Téléobjectifs (principes de mise au point)

Fig. 01 : Dernier représentant de la famille des téléobjectifs “vrais” de la marque Nikon, le Nikkor-ED 180 mm f/2.8 Ais fut retiré du marché en 2005.

Inventé en 1891, le téléobjectif était initialement un objectif de longue distance focale constitué de deux groupes d’éléments distincts : un groupe convergent, en position frontale, et un groupe divergent à l’arrière. Par rapport aux objectifs désignés “longues focales” constitués d’un groupe convergent unique, le système optique du “téléobjectif” peut être plus compact à distance focale égale, et permet un meilleur contrôle des aberrations.

Le système optique du téléobjectif est resté très répandu jusqu’aux années 1980, puis il commença à décliner au profit de systèmes plus sophistiqués, et la généralisation de la mise au point automatique le fit rapidement disparaître des catalogues des grandes marques. Aujourd’hui, l’expression “longue focale” ou le mot “téléobjectif” désignent indifféremment tout objectif de distance focale sensiblement supérieure à la diagonale du format, quel que soit le type de système optique adopté.

Fig. 02 : Comparaison des rapports téléobjectifs d’une “longue focale” et d’un “téléobjectif”, tous deux de 300 mm de distance focale.

Parmi les progrès qui marquèrent l’évolution des objectifs de longue distance focale au cours des dernières décennies (verre et cristaux à dispersion anormale, mise au point automatique, stabilisation optique, etc.), l’élaboration de systèmes de mise au point n’impliquant pas le déplacement de l’ensemble du bloc optique fut certainement l’un des plus décisifs. Ces nouveaux systèmes de mise au point permirent non seulement d’alléger la masse et la silhouette des téléobjectifs modernes, mais également de faciliter l’opération manuelle de mise au point, puis la généralisation de la mise au point automatique (autrement impossible sur ce type d’objectifs). Cette étude, en deux parties, présente quelques unes des nombreuses techniques de mise au point utilisées sur les téléobjectifs d’hier et d’aujourd’hui.

Fig. 03 : Nikkor-ED 180 mm f/2.8 Ais. Bien que relativement simple, le système optique du téléobjectif peut être très performant.

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Première partie : les téléobjectifs de type convergent-divergent.

Jusqu’à la fin des années 1970, la quasi totalité des objectifs de longue distance focale était de type convergent-divergent. Aujourd’hui, ils ont disparu des catalogues des grands fabricants, et seuls quelques modèles “premier prix” vendus par des marques asiatiques peu connues subsistent encore sur le marché. Mais de nombreux photographes utilisent toujours avec bonheur d’anciens modèles, parfois très performants.

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1  Relation de conjugaison (rappel).

Dans certaines conditions, il est possible d’assimiler la totalité du système optique d’un objectif de distance focale donnée à une lentille mince convergente de même distance focale. Les positions relatives de l’objet et de son image de part et d’autre de la lentille obéissent à la relation de conjugaison donnée à la figure suivante, avec :

AB , objet

A’B’ , image

F , foyer principal objet

F’ , foyer principal image

O , “centre optique” de la lentille convergente

ƒ , distance focale objet

ƒ’ , distance focale image, avec lƒ’l = lƒl

p , distance entre objet et lentille convergente

p’, distance entre lentille convergente et image

D , distance entre objet et image (ou distance de mise au point)

Fig. 04 : Relation de conjugaison.

Il en découle que lorsque la distance p entre l’objet et la lentille varie, la conjugaison peut être maintenue de deux manières :

  • à distance focale ƒ’ constante, en faisant varier la distance p’ ;
  • à distance p’ constante, en faisant varier la distance focale ƒ’.

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2  Mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique (p’ variable).

La relation de conjugaison montre que, à distance focale ƒ’ constante, p’ varie dans le sens contraire de p. Ainsi, lorsque p tend vers l’infini, alors p’ tend vers sa valeur minimale (soit p’ mini = ƒ’). Et lorsque p tend vers sa valeur minimale compatible avec l’obtention d’une image réelle (soit p mini = ƒ), alors p’ tend vers l’infini.

p’ est donc toujours égal ou supérieur à ƒ’.

L’image d’un objet situé à l’infini se forme dans le plan perpendiculaire à l’axe optique passant par le foyer principal image F’. L’image d’un objet situé à distance finie se forme au-delà de F’, dans le plan perpendiculaire à l’axe optique passant par A’ (voir figure 4). La distance A’F’ est d’autant plus importante que l’objet est proche.

