Les télés zooms Nikon (180)200-400 mm f/4.

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Zoom-Nikkor 200-400 mm f/4 ED

Le Zom-Nikkor ED 200-400 mm f/4 fut commercialisé pour la première fois en 1984, puis retiré du marché dès 1988 (environ 500 exemplaires vendus). Très (trop) cher, d’innombrables photographes se contentèrent d’en rêver…

Fig. 01 : Zoom-Nikkor 200-400 mm f/4 ED.

Le système optique de ce télé zoom à variateur de champ afocal et ouverture constante adopte un schéma classique, très courant durant les années ’70 - ‘80 (variateur de champ analogue à celui du zoom 80-200 mm f/4 de la même époque). Son unique bague de commande (système “à pompe”) permet de faire varier la distance focale (par translation), et la mise au point (par rotation). Celle-ci s’effectue par déplacement vers l’avant de la totalité de l’imposant groupe frontal. La distance de mise au point mini est de 4 m ; à cette distance et à 400 mm de distance focale, le champ cadré sur capteur 24 x 36 mm est de 20 x 30 cm.

Fig 02 : Zoom–Nikkor 200-400 mm f/4 ED – Système optique (à ƒ’ = 200 mm).

Le groupe frontal (longue focale de 275 mm f/2,8) ne comporte que trois éléments, dont deux en verre à faible dispersion.

L’amplitude de la translation de la bague de commande détermine la course du groupe de variation (60,6 mm). Une came assure le déplacement synchronisé du groupe de compensation.

Le grandissement angulaire G du variateur de champ afocal varie d’un rapport 2 :

0,909 ≤ G ≤ 1,818.

L’objectif primaire est un téléobjectif vrai (220 mm f/4) dont le groupe frontal comporte un élément en verre à faible dispersion.

Lorsque le variateur est en configuration de grandissement G = 0,909 la distance focale de l’objectif est :

ƒmin’ = ƒP’ x G = 220 x 0,909 = 200 mm.

Lorsque le variateur est en configuration de grandissement G = 1,818 la distance focale de l’objectif est  :

ƒmax’ = ƒP’ x G = 220 x 1,818 = 400 mm.

L’important diamètre du faisceau collimaté au passage du diaphragme d’ouverture (55 mm à f/4) impose les dimensions importantes des groupes de variation et de compensation (et leur mécanique associée), ainsi que des éléments frontaux de l’objectif primaire.

Fig 03 : Zoom–Nikkor 200-400 mm f/4 ED – Fonctionnement du variateur.

Remarque :

La comparaison des géométries du faisceau axial et du faisceau incliné, permet d’affirmer que le vignettage est notablement faible.

Un déplacement de 22,5 mm vers l’avant de la totalité du groupe frontal ramène le plan de mise au point de l’infini à 4 m (quelle que soit la distance focale).

Remarque :

Les dimensions et la masse des trois éléments frontaux (et de la mécanique associée) ne sont pas compatibles avec une mise au point automatique réactive conforme aux standards actuels.

Fig 04 : Zoom–Nikkor 200-400 mm f/4 ED – Mise au point à l’infini et mise au point à 4 m (distance de mise au point mini).

 

En configuration de mise au point mini (4 m), le grandissement transversal g du système est :

 

g = –0,06 pour ƒ’ nominale = 200 mm (et une distance focale effective ƒeff’ = 212,8 mm) ;

g = –0,12 pour ƒ’ nominale = 400 mm (et une distance focale effective ƒeff’ = 351.5 mm).

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AFS-Nikkor 200-400 mm f/4 G

Commercialisée pour la première fois en 2003, cette nouvelle version du Nikon 200-400 mm f/4 bénéficie de deux technologies désormais matures : la mise au point automatique par moteur piézoélectrique à onde progressive intégré et la stabilisation optique. En 2021, 23000 exemplaires ont été produits !

Fig 05 : AFS–Nikkor 200-400 mm f/4G.

Ce second modèle est un zoom à variateur de champ quasi afocal (l’objectif primaire reçoit un faisceau très faiblement convergent). Il est doté d’un groupe frontal plus sophistiqué que celui du modèle de 1984.

Ce groupe frontal est un véritable téléobjectif à mise au point interne de première génération, tels que Nikon les fabriquait dans les années ‘80. En configuration de mise au point à l’infini, c'est un 299 mm f/3.1. Il est composé d’un système afocal (groupe positif fixe + groupe négatif mobile assurant la mise au point) et d’un objectif primaire mono élément positif (ménisque convergent)*.

* Schéma adopté pour plusieurs téléobjectifs des années ’80 (300 mm f/4.5 IF-ED ; 400 mm f/5.6 IF-ED ; 600 mm f/5.6 IF-ED).

