapproche.

Fig. 12 : Zoom-Nikkor 80-200 mm f/2.8 ED Ais.
Système de variation de la distance focale.

Sur ce type de télézoom, le mouvement de translation imprimé à la bague de commande est directement transmis au variateur : le déplacement de la bague est rigoureusement égal à celui du groupe de lentilles concernées. Par contre, une came assure le couplage avec le compensateur.

Sur ce zoom, la distance focale du groupe frontal est longue (f'f > 190 mm) et son ouverture géométrique est relativement élevée (N ≈ 2.7). Ceci explique les très bonnes performances de cet objectif aux distances focales élevées. En contrepartie l’objectif est très encombrant car :

 

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V  –  Le Zoom-Nikkor AF 80-200 mm f/2.8D ED.

Première évolution du système optique : la compacité.

Trois versions de cet objectif se sont succédées en conservant le même système optique. Les deux premières sont mono bagues, alors que la dernière en comporte deux : une pour le réglage de la distance focale, l’autre pour la mise au point. Le système optique de ces objectifs est très proche de celui de leur prédécesseur à mise au point manuelle et, là encore, la mise au point est assurée par le groupe frontal seul.

Cependant, le cahier des charges s’est alourdi :

Fig. 13 : Zoom-Nikkor AF 80-200 mm f/2.8D ED en configuration de distance focale mini.
Effet de la distance de mise au point sur la distance focale.
Mouse out : mise au point à l'infini.
Mouse over : mise au point mini (1,5 m).

Ces exigences imposent une réduction importante de la distance focale du groupe frontal. Celle-ci est donc ramenée à 123,5 mm (contre 191,44 mm sur le modèle précédent). Ainsi, un déplacement du groupe frontal de seulement 13,22 mm déplace le plan de mise au point de l’infini à 1,5 m (2,5 m sur le modèle précédent). Autre conséquence, la course du variateur est très sensiblement réduite : moins de 40 mm, soit près du tiers de l’amplitude de variation de la distance focale. Enfin, la longueur optique* de l’objectif n’est plus que de 230 mm, à la distance minimale de mise au point (au lieu de 260 mm sur le modèle précédent). La distance focale de l’objectif primaire est quasiment inchangée : f'm ≈ 113,00 mm.

* Distance entre l'apex de la face externe de la lentille frontale et le plan image.

Le grandissement angulaire du variateur de champ varie de Gmin ≈ 0,72 à Gmax ≈ 1,73 pour une distance focale globale variant de 80,9 à 196 mm lorsque le zoom est réglé sur l’infini.

Cependant, la réduction de la distance focale du groupe frontal implique une diminution proportionnelle de son ouverture géométrique. Celle-ci n’est plus que de N ≈ 1,6 (au lieu de N ≈ 2,7 sur le modèle précédent) ; ceci complique le contrôle des aberrations aux distances focales élevées (variateur de champ comportant deux éléments supplémentaires). Nous verrons également que la diminution importante de la distance focale du groupe frontal n’est pas sans conséquence sur le grandissement maximum de l’objectif (voir § VIII).

Fig. 13bis : Zoom-Nikkor AF 80-200 mm f/2.8D ED.
Système de variation de la distance focale.

Note : la variation de l'angle de champ en fonction du déplacement du variateur est presque parfaitement linéaire.

Une animation illustrant le système de variation du modèle “à pompe” (1992, système optique identique) est visible à la page Annexe (avec la position et la taille des pupilles d'entrée et de sortie). A la différence du tout premier modèle (Ais), l'amplitude du mouvement de translation de la bague de variation de focale de ce zoom (27,6 mm) est différente de celle du variateur (39,8 mm) : le mouvement de ce dernier est donc guidé par une came, tout comme le mouvement du compensateur.

 

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VI  –  Les Zoom-Nikkor AF-S 80-200 mm f/2.8D IF-ED et AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED.

Deuxième évolution du système optique (hormis la stabilisation du modèle VR) : la mise au point par déplacement de la partie interne du groupe frontal.

Le Zoom-Nikkor AF-S 80-200 mm f/2.8D IF-ED (Figures 1 et 13ter, ci-dessous), et son descendant direct stabilisé, le Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED, sont des objectifs à deux bagues dont les systèmes optiques ne diffèrent pratiquement que par le groupe de stabilisation du dernier modèle (incorporé à l’objectif primaire). Les variateurs de champ de ces deux objectifs sont très ressemblants.

Fig. 13ter : Comparaison des zooms AF-S VR 70-200mm f/2.8G IF-ED et AF-S 80-200mm f/2.8D IF-ED.