Pour réaliser la mise au point sur un objet situé à une distance finie, la distance entre l’objectif et le capteur doit donc être augmentée de la distance A’F’.

Cette extension est définie par la relation (en valeurs algébriques) : A’F’ = g . ƒ’

dans laquelle g est le grandissement transversal défini par le rapport de la dimension de l’image sur la dimension correspondante de l’objet (en valeurs algébriques) : g = A’B’ / AB

À grandissement transversal g constant, l’extension A’F’ est donc directement proportionnelle à la distance focale ƒ’. Ceci explique pourquoi les longs téléobjectifs à système de mise au point classique (p’ variable) nécessitent de fortes extensions à distance de mise au point réduite.

L’extension A’F’ ne varie pas linéairement avec la distance de mise au point D ; elle croît très faiblement lorsque la distance du point objet A est importante, puis de plus en plus rapidement au fur et à mesure qu’il se rapproche. La figure suivante illustre cette variation de l’extension A’F’ en fonction de la distance de mise au point D pour des objectifs de 50, 100, 200 et 400 mm de distance focale.

Fig. 05 : Variation de l’extension A’F’ en fonction de la distance de mise au point D.

Ainsi, par exemple, pour une mise au point sur un objet situé à une distance de 5 m, l’extension nécessaire est de 0,5 mm pour un objectif de 50 mm de distance focale, et de 38,4 mm pour un 400 mm.

D’autre part, une extension de 50 mm assure un grandissement g = -1 avec un objectif de 50 mm de distance focale. La même extension ne permet d’obtenir que g = -0,125 avec un 400 mm.

Pour maintenir le plan image à la surface du capteur quelle que soit la distance de l’objet, la manière la plus simple consiste à déplacer la totalité du système optique de l’objectif d’une quantité égale à l’extension A’F’. Cette méthode permet d’atteindre couramment des valeurs de grandissement comprises entre g = -0,1 et g = -0,2 (soit 7ƒ’ ≤ D ≤ 12ƒ’ environ).

De nombreux objectifs de focale fixe, grands angulaires et normaux, fonctionnent toujours de cette manière.

Remarque :

Depuis la fin des années 1960, certains de ces objectifs bénéficient d’un système de correction des aberrations aux distances de mise au point rapprochées (“lentilles flottantes”) qui altère légèrement la distance focale au cours de la mise au point. Leur principe de fonctionnement reste cependant inchangé.

Objectif Nikkor-ED 180 mm f/2.8s (1981). Mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique de l’objectif.

Fig. 06-1 : Mise au point sur l’infini.

Fig. 06-2 : Mise au point à 1,8 m.

Sur les téléobjectifs de distance focale supérieure à 200 mm, le lourd et volumineux mécanisme à une ou deux rampes hélicoïdales assurant l’extension du barillet avec précision et rigidité ralentit l’opération de mise au point. Pour contenir la masse des éléments mécaniques et pour maintenir les performances optiques de ces objectifs, leur distance de mise au point mini est généralement limitée à une valeur relativement lointaine, d’où un grandissement maxi relativement faible (en valeur absolue).

Objectif Olympus Zuiko Auto-T 300 mm f/4.5 (1974). Mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique de l’objectif.

Fig. 07-1 : Mise au point sur l’infini.

Fig. 07-2 : Mise au point à 3,5 m.

Sur les téléobjectifs les plus lourds, le système de mise au point agit par recul du boîtier photographique plutôt que par avancement du bloc optique (voir figure suivante).

Objectif Nikkor 600 mm f/5.6 ED (1975). Mise au point par déplacement du boîtier photographique (masse de l’objectif : 4,7 kg).

Le bloc optique peut être remplacée par un 400 mm f/4.5, un 800 mm f/8, ou un 1200 mm f/11.

Fig. 08-1 : Mise au point sur l’infini.

Fig. 08-2 : Mise au point à 11 m.

Certains constructeurs (Leica, Novoflex) proposèrent des “longues focales” comportant un système de mise au point à tubes coulissants (sans aucune pièce en rotation). Plus légers et plus rapides à manœuvrer que les systèmes à rampes hélicoïdales, ces systèmes ne s’imposèrent pas.

Les systèmes de mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique de l’objectif (rampes hélicoïdales ou tubes coulissants) sont mal adaptés aux téléobjectifs car :

  • la masse des éléments optiques et mécaniques à déplacer ralentit beaucoup la mise au point manuelle et s’avère totalement incompatible avec une mise au point motorisée réactive (autofocus) ;
  • le contrôle des aberrations sur toute la plage de variation de la distance de mise au point par éléments flottants (facilement réalisable sur les objectifs de distance focale réduite) est difficile à mettre en œuvre sur un téléobjectif sans alourdir encore sa partie mécanique déjà massive.