Fig 06 : AFS–Nikkor 200-400 mm f/4G – Système optique.

À l’arrière de ce groupe frontal, on trouve les groupes de variation (course de 49 mm) et de compensation dont les mouvements sont synchronisés par une came.

L’objectif primaire (ƒP’ = 159 mm) inclut dans sa partie arrière un groupe de stabilisation de vergence négative (donc à action inverse) de forte sensibilité

s = –1,84 : tout déplacement de ce groupe dans une direction quelconque perpendiculaire à l’axe optique induit un déplacement de l’image dans la même direction, mais de sens opposé, d’amplitude 1,84 fois plus importante.

Au passage du diaphragme d’ouverture, le diamètre du faisceau est de 38,5 mm à f/4. À ouverture égale, les groupes de variation et de compensation (et leur mécanique associée), ainsi que les éléments de l’objectif primaire sont donc de dimensions sensiblement moindres que ceux de l’objectif précédent.

Fig 07 : AFS–Nikkor 200-400 mm f/4G – Fonctionnement du variateur.

Remarque :

La différence de géométrie entre le faisceaux axial et le faisceau incliné permet d’affirmer que le vignettage est plus sensible que celui de l’objectif précédent.

La mise au point est assurée par le groupe intermédiaire divergent du groupe frontal. Une translation de 17,5 mm vers l’arrière rapproche le plan de mise au point de l’infini à 2 m (distance de mise au point mini).

Fig 08 : AFS–Nikkor 200-400 mm f/4G – Mise au point à l’infini et mise au point à 2 m (distance de mise au point mini).

En configuration de mise au point mini (2 m), le grandissement transversal g du système est :

g = –0,14 pour ƒ’ nominale = 200 mm (et une distance focale effective ƒeff’ = 247,5 mm) ;

g = –0,27 pour ƒ’ nominale = 400 mm (et une distance focale effective ƒeff’ = 334,6 mm).

Cette conception du groupe frontal, avec ses éléments mobiles de mise au point de dimensions réduites (donc, plus légers) est pleinement compatible avec une mise au point motorisée réactive.

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AFS-Nikkor 180-400 mm f/4 E TC1.4 FL ED VR

Cet objectif a été mis sur le marché par Nikon en 2018, soit trente-quatre ans après son premier zoom d’ouverture f/4 offrant sensiblement la même plage de distances focales.

Fig 09 : AFS–Nikkor 180-400 mm f/4 E TC1.4 FL ED VR.

La conception de ce modèle est très différente des modèles précédents. Bien que de masse et d’encombrement comparables, ce modèle comporte près de deux fois plus d’éléments optiques que le modèle de 1984 : 27 éléments en 19 groupes (15 éléments en 10 groupes pour le premier).

Le système optique de ce télé zoom est constitué d’un variateur de champ convergent, suivi d’un système quasiment afocal de stabilisation, et enfin d’un convertisseur arrière positif. L’objectif est également équipé d’un extender 1,4x escamotable (8 éléments en 5 groupes supplémentaires) pouvant être inséré à la demande dans le faisceau lumineux devant le convertisseur arrière positif.

Fig 10 : AFS–Nikkor 180-400 mm f/4 E TC1.4 FL ED VR en configuration de distance focale mini – Extender escamoté et extender actif.

Le groupe frontal du variateur de champ est plus élaboré que celui du modèle précédent. C’est un téléobjectif 219 mm f/2.2 (en configuration de mise au point à l’infini) à mise au point interne de deuxième génération, tels que Nikon les a fabriqués à partir des années ‘90. Il est composé d’un système afocal (groupe positif fixe + groupe négatif mobile assurant la mise au point) et d’un objectif primaire mono élément positif (ménisque convergent). Le groupe mobile assurant la mise au point ne comporte plus que deux éléments.

À l’arrière du groupe frontal, on trouve les groupes de variation (course réduite à 29,6 mm) et de compensation dont les mouvements sont synchronisés par une came.

Fig 10 : AFS–Nikkor 180-400 mm f/4 E TC1.4 FL ED VR en configuration de distance focale maxi – Extender escamoté et extender actif.

À f/4, le diamètre du faisceau au passage du diaphragme d’ouverture, est de 34 mm seulement (Ø 38,5 mm pour le modèle précédent, Ø 55 mm pour le zoom de 1984).

Derrière le diaphragme d’ouverture, le groupe mobile de stabilisation de vergence négative (action inverse) et de sensibilité s = –1,33 est inclus dans un système quasiment afocal (G ≈ g ≈ 1).

Nota :

La sensibilité s du groupe de stabilisation augmente d’un coefficient égal au grandissement angulaire de l’extender (g = 1,4) lorsque ce dernier est actif, soit s = –1,86.

