Objectifs

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Zoom AF-S VR Nikkor 70-200mm f/2.8G

Effet des différents éléments mobiles du système optique du zoom Nikkor AF-S VR NIKKOR 70-200mm f/2.8G sur le faisceau lumineux axial et sur le faisceau lumineux le plus incliné.

Effect of the different moving parts of the AF-S VR Nikkor 70-200mm f/2.8G optical system on the axial light beam and on the most angled light beam.

Fig. 01 : Variation de la distance focale. Focal length variation.

Fig. 02 : Variation de la distance de mise au point. Focus distance variation.

Fig. 03 : Variation de l’ouverture. Aperture changing.

Fig. 04 : Déplacement du groupe de stabilisation. Stabilization group shifting.

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AF-S VR Micro-Nikkor 105mm f/2.8G (anatomie d'un objectif moderne)

Avec leur système optique sophistiqué, leur système de mise au point automatique très rapide, et leur module de stabilisation optique, la plupart des objectifs modernes sont des instruments optiques complexes. L'illustration ci-dessous présente un objectif de ce type. Ici, la mise au point est réalisée par les déplacements simultanés (de sens opposés) de deux groupes de lentilles placés de part et d'autre du diaphragme.

Lorsque la mise au point est effectuée manuellement, les parties colorées en orange et en rouge tournent autour de l'axe optique ; en mode de mise au point automatique (motorisé), seules les pièces colorées en rouge tournent.

Fig. 01 : Coupe simplifiée du Micro-Nikkor AF-S VR 105mm f/2.8G.

1 - Collecteur de détection de mise au point manuelle ;

2 - Stator du moteur piézoélectrique annulaire ;

3 - Rotor du moteur piézoélectrique annulaire ;

4 - Lumière de guidage du 1er groupe optique mobile ;

5 - Fourchette de couplage rotor / bague à piste magnétique ;

6 - Tube fixe ;

7 - Pion d’entraînement de la came ;

8 - Fenêtre de lecture de la distance de mise au point ;

9 - Réglette des index de distance de mise au point ;

10 - Collecteur de codage de la distance de mise au point ;

11 - Levier de manœuvre de l’iris (tronqué);

12 - Lumière de guidage du 2ème groupe optique mobile ;

13 – Gyromètre (tangage) ;

14 - Partie mobile du module de stabilisation ;

15 - Partie fixe du module de stabilisation ;

16 - Plot de liaison électrique avec le boîtier ;

17 - Collecteur d’alimentation du moteur piézoélectrique ;

18 - 1er groupe optique mobile ;

19 - Bague de mise au point manuelle ;

20 - Module diaphragme ;

21 - Bague à piste magnétique (contrôle rotation came) ;

22 - Vis de fixation du module diaphragme ;

23 - Tête de lecture piste magnétique ;

24 - Came

25 - Came de couplage de l’ouverture avec la position du 2ème groupe optique mobile ;

26 - Pion de verrouillage de la partie mobile du module de stabilisation ;

27 - 2ème groupe optique mobile ;

28 - Ressort de suspension de la partie mobile du module de stabilisation ;

29 - Bille de roulement de la partie mobile sur la partie fixe du module de stabilisation ;

30 - Carte électronique du module de stabilisation ;

31 - Carte électronique (gyromètres, piste magnétique,

       distance de mise au point, stabilisation, alimentation moteur, etc.).

Fig. 02 : Micro-Nikkor AF-S VR 105mm f/2.8G. Détails.

Bien que chacun des deux groupes d'éléments optiques assurant la mise au point soit placé de part et d'autre du diaphragme d’ouverture (fixe), une seule came permet la synchronisation des deux mouvements opposés. Le module du diaphragme est rendu solidaire du tube fixe par deux vis traversant des lumières usinées dans la came (une seule est représentée pour simplifier le dessin).

L'animation ci-dessous montre comment les lumières usinées dans la came provoquent le déplacement des deux groupes d'éléments optiques lorsque le moteur agit sur deux pions d'entraînement (un seul est représenté). Quelle que soit la distance de mise au point, la position relative de chacun des deux groupes d'éléments optiques est déterminée par la forme des lumières de la came. Leur usinage doit donc être réalisé avec une grande précision.