À partir des années 1970, les systèmes de mise au point par déplacement de la totalité du bloc optique des téléobjectifs (p’ variable) furent progressivement abandonnés au profit de systèmes à distance focale ƒ’ variable, ou de systèmes encore plus élaborés. Aujourd’hui, sur la quasi totalité des objectifs de longue distance focale, la mise au point s’effectue par le déplacement d’un nombre très réduit d’éléments au sein du système optique.

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3  Mise au point par variation de la distance focale du système optique (ƒ’ variable).

La conjugaison des plans objet et image peut être assurée à p’ constant en faisant varier la distance focale ƒ’ du système optique. La position du plan image est alors fixe par rapport à un élément au moins du système.

L’illustration suivante présente le principe de fonctionnement d’un objectif à mise au point par variation de la distance focale. L’image d’un objet situé à l’infini se forme au foyer principal F’, à la distance p’ du système optique. Pour que l’image d’un objet A, situé à une distance finie se forme toujours à la distance p’ du système optique, il suffit de réduire sa distance focale depuis la valeur ƒ’ jusqu’à la valeur ƒ’’.

Fig. 09 : Principe de la mise au point par variation de la distance focale f’ du système optique.

La distance focale du système varie donc entre une valeur maxi ƒ’, lorsque la mise au point est sur l’infini (distance focale nominale de l’objectif), et une valeur mini ƒ’’, à la distance de mise au point la plus courte.

Avec ses deux groupes d’éléments distincts, le téléobjectif s’adapte relativement bien à ce principe de fonctionnement car la distance focale d’un tel système dépend :

  • de la vergence de chacun des deux groupes,
  • de la distance qui les sépare.

Il est donc possible de modifier la distance focale d’un téléobjectif simplement en faisant varier la distance de séparation des deux groupes d’éléments qui le constituent. D’ailleurs, le “zoom à deux groupes” de type convergent-divergent fonctionne précisément selon ce principe.

Rappel :

Le schéma classique de deux systèmes convergents associés (figure suivante) permet d’établir les relations donnant la position des points cardinaux de l’ensemble.

Position des foyers principaux d’une combinaison de deux systèmes optiques centrés.

Fig. 10-1 : Foyer principal objet.

Fig. 10-2 : Foyer principal image.

L’intervalle optique ∆ est une caractéristique importante de l’association : il détermine sa distance focale ƒ’. Ainsi, il est possible de faire varier ƒ’ en modifiant cet intervalle optique.

La figure suivante présente un système convergent-divergent (téléobjectif) schématisé de manière identique (bien entendu, les expressions précédentes restent valides).

Fig. 11 : Position des foyers principaux d’un système convergent-divergent.

La vergence des éléments (ou groupe d’éléments) 1 et 2 et la distance qui les sépare déterminent la position de leurs foyers respectifs F1’ et F2 et la valeur de l’intervalle optique ∆. La figure suivante illustre la manière dont la distance focale ƒ’ d’un système convergent-divergent évolue avec la distance de séparation.

La zone rosée met en évidence une plage de variation de l’espace inter éléments de 18 mm (d = 70 à 52 mm) correspondant à une variation de la distance focale ƒ’ de 160 mm à 250 mm (la position des éléments correspondant à ƒ’ = 250 mm est indiquée en grisé).

Fig. 12 : Principe du zoom à deux groupes (convergent-divergent) - Courbes caractéristiques.

Ce diagramme est représentatif du fonctionnement d’un “zoom à deux groupes” de type convergent-divergent : la distance focale ƒ’ du système varie sans déplacement du foyer principal image F’. La distance focale croît lorsque les éléments 1 et 2 s’éloignent du plan image en se rapprochant l'un de l'autre.

On constate que :

  • la distance entre l’élément 2 et le foyer image F’ du système est directement proportionnelle à la distance focale ƒ’ du système ;
  • la distance entre l’élément 2 et le foyer image F’ du système est nulle lorsque l’espace inter éléments est égal à la distance focale de l’élément frontal ƒ1’ ;
    la distance focale ƒ’ du système est alors égale à ƒ1’.

Les zooms téléobjectif à deux groupes sont assez rares. L’illustration suivante présente un exemple de téléobjectif fonctionnant selon ce principe. Ce zoom atypique présente la particularité de comporter un groupe convergent frontal catadioptrique. Pour obtenir une variation de la distance focale de l’ensemble de 412 mm à 601 mm, la distance de séparation des deux groupes ne varie que de 6,1 mm (de 9,1 mm à 3 mm).

