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Glossaire des termes techniques de l'optique photographique

par Emmanuel BIGLER (1) et Yves COLOMBE (2)

Résumé:

afocal (système) Un système afocal a comme propriété de faire sortir parallèles entre eux un faisceau de rayons qui entrent parallèles sous un angle (figure 1), et qui sortent sous un autre angle (mesuré par rapport à l'axe) qui définit le grossissement angulaire de l'instrument : .

Figure 1: Système afocal et grossissement angulaire

On ne peut pas former l'image d'un objet lointain sur un film avec un tel système, c'est pourquoi tous les objectifs photographiques ont une distance focale nominale. Une lunette astronomique ou terrestre, ou l'un des deux éléments monoculaires dans une paire de jumelles est un système afocal lorsqu'il est réglé en position standard infini infini. En pratique la plupart des instruments visuels renvoient l'image environ à un mètre de distance vers l'avant, ils sont donc très légèrement divergents. Ne pas confondre un système afocal avec un convertisseur de focale pour appareil reflex à optiques interchangeables.

approximation de Gauss Théorie des systèmes optiques centrés qui rassemble en quelques formules et règles de tracés tout ce qui est nécessaire pour la construction de la position et de la grandeur des images. Le modèle ne s'applique au départ qu'aux rayons peu inclinés et qui passent très près de l'axe optique, mais tous les systèmes centrés si complexes soient-ils se comportent de façon analogue pour ces rayons-là. Pour une optique photographique réelle, les tracés de l'approximation de Gauss permettent dans les objectifs modernes bien corrigés de la distorsion de trouver correctement la position et la grandeur des images en extrapolant les tracés symboliques en dehors de l'axe ou pour des rayons très inclinés. Exception en photographie : les objectifs ultra grands angulaires de type "fish-eye'' couvrant 180 degrés et plus, où les règles de construction des images sont particulières.

cardinaux (points, éléments) voir : éléments cardinaux

chambre de campagne Chambre photographique légère, parfois pliante, souvent en bois surtout dans les formats supérieurs au 9x12-4"x5", héritière des premières chambres photographiques. Certaines chambres de campagne permettent de replier la planchette d'objectif derrière un abattant frontal qui rend l'appareil facilement transportable sur le terrain. En anglais : field camera, flatbed view camera, folding view camera. En allemand : Laufboden Fachkamera (Großformatkamera).

chambre monorail Chambre technique basée sur la fixation des éléments sur un banc optique unique permettant la mise au point par déplacement le long du rail et l'échange rapide d'accessoires. Les chambres monorail, surtout celles servant en studio, sont le plus souvent en métal. Par rapport aux chambres de campagne, leurs possibilités de tirage ou de mouvements ainsi que leurs gammes d'accessoires sont bien plus étendus, souvent au détriment du poids et de la compacité. En anglais : monorail view camera. En allemand : Optische-Bank Fachkamera (Großformatkamera).

combinaison optique Association de dioptres plans, sphériques ou asphériques permettant la formation d'images de haute qualité par correction poussée des aberrations. Une même combinaison peut être extrapolée à différentes focales par multiplication de toutes les dimensions par un même facteur. D'où la classification des optiques de chambre par familles, les grands angles, les standards, les télé-objectifs, les apo-symétriques, etc... Pour une même focale nominale, on trouvera des combinaisons optiques très différentes selon qu'il s'agit d'un grand angulaire pour un autre format supérieur, d'un standard ou d'un apochromatique symétrique pour un format donné, ou d'une longue focale de type «télé-objectif» couvrant un plus petit format.

conjugaison (formules) Connaissant la distance focale d'un système épais et la position des foyers , et des plans principaux , , on détermine la position des images par rapport aux objets soit par les formules de Descartes (avec origines aux plans principaux) soit par les formules de Newton (origines aux foyers). Si et sont deux point conjugués sur l'axe, on a les formules suivantes :

1. formules de Descartes

    

   (1)

   
   

    

    

2. formules de Newton

    

   (2)

   
   

    

    

3. grandissement transversal , et lien entre la position et la grandeur des images :
   

   À l'exception de certains tracés symboliques pour des objets situés au voisinage immédiat des plans principaux pour lesquels les grandissements sont positifs (emplacements qui ne sont le plus souvent pas accessibles physiquement, mais on peut y renvoyer une image grâce à un autre système optique), le grandissement est négatif dans un appareil photographique entre un objet réel et son image réelle sur le film. Ce signe du grandissement exprime simplement le fait que l'image est renversée sur le dépoli.