Un des moyens permettant d’accroitre les performances d’un système de mise au point automatique est de réduire de la masse des éléments mobiles. Pour répondre à cette exigence, Nikon a développé un variateur de champ dont le groupe frontal est composé de deux sous-groupes convergents, le premier étant fixe, l’autre mobile (Figure 14).

Fig. 14 : Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED en configuration de distance focale mini.
Effet de la distance de mise au point sur la distance focale.
Mouse out : mise au point à l'infini.
Mouse over : mise au point mini (1,5 m).

Le déplacement vers l’avant du second sous-groupe assure la mise au point : c’est ce que l’on appelle la “mise au point frontale interne”.

En rapprochant les deux sous-groupes frontaux, leur distance focale globale diminue. Dans le même temps, le foyer principal image de l’ensemble du groupe frontal glisse vers l’avant comme si celui-ci avançait physiquement en intégralité. Ainsi, un déplacement vers l’avant de seulement 9,72 mm du second sous-groupe, permet de mouvoir le foyer principal de l’ensemble du groupe frontal de 8,04 mm dans le même sens, ramenant le plan de mise au point de l’infini à 1,5 m. En contrepartie, le groupe frontal est désormais plus long, de même que le télézoom (longueur optique 258 mm).

Pour contenir l’encombrement de l’ensemble du système optique, la distance focale du groupe frontal a encore été réduite : elle n’est plus que de 99,12 mm à l’infini (96,51 mm à la mise au point mini).

Avantages :

Note

Inconvénients :

Comme nous l’avons vu dans les deux cas précédents, le déplacement vers l’avant de la partie arrière du groupe frontal (qui, d’une certaine manière, équivaut à un déplacement du groupe frontal entier) induit un accroissement de la distance focale de l’objectif sur toute de la plage des distances focales. Même si le grandissement obtenu aux faibles distances de mise au point incite les utilisateurs à penser le contraire.

Fig. 15 : Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED.
Système de variation de la distance focale.

Notez également la forte dissymétrie du faisceau incliné par rapport au rayon principal (trait en pointillé passant par le centre du diaphragme) et, par conséquent, la différence d’ouverture importante entre les cônes utiles émergents axial et incliné (vignettage).

 

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VII  –  Le Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G II.

Troisième évolution du système optique : la mise au point interne par déplacement du compensateur.

Le brevet d’invention 2009/0086321A1 (Keiko Mizuguchi)décrit le système optique de cet objectif mais ne présente aucun exemple correspondant rigoureusement au modèle effectivement produit. Ce qui suit étant basé sur les données de ce brevet, les résultats calculés peuvent ne pas correspondre exactement aux caractéristiques de l’objectif réel, mais le fonctionnement du système, et la manière dont les grandeurs évoluent sont, eux, parfaitement représentatifs.

Rappel

Le système de mise au point adopté sur cet objectif utilise la faculté du compensateur à contrôler la position du plan image. Pour la réalisation de ce zoom de quatrième génération, le rôle du compensateur a donc simplement été étendu. C’est donc un retour à un système à quatre groupes d’éléments dont les caractéristiques restent stables quelle que soit la distance de mise au point (dans le cas précédent, les caractéristiques du groupe frontal évoluent avec la distance de mise au point). Ici, la distance focale du groupe frontal est fixe (f’f ≈ 94.57 mm) de même que son ouverture géométrique (N ≈ 1.4).

Principe de fonctionnement : nous savons que lorsque le plan objet se rapproche, le plan image recule au-delà du foyer principal ; le déplacement du compensateur vers l’arrière permet de ramener le plan image vers l’avant, comme lors d’un changement de focale.

Ce système de mise au point présente au moins trois avantages :

Fig. 16 : Zoom de type Nikkor AF-S VR II 70-200 mm f/2.8G.
Système de variation de la distance focale.
Mouse out : distance focale mini (f' ≈ 71,4 mm).
Mouse over : distance focale maxi (f' ≈ 196,0 mm).

Mais il présente aussi deux contreparties…

La première, sans conséquence pour l’utilisateur, explique pourquoi ce système n’a pas été adopté plus tôt : pour assurer la mise au point sur une distance objet donnée, le déplacement du compensateur dépend de la distance focale. D’autre part, lors d’un changement de focale, le mouvement du compensateur dépend désormais de la distance de mise au point. Mécaniquement, ce système est donc plus compliqué que les précédents. Par exemple, à la distance focale la plus courte, un déplacement du compensateur de 2,41 mm fait varier la position du plan de mise au point de 1,4 m à l’infini. La même plage de mise au point demande un déplacement de 14,55 mm à la distance focale la plus longue.