SMC Pentax Reflex Zoom 400-600 mm f/8-12.

Fig. 13-1 : Distance focale 400 mm.

Fig. 13-2 : Distance focale 600 mm.

Sur ce zoom, la mise au point est réalisée par variation de la vergence du groupe frontal (voir figure suivante).

SMC Pentax Reflex Zoom 400-600 mm f/8-12.

Fig. 14-1 : Configuration de mise au point à l’infini.

Fig. 14-2 : Configuration de mise au point mini (3 m).

Dans un zoom à deux groupes, nous avons vu (figure 12) que la fixité du foyer image F’ lorsque la distance focale varie est assurée par les mouvements coordonnés des deux groupes d’éléments. Si un seul groupe assure la variation de la distance focale (l’autre restant fixe), alors la position du foyer principal F’ varie. C’est cette propriété qui est mise à profit pour réaliser la mise au point avec certains téléobjectifs, conformément au principe présenté figure 09.

Le déplacement du foyer principal F’ peut être obtenu par la translation du groupe frontal seul —on parle alors de mise au point frontale—, ou par la translation du groupe arrière seul —c'est la mise au point arrière.

Remarque :

Dans cet article, deux méthodes présentent comment obtenir la position des points cardinaux d’une combinaison de deux systèmes :

  • soit, d’après la position relative des points cardinaux de chacun des deux systèmes ;
  • soit d’après la position des points cardinaux du premier système et le grandissement angulaire du second.

Les deux méthodes sont équivalentes et produisent des résultats identiques à ceux obtenus par tracé de rayons (3ème méthode).

3.1  Mise au point frontale.

 

La figure suivante reprend le couple d’éléments utilisé à la figure 12, mais cette fois l’élément divergent arrière est fixe ; la variation de l’espace inter éléments est assurée par la translation de l’élément frontal seul. On remarque que le foyer principal image F’ se déplace alors dans le même sens que l’élément frontal : lorsque celui-ci avance, la distance focale ƒ’ du système diminue et le foyer image F’ avance.

Fig. 15 : Principe du téléobjectif à mise au point frontale - Courbes caractéristiques.

Le plan image est placé et maintenu au foyer du système lorsque celui-ci est en configuration de distance focale maxi : espace inter éléments minimum (ƒ’ = 250 mm - lentille frontale en grisé). La diminution de la distance focale ƒ’ induite par le déplacement de l’élément frontal vers l’avant entraîne un déplacement du foyer F’ dans le même sens et, par conséquent, un rapprochement du plan objet. Dans cet exemple, en déplaçant l’élément frontal de 4 mm, le foyer F’ avance de plus de 22 mm.

Par rapport aux téléobjectifs à mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique, les téléobjectifs à mise au point frontale sont de conception plus simple et plus légère (tant que l’ouverture reste modeste, ce qui est généralement le cas). Néanmoins, ce principe de fonctionnement est peu utilisé car il présente les inconvénients suivants :

  • la longueur physique de l’objectif varie avec la mise au point ;
  • la correction des aberrations résiduelles du groupe convergent frontal par le groupe divergent arrière est fortement contrariée par la variation de l’espace inter groupes ;
  • difficulté de concevoir un système convergent divergent à espace inter groupes variable qui soit également compact (rapport téléobjectif toujours relativement élevé).

De nombreux téléobjectifs 400 mm f/6.3 et 500 mm f/8 de prix modeste fonctionnent selon ce principe. Fabriqués en Extrême Orient, ils sont commercialisés depuis de nombreuses années sous les marques Accura, Beroflex, Danubia, Quantaray, Samyang, Spiratone, etc.

Fig. 16 :

Téléobjectif à mise au point frontale Samyang 500 mm f/8.

En fait, l’exemple le plus courant de téléobjectif à mise au point frontale est indubitablement constitué par l’association d’un objectif à mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique et d’un convertisseur arrière négatif fixe (téléconvertisseur). En effet, lorsqu’on associe un objectif (vergence positive) à un convertisseur arrière négatif (vergence négative par définition), on obtient un système convergent-divergent. Or, dans cette combinaison, c’est le déplacement du bloc optique de l’objectif seul qui assure la mise au point (le convertisseur arrière restant fixe par rapport au capteur d’image). L’ensemble constitue donc un téléobjectif à mise au point frontale.

Pour mémoire :

Principe de fonctionnement du convertisseur arrière négatif.

Fig. 17 : Principe de fonctionnement du convertisseur arrière négatif (Nikon TC-14A).