    

   Figure 2: Grandissement transversal

    

4. lien entre le grandissement transversal et le tirage : si désigne la valeur absolue (positive) du grandissement, on a la relation suivante :
   

   
   qui relie l'extension de tirage à partir du plan focal et le grandissement transversal. On note souvent la valeur absolue du grandissement sous la forme ce qui signifie :

    

convergence inverse de la focale ; la convergence s'exprime en dioptries par la relation : C(dioptries) = 1/f(en mètres). Un objectif de 100 millimètres de focale a une convergence de +10 dioptries.

convergence (rapport de) [1] voir : grandissement angulaire

convergent (système) Système optique pour lequel la distance focale est positive ; un tel système est capable de former sur un film ou un détecteur électronique l'image d'objets éloignés en « concentrant » dans l'image l'énergie lumineuse émise par l'objet. Un système divergent ne peut pas faire cela tout seul, mais il peut déplacer la position et le grandissement des images photographiques s'il est associé avec un système convergent. Anglais : positive optical system; Allemand : Positiv Linsensystem.

convertisseur de focale Système optique pour appareils à objectifs interchangeables qui s'intercale entre l'objectif et le boîtier et qui multiplie la distance focale par ... sans changer le plan de mise au point. Les systèmes utilisés couramment en 24x36 et moyen format sont des systèmes divergents. Ne pas confondre avec les compléments afocaux qui se placent devant l'objectif.

dioptre Surface de séparation entre deux milieux transparents d'indice de réfraction différents, par exemple l'air et le verre à l'entrée d'une lentille ; une lentille mince se compose de deux dioptres. Dans l'oeil humain, l'essentiel de la convergence provient du premier dioptre sphérique formé par la cornée ; le cristallin, lentille déformable, fournit un appoint (indispensable) pour l'accommodation.

distance algébrique Sur un axe orienté positivement de gauche à droite, on dira que la distance est positive si est à droite de  ; on a . Dans les tracés optiques on fait parcourir en général la lumière de gauche à droite, espace objet à gauche, image à droite. Pour les axes verticaux on oriente positivement vers le haut ce qui permet de définir une valeur algébrique pour les grandissements. En photo courante, l'image est réelle (on peut la détecter sur un film) et le grandissement est toujours négatif (l'image est renversée).

divergent (système) Système optique pour lequel la distance focale est négative comme dans une lentille divergente. En associant plusieurs lentilles convergentes avec des distances bien choisies entre elles, on peut néanmoins obtenir un système divergent. L'association de lentilles divergentes en revanche ne permet pas d'obtenir un système convergent. Anglais : negative optical system. Allemand : Negativ Linsensystem.

éléments cardinaux Les éléments cardinaux d'un système épais sont les foyers, les plans et les points principaux, les plans et les points nodaux. La connaissance de la position de ces éléments suffit à la détermination de la position et de la grandeur des images en partant d'objets donnés. Pour ce qui concerne les questions de photométrie et de profondeur de champ il faut de plus connaître la position des pupilles.

épure d'un système optique centré Tracé géométrique symbolique plaçant pour un système centré les foyers, les plans principaux et nodaux ; pour une optique photographique dans l'air, on placera les foyers, les plans principaux, les sommets des lentilles en entrée et sortie, les plans d'appui mécanique (planchettes, montures à vis ou à baïonnette) et les pupilles.

