Objectifs divers (B)

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

Un zoom à compensation optique.

Dans l’Histoire du zoom* les systèmes à compensation mécanique occupent une place largement dominante. Cependant, les systèmes à compensation optique ont aussi connu leur heure de gloire. Parenthèse éphémère dans l'Histoire, sans doute (une trentaine d’années), mais bien réelle…

La parenthèse s’ouvre en 1946 lorsque le docteur Frank Back met au point son Zoomar 17-53 mm f/2.9 à compensation optique pour caméra 16 mm (22 lentilles !). Puis, en 1950, la sortie du Pan Cinor 20-60 mm f/2.8 de Roger Cuvillier, plus compact (8 lentilles) et plus performant, confirme la validité du système. Rapidement proposé en différentes versions couvrant tous les formats de prise de vues cinéma, il connaît un véritable succès commercial.

* Voir “Naissance et premiers usages du zoom” (Positif, 2008/02) par Priska Morrissez.

Fig. 01 : Extrait d’un article du magazine “American Cinematographer” de mars 1947.

Dans le domaine de la photographie au format 24x36 mm, c’est en mai 1959 qu’apparaît le Zoomar 36-82 mm f/2.8 de Frank Back en monture Voigtländer Bessamatic et Exacta (plus tard, il sera également proposé en monture 42 mm à vis et Kodak Retina).

Lors de son lancement, le zoom à compensation optique est plus simple (mécaniquement), plus léger et plus performant que ces prédécesseurs à compensation mécanique, car dépourvu des divers systèmes de leviers, roues dentées et autres vis sans fin permettant de compenser la perte de mise au point induite par la variation de la distance focale. En contrepartie, les contraintes de vergence et d’espacement s’appliquant aux éléments du variateur de champ afin d’assurer la compensation optique réduisent sévèrement les possibilités de correction des aberrations sur toute la plage de variation de distance focale, limitant, de fait, l’amplitude de cette plage de variation à 4x au maximum. Ainsi, dès la fin des années 1950, alors que le développement des systèmes à compensation optique reste limité par leur principe même, les systèmes à compensation mécanique tirent pleinement profit des progrès réalisés dans les domaines de la mécanique et de l’optique. En outre, le système à compensation mécanique est désormais moins encombrant qu’un système à compensation optique équivalent. À la fin des années 1970, la parenthèse du zoom à compensation optique se ferme définitivement.

Présentation succincte d’un des derniers zooms à compensation optique.

En principe, le variateur de champ à compensation optique comprend trois ou quatre groupes d’éléments, ceux-ci étant alternativement positifs (convergents) et négatifs (divergents). Deux groupes d’éléments de même signe sont mobiles ; liés mécaniquement de manière rigide, ils se déplacent dans le même sens, et de la même quantité (d’où la grande simplicité mécanique du système). Le variateur de champ peut être afocal, convergent, ou divergent.

La figure suivante présente un variateur de champ convergent à trois groupes d’éléments. La position du foyer décrit un S qui détermine trois points de compensation (un système à quatre groupes d’éléments présente quatre points de compensation et une courbe beaucoup plus plate).

Fig. 02 : Variateur de champ du zoom à compensation optique Canon New FD 70-150 mm f/4.5.

Si les éléments du variateur de champ sont suffisamment dimensionnés, l’ouverture géométrique du système demeure constante.

 

Afin de diminuer sensiblement l’amplitude de variation de la position du foyer principal image Fv’ du variateur de champ on place derrière lui un groupe d’éléments de forte vergence positive (objectif primaire). L’oscillation du foyer n’est pas gênante tant qu’elle s’inscrit dans la profondeur de foyer. La distance focale et le Nombre d’ouverture N de l’ensemble sont alors inférieurs à ceux du variateur seul.

Fig. 03 : Système optique du Canon New FD 70-150 mm f/4.5.

La figure animée suivante permet de comparer le fonctionnement du Canon New FD 70-150 mm f/4.5 à compensation optique, commercialisé en 1979, à celui de son concurrent direct, le Nikon Series E 75-150 mm f/3.5 à compensation mécanique commercialisé une année plus tard (variateur de champ afocal).

Fig. 04 : Comparaison des deux systèmes de compensation (optique et mécanique).

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

Reflex-Nikkor 500 mm f/8 Ai

Proposé par Nikon de 1983 à 2005, ce 500 mm est le dernier catadioptrique de la marque. Il est intéressant car il permet de mettre en évidence la grande différence qui peut exister entre ouverture nominale et ouverture géométrique.

Sur ce type d’objectif, l’obstruction de la pupille d’entrée par le miroir secondaire explique sa forme annulaire. En configuration de mise au point à l'infini, le demi angle d’ouverture du cône utile émergent est de 4,3°, ce qui correspond à un Nombre d’ouverture N = 6,7. C’est cette valeur qui doit être utilisée dans les calculs de profondeur de champ.

Cependant, ce Nombre d’ouverture N = 6,7 n’est pas représentatif de l’éclairement reçu par le capteur puisque la partie centrale du cône utile émergent est aveugle.

Reflex-Nikkor 500 mm f/8 Ai – Système optique.

Fig. 01-1 : Configuration de mise au point à l'infini.

Fig. 01-2 : Mise au point à la distance minimum (1,5 m).

Le calcul de correction proposé Fig. 01-1 (ci-dessus) permet de déterminer le Nombre d’ouverture Ncorrigé représentatif de l’éclairement du capteur. Il s’agit d’une approximation basée sur le rapport de variation de la surface de la pupille d’entrée induite par le miroir secondaire.