Soit un système de vergence négative (convertisseur arrière négatif) de foyer principal objet F. Tout rayon incident porté par une droite formant un angle u avec l’axe optique et coupant ce dernier en C (C étant situé en deçà de F) émerge du système sous un angle u’ et coupe l’axe optique en C’. Le point C’ est l’image de C (C’ est le conjugué de C, et inversement).

On définit le grandissement angulaire G du système par la relation :

G = u’ / u

Le grandissement angulaire est une caractéristique fondamentale du convertisseur arrière. Le grandissement transversal g du système est égal à l’inverse du grandissement angulaire :

g = 1 / G

Les points C et C’ définissent deux plans, P et P’, perpendiculaires à l’axe optique. Tous les points appartenant à P ont une image correspondante dans P’. La distance ∆P séparant les plans P et P’ est une autre caractéristique fondamentale du convertisseur. Le point D’ appartenant au plan P’ est l’image du point D appartenant au plan P. Le grandissement transversal g du système est également défini par le rapport :

g = C’D’ / CD

Le grandissement transversal g d’un convertisseur arrière est gravé sur son barillet sous forme d’un “coefficient multiplicateur” (par exemple :
“2x” pour g = 2, ou “1,4x” pour g = 1,4). g est positif car image et objet sont de même sens.

Fig. 18 : Association Nikon 50mm f/1.8 + convertisseur arrière négatif (Nikon TC-14A).

En positionnant le système optique du convertisseur à l’arrière d’un objectif de manière à ce que l’image issue de ce dernier coïncide avec le plan P, on obtient une nouvelle image dans le plan P’.

Les plans P et P’ déterminent la position respective des faces d’appui des baïonnettes frontale et arrière du convertisseur. Si les tirages mécaniques sont égaux, la distance entre les faces d’appui des baïonnettes du convertisseur est donc strictement égale à ∆P.

Le convertisseur arrière modifie l’angle au sommet du cône utile émergent du système auquel il est associé d’un facteur égal à son grandissement angulaire G. Or, cet angle conditionne :

  • la position du point principal image du système, donc sa distance focale ;
  • l’ouverture géométrique du système (voir figure ci-dessus).

On a ƒ’ combinaison = ƒ’ objectif / G = ƒ’ objectif x g

et N combinaison = N objectif / G = N objectif x g

L’illustration suivante présente un objectif de 135 mm de distance focale à mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique. Comme tout objectif photographique, la vergence de son système optique est positive.

Nikkor 135 mm f/2.8s. Mise au point par déplacement de l’ensemble du système optique.

Fig. 19-1 : Mise au point sur l’infini.

Fig. 19-2 : Mise au point à 1,3 m.

Une translation de 18 mm du bloc optique vers l’avant déplace le foyer principal image F’ de la même quantité, et rapproche le plan de mise au point depuis l’infini jusqu’à la distance de 1,3 m.

Remarque :

Ce Nikon 135mm f/2.8 n’est pas un téléobjectif proprement dit (convergent-divergent) ; il s’agit d’un objectif de type Ernostar (nom tiré de son inventeur, Ernemann Werke – système commercialisé pour la première fois en 1924).

La figure suivante présente le Nikkor 135 mm f/2.8 associé au convertisseur arrière Nikon TC-14A de coefficient multiplicateur 1,4 x. En configuration de mise au point sur l’infini, la distance focale de cet ensemble est bien f’ = 135 x 1,4 = 189 mm.

Nikkor 135 mm f/2.8s associé au convertisseur arrière TC-14A.

Fig. 20-1 : Mise au point sur l’infini.

Fig. 20-1 : Mise au point à 1,3 m.

En configuration de mise au point mini (1,3 m), le système optique de l’objectif avance de 18 mm. La distance focale de l’ensemble s’abaisse à 152 mm et son foyer principal image F’ avance de plus de 28 mm.

Remarque :

Le coefficient multiplicateur du convertisseur ne s’applique à la distance focale que lorsque l’ensemble est en configuration de mise au point à l’infini. À distance de mise au point finie, le coefficient multiplicateur du convertisseur s’applique aux valeurs de grandissement transversal seules (par exemple, à la distance de mise au point mini nous obtenons bien : g = -0,134 x 1,4 = -0,187).

3.2  Mise au point arrière.

 

La mise au point arrière (groupe frontal fixe - groupe arrière mobile) constitue le moyen le plus simple de rendre la longueur physique de l’objectif indépendante de la distance de mise au point.