La distance focale ƒ’ du système ainsi constitué varie dans la plage : 413,8 mm ≤ ƒ’ ≤ 883,6 mm pour un Nombre d’ouverture N = 9,6. Un convertisseur arrière positif à quatre éléments (+ un filtre) achève le système. Son grandissement angulaire G = 2,254 induit une diminution de la distance focale et du Nombre d’ouverture N du système :

ƒmin’ = 413,8 / 2,254 = 183,6 mm ;

ƒmax’ = 883,6 / 2,254 = 392,0 mm ;

N = 9,3 / 2,254 = 4,1.

Fig 12 : AFS–Nikkor 180-400 mm f/4 E TC1.4 FL ED VR – Fonctionnement du variateur.

Remarque :

La grande différence de géométrie entre le faisceaux axial et le faisceau incliné est révélatrice d’un vignettage très sensible (bien supérieur celui des deux objectifs précédents).

La mise au point est assurée par le groupe intermédiaire divergent du groupe frontal. Une translation de 20 mm vers l’arrière rapproche le plan de mise au point de l’infini à 2 m (distance de mise au point mini).

Fig 13 : AFS–Nikkor 180-400 mm f/4 E TC1.4 FL ED VR – Mise au point à l’infini et mise au point à 2 m (distance de mise au point mini).

En configuration de mise au point mini (2 m), le grandissement transversal g du système est :

g = –0,12 pour ƒ’ nominale = 180 mm (et une distance focale effective ƒeff’ = 207,2 mm) ;

g = –0,25 pour ƒ’ nominale = 400 mm (et une distance focale effective ƒeff’ = 293,7 mm).

 

L’extender 1,4x.

Généralement, un extender (convertisseur interne) est un système afocal s’insérant dans un faisceau lumineux collimaté (voir cet exemple Canon). Ici, l’extender vient se loger dans un faisceau lumineux convergent ; il ne peut donc pas être afocal.

Lorsque l’extender est escamoté (Fig. 14-1 ci-dessous), l’image d’un point objet A infiniment éloigné sur l’axe optique se forme en A’, au-delà du plan image de l’objectif. Cette image A’ est reprise par le convertisseur positif qui forme l’image finale en F’ (foyer principal image de l’ensemble du système) sur le plan focal de l’objectif. Le point F’ est le conjugué de A’ à travers le convertisseur arrière positif.

AFS–Nikkor 180-400 mm f/4 E TC1.4 FL ED VR. Convertisseur arrière.

Fig 14-1 : F’ conjugué de A’ à travers le convertisseur positif.

Fig 14-2 : A” conjugué de A’ à travers l’extender ; F’ conjugué de A” à travers le convertisseur positif.

Lorsque l’extender est introduit dans le faisceau lumineux (Fig. 14-2), c’est lui qui reprend l’image A’. Il est conçu de manière à créer l’image intermédiaire A” précisément confondue avec A’ afin qu’elle puisse être reprise par le convertisseur arrière positif qui forme l’image finale en F’ sur le plan focal de l’objectif. Dans ces conditions, l’extender ne peut être que divergent ; ici, sa vergence est de –2,8 dioptries.

L’illustration suivante montre l’extender, considéré isolément, avec ses deux points principaux H et H’. Le faisceau incident d’angle d’ouverture u converge en A’, sur l’axe optique. Le faisceau émergent d’angle d’ouverture est u’ converge en A” (confondu avec A’). Le rapport des angles d’ouverture définit le grandissement angulaire G de l’extender :

G = u’ / u = 0,7

Fig 15 : AFS–Nikkor 180-400 mm f/4 E TC1.4 FL ED VR – Extender.

D’autre part, le faisceau incident convergent en B’, à une distance y de l’axe optique, émerge du système et converge en B”, à une distance y’ de l’axe optique. Le rapport de ces distances définit le grandissement transversal g de l’extender :

g = y’ / y = 1,4

En résumé, l’image A’B’ appartenant au plan P est reprise par l’extender qui créé une image A”B” sur le même plan, g fois plus grande que A’B’.

A”B” = A’B’ x g

Cette image A”B” est finalement reprise par le convertisseur arrière qui forme l’image finale agrandie g fois sur plan focal de l’objectif.

 

 

Le système optique de ce 180-400 est assurément très éloigné de celui du 200-400 qui initialisa la série en 1984...

Fig. 16 : Zoom-Nikkor 200-400 mm f/4 ED – Extrait d’un catalogue de 1988.

PT le 1/05/2021

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Pierre Toscani (2008-2021) • Photos, textes et illustrations ne sont pas libres de droits