Nota :

Approximation, car en procédant ainsi, on considère que tous les rayons lumineux du cône utile émergent transmettent la même quantité d’énergie au capteur. Or, l’énergie transmise par un rayon est proportionnelle au cosinus de son angle d’incidence. La partie aveugle du cône utile émergent étant plus proche de l’axe optique que la partie périphérique, le Nombre d’ouverture Ncorrigé = 8,2 obtenu est une valeur par défaut. L’angle au sommet du cône utile émergent étant faible, on peut considérer ce résultat comme étant très satisfaisant en pratique.

Dans la dénomination de l’objectif “Reflex-Nikkor 500 mm f/8”, le Nombre d’ouverture N = 8 est donc une valeur nominale arrondie corrigée de la partie centrale aveugle de la pupille d'entrée.

Nota :

Ce Nombre d’ouverture Ncorrigé = 8,2 ne correspond pas au Nombre d'ouverture photométrique NT de l’objectif, car il ne tient compte ni de la transmittance des éléments, ni de la réflectance des deux miroirs. En configuration de mise au point à l’infini, le Nombre d'ouverture photométrique de l’objectif est proche de NT = 9.5.

Autre point intéressant : la forme annulaire de la pupille d’entrée se retrouve dans les taches floues créées sur l’image par les objets lumineux ponctuels situés en dehors du plan de mise au point (voir figure suivante).

Reflex-Nikkor 500 mm f/8 Ai – Système optique.

Fig. 02-1 : Section de la pupille d'entrée du faisceau axial.

Fig. 02-2 : Section de la pupille d'entrée du faisceau d’inclinaison extrême.

À la périphérie de l’image, ces anneaux apparaissent sous formes de croissants fermés dont l’orientation dépend de la position du point objet par rapport au plan de mise au point. Lorsque la partie épaisse du croissant est orientée vers le centre de l’image, l’objet correspondant est situé en deçà du plan de mise au point. Lorsque la partie épaisse du croissant est orientée vers l’extérieur de l’image, l’objet correspondant est situé au-delà du plan de mise au point.

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

Repro-Nikkor 85 mm f/1.0

Le Repro-Nikkor 85 mm f/1.0 est un objectif symétrique de haute résolution, conçu pour la reproduction de documents sur film 24x36 mm en lumière visible, au grandissement g = –1 ± 0,1. Avec une monture à vis de 53 mm et un tirage mécanique de près de 66 mm, cet objectif destiné aux professionnels de la reproduction nécessite une bague d’adaptation pour pouvoir être utilisé sur un boîtier photographique classique. Rare (et cher), il est apprécié par quelques photographes adeptes de proxy-photographie.

Fig. 01 : Repro-Nikkor 85 mm f/1.0.

Le système optique du Repro-Nikkor 85 mm f/1.0 est parfaitement symétrique. En conditions d’utilisation normales (g = –1), et à pleine ouverture, le demi angle au sommet u’ du cône utile émergent correspond au Nombre d’ouverture effectif Neff = 2.0 (voir “Mise au point rapprochée” – Nombre d’ouverture effectif Neff). Le diamètre du diaphragme d’ouverture est alors de 24 mm.

La figure suivante présente le système optique de l’objectif et rappelle la relation entre le Nombre d’ouverture effectif Neff et le Nombre d’ouverture N. Comme il se doit, c’est ce dernier qui apparaît dans la dénomination de l’objectif : Repro-Nikkor 85 mm f/1.0.

Fig. 02 : Repro-Nikkor 85 mm f/1.0 – Système optique.

Les pupilles d’entrée (en bleu) et de sortie (en rouge) du faisceau axial à pleine ouverture sont représentées figure suivante. L’objectif étant symétrique par rapport au diaphragme d’ouverture, le centre des pupilles est confondu avec le point principal correspondant (voir “Diaphragme, pupilles et ouvertures” – Fig. 15).

Ces pupilles, très incurvées, sont situées en dehors du système optique, donc relativement loin des plans objet et image. Cet éloignement n’explique cependant pas la faible incidence moyenne des faisceaux éclairant les bords du champ image (le rayon principal des faisceaux les plus inclinés ne passe d’ailleurs pas par le centre des pupilles du faisceau axial).

Fig. 03 : Repro-Nikkor 85 mm f/1.0 – Pupilles d’entrée et de sortie du faisceau axial (à pleine ouverture).

La faible incidence moyenne des faisceaux éclairant les bords du champ image est due à l’importante distorsion pupillaire de cet objectif. La distorsion de la pupille de sortie est mise en évidence par l’animation suivante (obtenue par tracé inverse des rayons). Dans cette animation, le diaphragme d’ouverture est d’abord fermé à N = 4.8 de manière à ce que lui seul détermine la géométrie de la pupille (plus de vignetage optique à partir de cette ouverture). Ceci n’a évidemment aucune influence sur sa position et son inclinaison.

Nota :

L’objectif étant symétrique par rapport au diaphragme d’ouverture, les pupilles d’entrée et de sortie sont strictement symétriques par rapport au centre du diaphragme d’ouverture.

Fig. 04 : Repro-Nikkor 85 mm f/1.0 – Distorsion pupillaire – Position de la pupille de sortie en fonction de la hauteur du point image.

Les objectifs de prise de vues photographiques qualifiés parfois de “télécentriques” ou “quasi télécentriques” sont, en fait, des objectifs qui, comme ce 85 mm, montrent simplement une forte distorsion pupillaire.

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

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

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