espace objet Milieu transparent où est émise, en entrée, la lumière captée par l'appareil pour en faire une image. Dans ce milieu supposé homogène, les rayons se propagent en ligne droite. Si le milieu n'est plus homogène (si l'indice de réfraction varie le long du trajet des rayons) les rayons peuvent se propager sur des trajets courbes ; cette courbure explique l'origine des corrections à appliquer au pointé de la hauteur des astres mesurée au sextant au ras de l'horizon et le phénomène de mirage. Anglais : object space. Allemand : Gegenstandseite

espace image Milieu transparent où est reçue, en sortie, la lumière qui a traversé l'objectif et qui se focalise pour en faire une image. Dans ce milieu les rayons se propagent également en ligne droite. À chaque point de l'espace objet on associe un point de l'espace image par les formules de conjugaison. Anglais : image space. Allemand : Bildseite

focale (distance) Distance algébrique notée dans le cas général , définie par qui sépare le plan principal image du foyer image. Dans l'air, on a pour tous les systèmes. Pour simplifier l'écriture, on appellera cette distance focale qui est positive pour tous les objectifs photographiques. Anglais : focal length. Allemand : Brennweite.

focaux (plans) Plans perpendiculaires à l'axe optique et qui contiennent l'un ou l'autre des foyers et du système... du moins si on n'a pas affaire à un système afocal. Un faisceau de rayons émis par un point du plan focal objet hors de l'axe sort dans l'espace image sous forme de faisceau parallèle incliné. Un faisceau de rayons entrant dans le système, parallèles entre eux mais inclinés par rapport à l'axe ressortent en un point du plan focal image ; on dit parfois que est un foyer secondaire.

Figure 3: Plan focaux

formules de conjugaison : voir conjugaison

foyer image Point de l'axe optique où se forme l'image d'un faisceau de rayons parallèles à l'axe. Tout rayon entrant dans l'objectif parallèle à l'axe sort en passant au foyer image. On le note : . Anglais : focus, focal point. Allemand : Brennpunkt. Attention : le foyer image n'est pas l'image géométrique du foyer objet !. L'image du foyer objet est renvoyée à l'infini sur l'axe sous forme d'un faisceau sortant de rayons parallèles à l'axe.

foyer objet point de l'axe optique pour lequel l'ensemble des rayons passant par ce point dans l'espace objet sortent parallèles à l'axe dans l'espace image. On le note : .

grandissement (transversal) voir : conjugaison (formules)

grandissement (angulaire) Le grandissement angulaire [2] appelé également rapport de convergence [1] est le rapport des angles formés par des rayons coupant l'axe au niveau d'un objet (angle ) et de son image (angle ). Si l'objet et l'image sont dans le même milieu transparent, on a la relation entre et le grandissement transversal  : . (Relation de Lagrange-Helmholtz dans le cas de milieux d'entrée/sortie identiques).

Figure 4: Grandissement transversal et grandissement angulaire (rapport de convergence)

grossissement (angulaire) On définit le grossissement angulaire pour un instrument visuel afocal (voir figure 1) en traçant un faisceau de rayons parallèles qui coupent l'axe optique en entrée en faisant un angle avec l'axe ; en sortie les rayons sont parallèles et coupent l'axe en formant un angle . Le grossissement angulaire est égal au rapport des angles .

étant un rapport d'angles, on peut définir ces angles dans l'unité que l'on veut, en radians ou en degrés du moment que les deux sont exprimés dans la même unité.

Pour un instrument tel qu'une loupe ou un microscope où les objets sont situés à distance finie, on définit le grossissement intrinsèque commercial par le rapport entre l'angle sous lequel on voit l'objet à travers l'instrument et l'angle sous lequel on voit l'objet à l'oeil nu à la distance conventionnelle de 250mm. Une loupe qui grossit 10 fois fait paraître une graduation millimétrique vue à travers la loupe sous le même aspect qu'une graduation centimétrique à l'oeil nu à 250mm. Le lien entre et la focale d'une loupe est : (en mm). Une loupe 5x a une distance focale de 50mm, une loupe de 100mm de focale «grossit» 2,5 fois.

image géométrique Lieu de l'espace image où se coupent les rayons issus des différents points de l'objet qui ont pu traverser complètement l'objectif. Dans l'approximation de Gauss, tous les rayons issus d'un point de l'espace objet se recoupent en un même point de l'espace image qu'on appelle image géométrique. Les systèmes optiques modernes et très bien corrigés des aberrations réalisent très sensiblement cette propriété même pour des grands angles ou de grands objets, ce qui fait que dans un système optique épais réel, on peut se servir des formules de l'approximation de Gauss pour déterminer la position et la grandeur des images.