La seconde conséquence, elle, n’est pas passée inaperçue : le déplacement du compensateur induit une diminution très sensible de la distance focale de l’objectif aux faibles distances de mise au point. Pourquoi ?

Parce qu’en déplaçant le compensateur vers l’arrière lors de la mise au point sur un objet proche, on augmente l’espace qui le sépare du variateur. Or, nous savons que toute augmentation de l’écart entre ces deux groupes induit une diminution de la distance focale de l’ensemble du système : c’est précisément ce qui se passe lorsque le variateur avance pour réduire la distance focale. Ici aussi, d’une certaine manière, la même cause produit le même effet. C’est également ce qui explique pourquoi la variation de la distance focale sur la figure 8 (système non compensé) est différente de celle de la figure 9 (système compensé).

Fig. 17 : Zoom de type Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G II en configuration de distance focale mini.
Effet de la distance de mise au point sur la distance focale.
Mouse out : mise au point à l'infini.
Mouse over : mise au point mini (1,4 m).

 

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VIII  –  Un mot sur le grandissement maximum de ce type de télézoom.

Le grandissement maximum est atteint à la distance focale la plus longue et à la distance minimale de mise au point.

Le grandissement maximum de ce type d’objectif dépend d’un grand nombre de facteurs : la distance focale du système complet (bien sûr), mais également la distance focale du groupe frontal, ainsi que les caractéristiques des autres groupes et la manière dont ils interagissent les uns sur les autres. Par conséquent, deux zooms de conceptions différentes, configurés à la même distance focale et à la même distance de mise au point offriront des grandissements différents si le déplacement du foyer principal image qu’ils induisent est différent. On se souvient que le déplacement du foyer principal image détermine le grandissement de l’objectif (voir Distance focale et grandissement).

La Figure 18 illustre ce qui précède… Le Zoom-Nikkor 80-200 mm f/2.8 ED Ais (en haut) et le Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED (en bas) sont tous deux dans une configuration de mise au point à 2,5 m. A cette distance de mise au point, la distance focale maximale du modèle AF est f’ ≈ 199,5 mm et la distance focale maximale du modèle Ais est f’ ≈ 202,5 mm. J’ai donc légèrement “dézoomé” ce dernier pour obtenir f’ ≈ 199,5 mm sur les deux objectifs.

On constate que malgré des configurations similaires, la position des points cardinaux des deux zooms est différente. Il en découle que le grandissement du modèle Ais (ayant le groupe frontal de plus longue focale) est 6,6% supérieur à celui du modèle AF*. Cette différence de grandissement aurait été bien plus importante encore à une distance de mise au point plus courte (mais le modèle Ais ne peut mettre au point en dessous de 2,5 m).

* La distance focale du groupe frontal est f’f ≈ 191, 44 mm sur le modèle Ais, et f’f ≈ 97,67 mm sur le modèle AF (dans cette configuration de mise au point).

Fig. 18 : Comparaison du grandissement de deux systèmes optiques différents ;
même distance focale, même distance de mise au point (2,5 m).

La Figure 19 met en évidence l’influence que peut avoir la distance focale du groupe frontal (assurant la mise au point) sur le grandissement des quatre zooms Nikon à leur distance de mise au point mini. On constate que lorsque les zooms sont réglés sur leur focale la plus courte, leur grandissement est conforme au grandissement typique obtenu avec un système assimilable à une lentille mince. En “zoomant” vers les longues focales, les objectifs comportant le groupe frontal de plus courte focale sont ceux dont le grandissement s’écarte le plus de leur courbe de grandissement typique. Avec un groupe frontal de distance focale f’f ≈ 191 mm, le grandissement du 80-200 mm Ais est quasiment conforme à sa courbe typique.

Le zoom AF-S 70-200 mm VR II à mise au point par déplacement du compensateur présente une courbe de grandissement très différente (en rouge sur le graphe). Ici, le déplacement du foyer principal image de l’objectif est proportionnellement plus élevé en début de plage des distances focales. Ainsi, le grandissement est supérieur aux valeurs typiques à courtes focales, puis devient inférieur aux valeurs typiques lorsque la focale augmente.

Fig. 19 : Comparaison des grandissements à la distance de mise au point minimale de quatre zooms Nikon
en fonction de leur distance focale effective.