La figure suivante illustre le principe du téléobjectif à mise au point arrière. On retrouve le même couple d’éléments que sur les figures 12 et 15, mais cette fois l’élément convergent frontal est fixe.

La variation de l’espace inter éléments est assurée par la translation de l’élément arrière seul. Dans ce cas, le foyer principal image F’ se déplace dans le sens opposé à celui de l’élément arrière : lorsque celui-ci recule, la distance focale ƒ’ diminue et le foyer image F’ avance.

Fig. 21 : Principe du téléobjectif à mise au point arrière - Courbes caractéristiques.

Le plan image est placé et maintenu au foyer du système lorsque celui-ci est en configuration de distance focale maxi : espace inter éléments minimum (ƒ’ = 250 mm – lentille arrière en grisé). La diminution de la distance focale ƒ’ induite par la translation vers l’arrière de l’élément arrière entraîne un déplacement du foyer F’ vers l’avant et, par conséquent, un rapprochement du plan objet. Dans cet exemple, en déplaçant l’élément arrière de 4 mm, le foyer F’ avance de plus de 18 mm.

Remarque :

La comparaison des figures 15 et 21 permet de constater que pour une même valeur de déplacement (4 mm), le grandissement obtenu est supérieur (en valeur absolue) lorsque la mise au point est assurée par l’élément frontal.

La mise au point arrière est plus répandue que la mise au point frontale* car elle offre les avantages suivants :

  • la longueur physique de l’objectif est constante (confort d’utilisation, étanchéité) ;
  • les éléments à déplacer sont de petites dimensions (mécanique plus légère et plus aisée à manœuvrer) ;
  • le positionnement rigoureux et durable des éléments frontaux (lourds) est plus facile à garantir car ils sont fixes.

Cependant, comme pour les téléobjectifs à mise au point frontale, la variation de l’espace inter groupes contrarie la correction des aberrations résiduelles du groupe convergent frontal par le groupe divergent arrière. Le groupe arrière est donc rarement déplacé en intégralité, et de nombreux systèmes adoptent un groupe arrière comportant un ou deux espaces variables.

* Ceci est vrai pour les téléobjectifs ; pour les télézooms (soumis à d’autres contraintes), la mise au point frontale est souvent utilisée.

3.2.1  Mise au point par déplacement de l’ensemble du groupe arrière.

 

Pour les raisons invoquées plus haut, la mise au point par déplacement de l’ensemble du groupe arrière concerne surtout les objectifs d’instruments d’observation tels que les jumelles ou les longues-vues. Pour les téléobjectifs à usage photographique, (image plane de relativement grandes dimensions) préférence est donnée aux techniques exposées plus loin permettant une plus grande souplesse dans le contrôle des aberrations.

Les jumelles ou les longues-vues sont constituées d’un objectif (à l’avant) et d’un oculaire (à l’arrière). L’image aérienne créée par l’objectif est reprise par l’oculaire ; ce dernier pouvant éventuellement corriger les aberrations résiduelles de l’objectif. L’objectif peut être de type “longue focale” (simple doublet ou triplet convergent) ou de type téléobjectif. Dans ce dernier cas, c’est souvent la translation du groupe divergent arrière qui assure la mise au point.

L’illustration ci-dessous montre un téléobjectif de 250 mm de distance focale nominale pouvant être utilisé, par exemple, sur des jumelles. Une translation de 15,6 mm de l’ensemble du groupe arrière réduit la distance focale ƒ’ du système de 20% environ, ce qui induit un déplacement du foyer principal image F’ de 22 mm environ vers l’avant. Ainsi, la plage de distances de mise au point s’étend de l’infini à 2,2 m environ (depuis l’avant l’objectif) sans déplacement du plan image.

Fig. 22 : Téléobjectif d’instrument d’observation (jumelles ou longue vue).

L’illustration suivante présente le même téléobjectif en situation, à l’avant d’un prisme redresseur* et d’un oculaire de 25 mm de distance focale. Elle met en évidence l’effet du déplacement du groupe arrière sur les faisceaux émergents de l’oculaire lorsque l’objet se rapproche.

* Le prisme redresseur est ici représenté sous forme déployée (l’épaisseur de verre qu’il représente n’est pas sans influence sur le cheminement des rayons lumineux).

Fig. 23 : Système optique de jumelles (ou longue vue) avec objectif à mise au point arrière.

Remarque 1 :

Les instruments d’observation tels que celui-ci sont souvent décrits comme étant “à mise au point interne”, ce qui est parfaitement justifié lorsqu’on considère l’instrument dans son ensemble. Il n’en demeure pas moins que l’objectif qui créé l’image aérienne reprise par l’oculaire est bien un téléobjectif à mise au point arrière.