interstice (optique) Distance algébrique entre les plans principaux d'une optique épaisse. Cette distance peut être positive ou négative.

nodaux (plans) Couple de plans conjugués situés perpendiculairement à l'axe optique et passant par les points nodaux correspondants. Pour une optique photographique utilisée dans l'air, les plans nodaux sont identiques aux plans principaux.

nodaux (points) Couple de points conjugués, et sur l'axe optique pour lesquels le grandissement angulaire ou rapport de convergence est égal à +1, c'est à dire que tout rayon passant par en entrée ressort en coupant l'axe en en étant parallèle au rayon d'entrée. Pour une optique photographique utilisée dans l'air, les points nodaux sont identiques aux points principaux, . Une propriété importante du point nodal image est qu'une petite rotation de l'objectif autour de ne déplace pratiquement pas l'image d'un objet lointain qui se formerait sur un écran fixe placé à proximité du plan focal. On suppose ici que les objets dont on forme l'image sont situés très loin de l'appareil, cas classique en photo de paysage panoramique. Cette propriété de stationnarité de l'image est mise à profit dans les appareils panoramiques à tambour rotatif pour lesquels le film est fixe par rapport au paysage (ou reste fixe par défilement rétrograde en synchronisme avec l'appareil en entier) et l'optique tourne par rapport au paysage pour accumuler une succession de bandes minces reconstituant le panorama. Le point nodal objet joue un rôle analogue si l'optique est inversée... mais c'est une utilisation qui ne sert pas en pratique. Anglais : nodal point. Allemand : Knotenpunkt.

plans nodaux : voir nodaux (plans)

points nodaux : voir nodaux (points)

plans principaux : voir principaux (plans)

points principaux : voir principaux (points)

plans focaux : voir focaux (plans)

principaux (plans) C'est un couple de plans conjugués parallèles entre eux et perpendiculaires à l'axe optique pour lesquels le facteur de grandissement transversal est égal à +1. Dans une optique photographique quasi-symétrique, ces plans et sont très rarement accessibles physiquement. Ils sont situés dans ce cas particulier « géométriquement » l'intérieur de l'objectif sur l'épure du système. Dans le cas le plus général, ils peuvent être placés en dehors des lentilles et ils n'ont qu'une signification symbolique permettant de déterminer la position et la grandeur des images par un tracé de rayons géométrique. Le plan principal image se trouve à l'intersection d'un rayon incident parallèle à l'axe (de fait, son prolongement symbolique) avec le rayon émergent correspondant ; le plan principal objet se trouve à l'intersection d'un rayon émergent parallèle à l'axe avec le rayon incident (son prolongement) correspondant. Anglais : principal plane. Allemand : Hauptebene.

principaux (points) On les note traditionnellement et . Points de l'axe optique situés respectivement dans le plan principal objet () et dans le plan principal image (). et sont conjugués. Anglais : principal point. Allemand : Hauptpunkt.

pupilles On appelle pupilles les images du diaphragme-iris données respectivement dans l'espace objet par la partie antérieure de l'objectif (ce qui donne la pupille d'entrée) et dans l'espace image par la partie arrière de l'objectif (ce qui donne la pupille de sortie). La plupart du temps en optique photographique le diaphragme iris est situé entre les lentilles. Il y a quelques exceptions comme l'Imagon de chez Rodenstock où le diaphragme (très spécial) est placé en avant des lentilles. Il y a aussi des objectifs où le diaphragme-iris est placé après la dernière lentille comme un Nikkor de 180 pour 24x36. Ce qu'on voit en fait lorsqu'on ferme le diaphragme et qu'on regarde une optique par l'avant ou par l'arrière, ce n'est pas le diaphragme lui-même mais les images de l'iris données par les deux moitiés de l'objectif. Il y donc a priori un facteur d'agrandissement ou de réduction de diamètre entre le diamètre réel de l'iris et le diamètre de ses images, les pupilles. En laissant ce diaphragme grand ouvert et en ajoutant soi-même un diaphragme assez fermé par devant ou par derrière, on force les pupilles à s'identifier avec ce nouveau diaphragme ou son image donnée par l'objectif en entier. Les pupilles n'interviennent pas dans la position et la grandeur des images géométriques vraies, en revanche elles sont très importantes pour le problème de la profondeur de champ où on prend en compte des images défocalisées. La pupille d'entrée d'un objectif est le point autour duquel il faut tourner un appareil ordinaire (non panoramique) pour réaliser un raccordement panoramique d'images avec le moins possible de défauts de parallaxe gênant le raccordement d'une image avec sa voisine en bord de champ.
Anglais : entrance pupil, exit pupil. Allemand : Eintrittspupille, Austrittspupille.