Fig. 03 : Synchronisation des mouvements des deux groupes d'éléments optiques mobiles de part et d'autre du diaphragme d’ouverture.

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Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 et Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED

(premiers zooms à grande amplitude de variation de la distance focale et à ouverture constante)

Directement inspirés des zooms de forte amplitude réalisés pour le cinéma dans les années 1960, les Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 et Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED sont les premiers zooms d’amplitude proche de 6 conçus pour la photographie.

La première version, commercialisée dès 1967, a fait l’objet de plusieurs évolutions (mécanique, traitement anti reflets et cosmétique) avant d’être retirée du marché en 1979. Durant ces 12 années de production, son système optique est resté inchangé. Constitué d’un variateur à une seule came et d’un convertisseur, cet objectif est relativement simple tant sur le plan optique que mécanique.

Fig. 01 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5.

Ce zoom comporte quatre groupes d’éléments distincts : trois pour le variateur, un pour le convertisseur.

Le variateur (assez classique) est constitué d’un groupe divergent mobile inséré entre deux groupes convergents fixes (voir figure suivante). Lorsque le groupe divergent est en position avancée, l’ensemble formé par les groupes #1 et #2 est de vergence négative : le variateur est en configuration divergent–convergent (distance focale = 32,4 mm). Lorsque le groupe divergent est en position arrière, l’ensemble formé par les groupes #2 et #3 est de vergence positive : le variateur est en configuration convergent–convergent (distance focale = 188,5 mm).

Rapport des distances focales du variateur : ƒ1max’ / ƒ1min’ = 5,8

Tous les éléments du variateur sont dimensionnés pour permettre le passage d’un faisceau générant un cône utile émergent de demi angle au sommet u1’ = 10,2° (soit N = 2.8) quelle que soit la position du groupe divergent. La stabilité de l’ouverture est assurée en plaçant le diaphragme à distance constante du foyer F1’.

Fig. 02 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 – Variateur à trois groupes.

Comme le montre la figure ci-dessus, la variation de la distance focale s’accompagne d’un glissement du foyer F1’ vers l’arrière. Ce déplacement (de 32,5 mm) décrit un “S” très aplati et caractéristique.

La solution adoptée pour stabiliser la position du foyer F1’ consiste à déplacer l’ensemble du variateur dans la direction opposée au déplacement du foyer (voir figure suivante) ; cette opération stabilise également la position du diaphragme d’ouverture. Le fait que les groupes #1 et #3 avancent simultanément pendant le déplacement vers l’arrière du groupe #2 contribue à réduire sensiblement la course absolue de ce dernier.

Cette méthode de compensation mécanique offre l’avantage d’être simple à réaliser, mais elle entraîne une variation de la longueur du barillet de l’objectif lors du changement de distance focale (∆L = 32,5 mm).

Fig. 03 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 – Système de compensation mécanique.

Le 4ème groupe (voir figure suivante) est un convertisseur de type divergent–convergent de vergence positive (+ 4,17 d). Sa position par rapport au foyer F1’ du variateur est telle que son grandissement angulaire est égal à G = 0,628. La distance focale de l’ensemble du système optique de l’objectif varie donc de 32,4 / 0,628 = 51,6 mm à 188,5 / 0,628 = 300 mm.

Fig. 04 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 – Système optique du convertisseur (groupe #4).

Cette architecture permet d’obtenir un zoom dont l’amplitude de variation de la distance focale atteint le rapport 5,8 x avec une ouverture constante : Nombre d’ouverture minimum N = 4.5 (2.8 / 0,628).

Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 – Système optique.

Fig. 05-1 : Configuré à la distance focale mini.

Fig. 05-2 : Configuré à la distance focale maxi.

Bien que le variateur de cette première version soit relativement compact, les dimensions importantes du convertisseur et le fait que la longueur du barillet varie avec la distance focale donnent à l’objectif un caractère encombrant et lourd. La version “ED” tend à corriger ces points (surtout le modèle Ais, bien plus léger).