Remarque 2 :

L’exemple a été dimensionné pour former un corps de jumelles de type 10x40.

Le faisceau incident le plus incliné (en rouge) atteint le groupe frontal en formant un angle de 1,2° avec l’axe optique ; il émerge de l’oculaire sous un angle de 12°.

Le diamètre du faisceau incident est de 40 mm ; le diamètre du faisceau émergent est de 4 mm.

Grandissement angulaire :

G = f’ objectif / f’ oculaire = 250 / 25 = 10

ou bien

G = angle faisceau émergent / angle faisceau incident = 12 / 1,2 = 10

Grandissement transversal :

g = 1 / G = 1 / 10 = 0,1

ou bien

g = Ø faisceau émergent / Ø faisceau incident = 4 / 40 = 0,1

3.2.2  Combinaison objectif + convertisseur arrière négatif mobile = téléobjectif à mise au point arrière.

 

Le convertisseur Nikon TC-16A, introduit en 1986, est compatible avec de nombreux boîtiers autofocus de la marque.

Son système optique est identique au TC-16 commercialisé trois ans plus tôt, mais compatible uniquement avec le boîtier Nikon F3AF. Il s’agit d’un convertisseur arrière de rapport 1,6X à système optique mobile, motorisé, transformant tout objectif à mise au point manuelle de distance focale comprise entre 24 et 300 mm et de Nombre d’ouverture N égal ou inférieur à 2 en un objectif autofocus.

Fig. 24 : Le convertisseur Nikon AF TC-16

(comme le Nikon AF TC-16A)

permet d’automatiser la mise au point

de nombreux objectifs à mise au point manuelle.

Le système optique de ce convertisseur est composé de 5 éléments formant un groupe divergent de vergence V = -13,27 dioptrie (ƒ’ = -75,3 mm). Ce groupe est mobile en translation sur l’axe optique ; il est mû par un moteur asservi au système de mise au point automatique logé dans le boîtier. L’amplitude totale de sa course est limitée à 4,2 mm environ.

La figure suivante présente les systèmes optiques d’un objectif de 50 mm et du convertisseur TC-16A. Le passage d’une illustration à l’autre met en évidence l’amplitude maxi des mouvements de translation des deux systèmes.

Objectif Nikkor 50 mm f/1.8 et convertisseur Nikon AF TC-16A.

Fig. 25-1 : Objectif en mise au point sur l’infini, convertisseur en position avancé.

Fig. 25-2 : Objectif en mise au point mini, convertisseur en position reculée.

L’association des deux systèmes forme un petit téléobjectif : l’objectif constitue le groupe convergent, le convertisseur est divergent par définition. Lorsque le convertisseur assure seul la mise au point, nous sommes en présence d’un téléobjectif à mise au point arrière.

L’illustration suivante présente le système optique de l’association objectif-convertisseur avec :

  • l’objectif restant en configuration de mise au point à l’infini,
  • le convertisseur assurant seul la mise au point en modifiant la distance focale de l’ensemble.

Lorsque le bloc optique du convertisseur passe de sa position la plus avancée à sa position la plus reculée, la distance focale ƒ’ de l’ensemble du système diminue de plus de 8% et son foyer principal F’ avance de 5,7 mm (distance de mise au point = 1,2 m environ).

Objectif Nikkor 50 mm + convertisseur AF TC-16A (objectif en configuration de mise au point sur l’infini).

Fig. 26-1 : Bloc divergent en position avancée.

Fig. 26-2 : Bloc divergent en position reculée.

L’illustration suivante présente le même assemblage mais, cette fois, l’objectif est en configuration de mise au point mini (0,45 m affiché). Le bloc optique de l’objectif est donc en position avancée de +7,7 mm. Dans ces conditions, le déplacement du bloc divergent permet d’effectuer la mise au point de manière automatique dans une plage de distances comprises entre 0,47 m (bloc divergent avancé) et 0,37 m (bloc divergent reculé).

Objectif 50 mm + convertisseur AF TC-16A (objectif en configuration de mise au point mini).

Fig. 27-1 : Bloc divergent en position avancée.

Fig. 27-2 : Bloc divergent en position reculée.

La plage de distances de mise au point couverte en mode autofocus par cette association est d’autant plus réduite que la distance de mise au point affichée sur l’objectif est proche. Cette plage est comprise entre :

  • une limite maxi égale à la distance sélectionnée sur la bague de mise au point de l’objectif (augmentée de la longueur du convertisseur),
  • une limite mini qui dépend de la distance sélectionnée sur la bague de l’objectif et de la distance focale de ce dernier (plus la distance focale de l’objectif est importante plus la plage est réduite).