Comme mentionné plus haut, la distance focale du groupe frontal n’est pas le seul facteur ayant une influence sur la courbe de grandissement de ce type d’objectif. Le Tamron SP AF 70-200 mm f/2.8 Di LD [IF] Macro est un zoom à mise au point frontale interne (comme le 70-200 mm VR I). Avec un groupe frontal dont la distance focale varie de f’f ≈ 106,23 à f’f ≈ 108,37 mm selon la distance de mise au point (même ordre de grandeur que celui du Nikon), ce zoom offre un grandissement au comportement différent (Figure 20). A la distance de mise au point de 1,5 m le grandissement est encore très proche de la courbe typique, puis la courbe se creuse aux focales intermédiaire et devient très incurvée à la distance de 0,95 m.

Fig. 20 : Tamron SP AF 70-200 mm f/2.8 Di LD [IF] Macro.
Distance focale et grandissement.

Notez également la manière dont la plage des distances focales diminue avec la distance de mise au point :

Fig. 21 : Deux zooms à variateur de champ afocal, mais à systèmes de mise au point différents :
- par déplacement du groupe frontal pour le Zoom-Nikkor AF 80-200 mm f/2.8 D ED (en arrière plan),
- par déplacement du compensateur pour le Zoom-Nikkor AF-S VR II 70-200 mm f/2.8G
(ici, sur semelle Kirk).

 

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IX  –  Le Zoom-Nikkor 200-400 mm f/4 ED Ais.

Comme le Zoom-Nikkor 80-200 mm f/2.8 ED Ais commercialisé l’année précédente, le tout premier 200-400 mm f/4 (sorti en 1983) est un zoom mono bague. D’ailleurs, ces deux objectifs ont été mis au point par la même personne : M. Yoshinari Hamanishi. Là encore, les solutions adoptées pour l’élaboration du système optique de ce zoom sont simples, et la mise au point (manuelle) est assurée par le déplacement de l’intégralité du groupe frontal.

Nikon ne dévoile pas la position exacte du diaphragme de cet objectif. Je l’ai placé à l’avant de l'objectif primaire car c’est la position la plus naturelle sur ce type de zoom. Mais cela reste une hypothèse personnelle. Toutefois, un positionnement différent à l'intérieur de l'objectif primaire est possible ; et cela n'aurait aucune incidence sur ce qui suit.

Les distances focales des quatre groupes composant cet objectif sont les suivantes :

Grandissement angulaire extrême du variateur de champ : Gmin ≈ 0,91 à Gmax ≈ 1,82.
Rapport d’amplitude du zoom : R = Gmax / Gmin = 1.82 / 0.91 ≈ 2.

L’équilibre des vergences des différents groupes est donc très différent de celui du 80-200 mm :

Fig. 22 : Zoom-Nikkor 200-400 mm f/4 ED Ais en configuration de distance focale mini.
Effet de la distance de mise au point sur la distance focale.
Mouse out : mise au point à l'infini.
Mouse over : mise au point mini (4 m).

Dans ces conditions, la distance focale de cet objectif réglé à sa distance de mise au point minimale (4 m) varie d’une manière très différente des zooms de plus courtes focales (voir graphe Figure 19).

Fig. 23 : Zoom-Nikkor 200-400 mm f/4 ED Ais.
Système de variation de la distance focale.

La faible différence apparaissant entre les angles au sommet des cônes utiles émergents des faisceaux axiaux et inclinés est révélatrice d’un vignettage peu marqué.

 

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X  –  Le Zoom-Nikkor AF-S VR 200-400 mm f/4G IF-ED.

La seconde version de ce zoom est très différente de la précédente. Non seulement parce qu’elle comporte deux bagues au lieu d’une seule, mais surtout parce que son système optique est beaucoup plus sophistiqué. Il a été mis au point par M. Susumu Sato, tout comme le système optique de son “petit frère” le Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G IF-ED commercialisé la même année (2003). Ces deux objectifs comportent un système de stabilisation (triplet incorporé à l’objectif primaire), mais le système de mise au point de ce nouveau 200-400 mm est différent de tous ceux que nous avons vus précédemment : la mise au point interne par système afocal (un système afocal de plus !). Nikon utilise ce système de mise au point interne sur tous ses téléobjectifs (de 180 mm à 600 mm) mais ce zoom est le seul à en bénéficier. Ce système est présenté à la page Mise au point.

Compte tenu des dimensions importantes des éléments frontaux d’un tel zoom, ce dispositif afocal de mise au point permet une bien meilleure réduction le la masse des éléments mobiles. Bien que plus complexe sur le plan optique, il permet néanmoins de conserver la simplicité mécanique du système de mise au point frontale interne classique (mise au point ne variant pas avec la distance focale).