Fig. 06 : Comparaison des Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 et Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED en configuration de distance focale mini et mise au point à l’infini.

Mise sur le marché en 1977, la version “ED”, existe sous trois formes différentes (modifications d‘ordre mécanique et cosmétique). Son système optique (comportant une lentille en verre de dispersion anormale et constringence élevée) est resté inchangé jusqu’à sa dernière année de commercialisation : 1999.

Fig. 07 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED Ais et boîtier Nikon FM.

Comme le modèle précédent, ce zoom est constitué d’un variateur à trois groupes d’éléments distincts et d’un convertisseur (groupe #4).

Son variateur est constitué d’un groupe convergent fixe, d’un groupe divergent mobile et d’un groupe convergent également mobile. Lorsque le groupe divergent est en position avancée, l’ensemble formé par les groupes #1 et #2 est de vergence négative : le variateur est en configuration divergent–convergent
1min’ = 33,9 mm).

Fig. 08 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED. Variateur à trois groupes.

Le déplacement vers l’arrière du groupe divergent induit un accroissement de la distance focale ƒ1’ de l’ensemble du variateur, et également un glissement du foyer F1’ vers l’arrière comme dans le cas précédent. Mais, ici, la stabilisation du foyer est assurée par le déplacement contrôlé du groupe convergent #3 seul (voir figure suivante). Le rapprochement des groupes #2 et #3 augmente la distance focale de cette association, provoquant un accroissement très sensible de la distance focale de l’ensemble du variateur (ƒ1max’ = 200,1 mm).

Rapport des distances focales du variateur : ƒ1max’ / ƒ1min’ = 5,9

Fig. 09 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED. Compensation mécanique par le groupe #3.

Tous les éléments du variateur sont dimensionnés pour permettre le passage d’un faisceau générant un cône utile émergent de demi angle au sommet u1' = 9,4° (soit N = 3.05) quelle que soit sa configuration. La stabilité de l’ouverture est assurée en plaçant le diaphragme d’ouverture à distance constante du foyer F1’.

Le 4ème groupe (voir figure suivante) est un convertisseur divergent de vergence –3,86 d. Sa position par rapport au foyer F1’ du variateur est telle que son grandissement angulaire est égal à G = 0,677. Ainsi, la distance focale de l’ensemble du système optique de l’objectif varie de 50,0 mm à 295,2 mm.

Fig. 10 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED. Système optique du convertisseur (groupe #4).

Plus compact, de longueur constante lors des changements de distance focale, et sensiblement plus léger, ce zoom est également plus performant que la version précédente grâce à une conception optique et mécanique plus moderne.

Fig. 11 : Zoom-Nikkor 50-300mm f/4.5 ED. Système optique et fonctionnement du variateur.

Remarque :

Sur ces deux zooms, la mise au point est effectuée par déplacement du groupe convergent frontal seul. Le barillet du Zoom-Nikkor 50-300 mm f/4.5 s’allonge ainsi de 15,5 mm supplémentaires en configuration de mise au point mini (2,5 m ; g = –0,153 ou 1/6,5). Dans les mêmes conditions, la version “ED” s’allonge de 13,2 mm (g = –0,144 ou 1/6,9).

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AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D

Fig. 01 : AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D.

Premier télézoom à atteindre le grandissement g = –0,75 à la distance de mise au point de 0,37 m, cet objectif est également original par l’architecture de son système optique : le variateur est placé derrière l’objectif primaire (on observe généralement l’inverse pour ce type d’objectif).

AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D – Système optique.

Fig. 02-1 : Distance focale nominale 70 mm.

Fig. 02-2 : Distance focale niminale 180 mm.

La figure suivante présente l’objectif primaire de ce zoom. Constitué des groupes frontaux #1 et #2, c’est un téléobjectif inversé très élaborés (9 éléments) de distance focale ƒp’ = 94 mm –en configuration de mise au point à l’infini. Le groupe divergent #1 est mobile ; son déplacement vers l’avant abaisse la distance focale ƒp’ jusqu’à la valeur de 55,5 mm. Le groupe convergent #2 étant fixe, cette réduction de la distance focale est mise à profit pour maintenir la position du plan image de l’objectif primaire lorsque le plan objet se rapproche (voir zooms rétrofocus à deux groupes).