Remarque :

Les performances de l’ensemble chutent sensiblement aux distances de mise au point les plus courtes.

3.2.3 – Mise au point arrière par déplacement d’éléments internes.

 

Pour répondre aux exigences de la photographie, un groupe divergent multi éléments “monobloc” ne permet pas un contrôle suffisant des aberrations sur toute la plage des distances de mise au point. Pour y parvenir, au moins une des caractéristiques du groupe arrière doit varier lors de l’opération. La solution consiste à utiliser un groupe multi éléments comprenant au moins un espace variable. Dès lors, certains éléments du groupe divergent arrière peuvent être fixes et d’autres mobiles. Lorsque les éléments mobiles sont les éléments frontaux du groupe arrière, nous sommes en présence d’un téléobjectif à mise au point arrière interne.

Fig. 28 :
Minolta Tele Rokkor-X 600mm f/6.3 (1978 à 1982).

Téléobjectif à mise au point arrière interne (son système optique comprend un élément en fluorine).

Sur le Minolta Rokkor-X 600 mm f/6.3, par exemple, le groupe divergent arrière est divisé en trois sous-groupes : deux mobiles, un fixe. Les deux premiers éléments forment un ensemble de vergence positive. Pour rapprocher le plan de mise au point, ces deux éléments avancent à des vitesses différentes. Le troisième sous groupe (couple d’éléments collés), de vergence négative, est fixe.

Minolta Tele Rokkor-X 600mm f/6.3. Téléobjectif à mise au point arrière interne.

Fig. 29-1 : Mise au point sur l’infini.

Fig. 29-2 : Mise au point à 7 m.

Le déplacement des deux éléments frontaux vers l’avant affecte peu la vergence de l’ensemble du groupe arrière (-162,5 mm < ƒ2’ < -162,1 mm). Par contre, il induit un déplacement sensible de ses points cardinaux vers l’arrière (comme si le groupe divergent se déplaçait physiquement vers l’arrière), réduisant la distance focale de l’ensemble du système de 586 mm à 480 mm.

Ainsi, entre l’infini et 7 m, le foyer principal image F’ avance de 42 mm.

Remarque :

Le groupe divergent arrière de l’objectif réel est légèrement différent de l’exemple donné dans le brevet cité en référence et présenté ci-dessus. La distance de mise au point mini de l’objectif réel est de 5 m.

3.2.4 – Mise au point arrière par déplacement d’éléments externes.

Fig. 30 : Canon FD 400 mm f/4.5 SSC (1975). Téléobjectif à mise au mise au point arrière externe.

Le groupe divergent arrière du téléobjectif Canon FD 400 mm f/4.5 SSC est constitué de trois éléments répartis en deux sous-groupes, tous deux divergents ;
le sous-groupe avant est fixe, le sous-groupe arrière (couple d’éléments collés) est mobile pour assurer la mise au point.

Canon FD 400 mm f/4.5 SSC (téléobjectif à mise au point arrière externe).

Fig. 31-1 : Mise au point sur l’infini.

Fig. 31-2 : Mise au point à 4 m.

La vergence du groupe arrière est peu impactée par la translation vers l’arrière du sous-groupe mobile (-208,5 mm < ƒ2’ < -204 mm). Par contre, cette translation modifie très sensiblement la position des points cardinaux du groupe arrière (une translation de 29,6 mm du couple d’éléments externes déplace le point principal objet H2 de 25,6 mm), faisant chuter la distance focale de l’ensemble du système de 400 mm à l’infini, à 334 mm pour une mise au point à 4 m. Dans le même temps, le foyer principal image F’ de l’ensemble du système avance de plus de 36 mm.

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PT, le 27 avril 2017.

Sommaire de la seconde partie (en ligne prochainement) :

1  Téléobjectif à convertisseur arrière positif.

1.1  Téléobjectif à convertisseur arrière positif de grandissement angulaire fixe (2 groupes).

1.2  Téléobjectif à convertisseur arrière positif de grandissement angulaire fixe (3 groupes).

1.3  Téléobjectif à convertisseur arrière positif de grandissement angulaire variable.

2  Téléobjectif à mise au point interne.

2.1  Téléobjectif à convertisseur frontal afocal (ou pseudo afocal).

2.2  Téléobjectifs à quatre groupes.

Pierre Toscani (2008-2016) • Photos, textes et illustrations ne sont pas libres de droits