Comme tous les télézooms précédemment étudiés, le système optique de cet objectif est donc composé d’un variateur de champ afocal (en trois groupes) placé à l’avant d’un objectif primaire. Mais ici le groupe frontal comprend son propre système afocal assurant la mise au point (Figure 24). Ainsi, à lui seul, le groupe frontal de ce zoom constitue un véritable téléobjectif à mise au point interne, de distance focale proche de f’ ≈ 299 mm et d’ouverture géométrique N ≈ 3.0 (pour une mise au point à l’infini).

Les valeurs calculées des distances focales des quatre groupes composant cet objectif sont les suivantes :

Le grandissement angulaire du variateur de champ varie de Gmin ≈ 1,28 à Gmax ≈ 2,46 (donc toujours supérieur à G = 1) pour une distance focale globale variant de f’ ≈ 204 mm à f’ ≈ 392 mm lorsque le système est réglé sur l’infini.

Fig. 24 : Zoom-Nikkor AF-S VR 200-400 mm f/4G IF-ED en configuration de distance focale mini.
Effet de la distance de mise au point sur la distance focale.
Mouse out : mise au point à l'infini.
Mouse over : mise au point mini (2 m).

Le comportement de la distance focale de l’objectif réglé sur sa distance de mise au point minimale (2 m) rappelle celui du modèle précédent, mais l’écart par rapport à la courbe nominale (infini) est beaucoup plus marqué, et on note une légère diminution de la distance focale en fin de plage. Ainsi, à la distance de mise au point minimale, l’amplitude de variation de la distance focale n’est plus que de 85 mm (de f’ ≈ 250 mm à f’ ≈ 335 mm, soit R ≈ 1,34).

Fig. 25 : Zoom-Nikkor AF-S VR 200-400 mm f/4G IF-ED.
Système de variation de la distance focale.

Les courbes de grandissement en fonction de la distance focale de ces deux zooms, à leur distance de mise au point minimale respective, sont très différentes. L’influence de la mise au point interne par système afocal sur la courbe du modèle stabilisé est évidente. Notez que le grandissement de cet objectif croît continument même lorsque la distance focale cesse d’augmenter, et également lorsqu’elle diminue légèrement en fin de plage (f’ ≈ 334,6 mm). Le grandissement est alors quasiment conforme à la valeur typique d’un objectif de 335 mm de distance focale.

Fig. 26 : Grandissements comparés des deux zooms 200-400 mm f/4 Nikon
à leur distance de mise au point minimale respective.

Conclusions

A distance de mise au point réduite, le grandissement de ce type de zoom, à système de mise au point frontale ou frontale interne, n’est véritablement représentatif de leur distance focale réelle qu’aux focales les plus courtes. Au-delà, la relation entre le grandissement et la distance focale n’est jamais simple, et seule la définition exacte du système optique permet un calcul rigoureux.

Pour les objectifs à mise au point par le compensateur (70-200 VR II), ou à mise au point interne par système afocal (200-400 VR), aucune relation simple ne relie grandissement et distance focale et, là encore, seule la définition exacte du système optique permet un calcul rigoureux.

 

P.T., le 9 septembre 2010.
Dernière mise à jour, le 6 février 2011.

 

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Références:

 

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Annexe I  –  Brève présentation du Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED Ais.

Le variateur de champ véritablement afocal semble ne pas être adapté aux rapports d’amplitude supérieurs à R ≈ 4 environ. Au-delà de cette valeur, les télézooms de longueur et d’ouverture constantes comportent un variateur de champ convergent. A ma connaissance, ils sont assez rares en photo (beaucoup plus courants en cinéma et vidéo).

Fig. 27 : Le Zoom-Nikkor 50-300 mm f/4.5 ED Ais.

Jusqu’à la fin des années 1990, Nikon proposait un zoom 50-300 mm (R ≈ 6) d’ouverture constante (f/4.5) à variateur de champ convergent. Par rapport aux télézooms vus précédemment, la structure de l’objectif primaire est très différente. Le premier élément (divergent) de l’objectif primaire transforme les flux convergents émergeant du compensateur en faisceaux pratiquement parallèles. Ces faisceaux sont alors repris par les trois éléments suivants qui forment l’image sur le récepteur. La courbe de déplacement du compensateur est très différente des courbes rencontrées jusqu’ici.

Fig. 28 : Zoom-Nikkor 50-300 mm f/4.5 ED Ais.
Système de variation de la distance focale.

Lourd et encombrant, ce type de zoom n’a jamais été adapté à la mise au point automatique…

 

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