reflex (appareil) Appareil photographique pour lequel on regarde se former l'image à l'échelle 1 sur un dépoli en visant, via un système à miroir, soit à travers l'objectif de prise de vue (miroir mobile, reflex mono-objectif, en anglais : single-lens reflex, SLR  ; en allemand : Ein-aügige Reflexkamera) soit à travers un objectif de visée de même distance focale, très précisément appairé et jumelé à l'objectif de prise de vue (reflex bi-objectif, en anglais twin-lens reflex, TLR ; en allemand : Zwei-aügige Reflexkamera)

rétro-focus (objectif) Terme technique dû à la société française Angénieux pour désigner une classe d'objectifs grands angulaires pour appareils reflex à miroir dans lequel la lentille arrière se trouve suffisamment en avant du plan principal image pour ne pas gêner le passage du miroir dans un reflex mono-objectif.

système optique centré Association de dioptres plans, sphériques ou asphériques, de lentilles minces ou épaisses présentant une symétrie de révolution autour d'un même axe optique. On peut étendre assez facilement les propriétés de ces systèmes à une association de systèmes centrés couplés entre eux par des miroirs dans la mesure où les réflexions font correspondent entre eux les axes de différents sous-systèmes. Par exemple le système de visée totalement redressé d'un appareil reflex à pentaprisme associé à l'optique de prise de vue, au miroir reflex et à l'oculaire de visée se comporte, à un décalage latéral d'image près, presque comme un système centré unique.

télé-objectif Formule optique en général de longue focale par rapport à la diagonale du format, dans laquelle l'encombrement mécanique total est plus court que la distance focale ; de ce fait le plan principal image est situé dans l'air, en avant de la lentille frontale.

tirage mécanique En tant que spécification intrinsèque d'un objectif, c'est la distance entre le foyer image de l'objectif et un élément mécanique de référence, soit le plan d'appui de la planchette ou la monture du groupe optique arrière (objectif de chambre) ou le plan d'appui de la baïonnette (appareils reflex). Ce qui est intrinsèque à l'objectif c'est la spécification de tirage mécanique en infini foyer. Dans le cas général, le tirage mécanique sera la distance entre l'élément de référence mécanique et l'image. Entre la position infini foyer et la position «2f-2f», le tirage mécanique doit augmenter d'une distance focale.

tirage optique En tant que spécification intrinsèque d'un objectif, c'est la distance entre le sommet de la lentille arrière et le foyer. Dans un appareil reflex mono-objectif à miroir mobile, la lentille arrière ne doit pas gêner le passage du miroir. Les solutions mises en oeuvre (parfois simultanément) sont : soit l'utilisation d'une formule optique rétro-focus, soit l'utilisation d'un miroir à cinématique complexe qui s'escamote sans percuter la lentille arrière. Une optique rétro-focus a un tirage optique infini foyer plus long que la distance focale. Dans le cas général, le tirage optique sera la distance entre le sommet de la lentille arrière et l'image. Exactement comme le tirage mécanique, entre la position infini foyer et la position «2f-2f», le tirage optique doit augmenter d'une distance focale. Il est possible d'utiliser sur un reflex mono-objectif des objectifs dont le tirage optique est insuffisant à condition de ne les utiliser qu'en macrophoto. Anglais : back focal distance.

Bibliographie

Emmanuel Bigler et Yves Colombe 27 juin 2003