La course du groupe divergent #1 (plus de 34 mm) permet de maintenir la position du plan image pour tout point objet situé entre l’infini et 125 mm depuis la lentille frontale. À cette distance, on a :

gp = –0,406 (grandissement transversal maxi de l’objectif primaire).

Fig. 03 : AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D – Les deux premiers groupes d’éléments constituent l’objectif primaire de ce télézoom.

Cet objectif primaire peut être considéré comme un rétrofocus “macro” à mise au point frontale.

Dans un montage tel que celui-ci, le groupe convergent arrière détermine la pupille de sortie. Ce groupe étant fixe, la pupille de sortie l’est aussi. L’ouverture numérique du primaire ne dépend que du diamètre de ce groupe d’éléments ou de tout autre diaphragme plus limitant situé derrière ce groupe (diaphragme d’ouverture). L’ouverture numérique du primaire est indépendante de la position du groupe frontal : le Nombre d’ouverture N du primaire ne varie pas avec la mise au point.

Les groupes arrières #3 et #4 forment le variateur ; tous deux sont mobiles (voir figure suivante). La vergence de ce couple divergent–convergent varie fortement avec la distance ∆ de séparation des deux groupes (de +8,8 à –10,7 dioptries pour ∆ variant de 44,9 mm à 3,6 mm). La vergence s’annule lorsque ∆ = 26,3 mm ; le variateur est alors afocal.

Fig. 04 : AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D – Les deux groupes d’éléments arrières constituent le variateur.

Par construction, l’objectif primaire est positionné de manière à ce que son foyer principal image Fp’ soit précisément à 58,7 mm en avant du plan image du zoom.

La position du variateur au sein du système est telle que tout rayon incident porté par une droite faisant un angle uv avec l’axe optique et passant par Fp’ (foyer principal image du primaire) émerge porté par une droite d’angle uv’ coupant l’axe optique en F’ (foyer principal image du zoom).

Cette exigence est respectée quelle que soit la valeur de ∆. Ceci détermine la loi de déplacement de chacun des deux groupes du variateur (voir figure suivante).

Le rapport uv’ / uv détermine le grandissement angulaire Gv du variateur. Il varie de Gv = 1,306 (∆ maxi) à Gv = 0,539 (∆ mini).

Fig. 05 : AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D – Fonctionnement du variateur.

Ce variateur n’est autre qu’un convertisseur arrière à grandissement angulaire variable.

Le diaphragme est naturellement placé au plus près du groupe le plus limitant situé à l’arrière de l’objectif primaire.

En configuration de mise au point à l’infini, la distance focale ƒ’ de l’ensemble du système optique de l’objectif est égale au rapport de la distance focale ƒp’ de l’objectif primaire sur le grandissement angulaire Gv du variateur. Elle varie donc de 70,1 mm à 174,6 mm.

AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D – Variateur et mise au point.

Fig. 06-1 : Distances focales à l’infini.

Fig. 06-2 : Grandissement à la mise au point mini.

En configuration de mise au point sur une distance finie, la valeur du grandissement transversal g du zoom est égale au grandissement transversal gp de l’objectif primaire sur le grandissement angulaire Gv du variateur. Il varie donc de –0,3 à –0,75.

 

Nota :

Voir cette page sur le fonctionnement des convertisseurs.

AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D en configuration de mise au point mini.

Fig. 07-1 : Distance focale effective à la distance focale nominale de 70 mm.

Fig. 07-2 : Distance focale effective à la distance focale nominale de 180 mm.

Si le déplacement du groupe frontal lors de la mise au point a une forte influence sur la distance focale du système (voir figure ci-dessus), il est sans effet sur le Nombre d’ouverture N. C’est une caractéristique intéressante de ce système (voir animation ci-dessous).

Fig. 08 : AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180mm F4.5-5.6D – Le Nombre d’ouverture N ne varie pas avec la distance de mise au point.

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