Distance focale et grandissement

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Comme tous les passionnés, les photographes ont leur propre vocabulaire. Ainsi, des mots comme “ouverture”, “piqué”, “focale”, etc. sont souvent utilisés. Il semble que nous aimons tout particulièrement ce dernier mot : “focale”. Nous l’aimons tant que nous l’utilisons sans cesse…

Par exemple, depuis que nos appareils numériques sont équipés de capteurs de tailles différentes, nous utilisons un nouveau concept : celui de “focale équivalente” (en fait, ce sont les fabricants de matériel photo eux-mêmes qui l’ont inventé, mais nous l’avons très vite adopté). Et depuis lors, les affirmations comme la suivante sont devenues courantes :

La notion d’angle de champ, serait pourtant bien mieux appropriée ici (et pour de nombreuses personnes, plus facile à comprendre). Mais nous préférons employer le mot “focale”…

De même, on entend souvent dire :

En fait, il serait plus prudent de dire :

Parce que le calcul de la distance focale n’est pas si simple ! Et comme nous allons le voir, elle peut parfois apporter quelques surprises…

En fait, les adjectifs comme “équivalente“ ou “réelle” ne font peut-être que masquer notre embarras envers une notion qui reste pour la plupart d’entre-nous assez difficile à appréhender, voire même parfaitement mystérieuse pour certains… Car, après tout, qui sait réellement ce qui se passe à l’intérieur d’un zoom lorsqu’on tourne la bague des focales ? Lorsqu’on regarde les choses avec un tout petit peu de rigueur, on réalise à quel point le mot “focale” peut être un faux ami…

Il n’en reste pas moins vrai que, comme l’ouverture géométrique, la distance focale est une caractéristique fondamentale de l’objectif photographique. Pourquoi est-elle si importante ? Parce que lorsque l’objet est à l’infini, c’est la focale qui détermine la relation dimensionnelle entre l’objet et son l’image sur le capteur. Pour ce qui concerne les objets plus proches, les choses sont un peu différentes, mais la distance focale reste un paramètre très important…

 

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Sommaire :

1  –  Les systèmes à foyer.
            1.1  –  La distance focale.
            1.2  –  L’angle de champ.
            1.3  –  Le grandissement transversal.
                       1.3.1  –  Cas des objectifs à système optique figé.
                       1.3.2  –  Cas des objectifs à système optique comportant des éléments flottants.
            1.4  –  Les convertisseurs arrières.
                        1.4.1  –  Fonctionnement.
                        1.4.2  –  Évolution de la distance focale avec la mise au point.
                                   1.4.2.1  –  Cas des objectifs à système optique figé.
                                   1.4.2.2  –  Cas des objectifs à système optique comportant des éléments flottants.
                        1.4.3  –  Conclusion.

2  –  Les systèmes afocaux.
            2.1  –  Fonctionnement et grandissement angulaire.
            2.2  -  Les convertisseurs frontaux.
            2.3  -  Autres applications.

 

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I  -  Les systèmes à foyer.

1.1  -  La distance focale.

Si chacun visualise assez facilement la grandeur physique se cachant derrière le mot “focale” lorsqu’il est question d’une simple lentille mince, il n’en va pas de même lorsqu’il s’agit de définir cette “distance focale” en faisant référence à un objectif photographique réel... Ceci tient probablement au fait qu’il est impossible de mesurer cette grandeur simplement avec un double décimètre, comme on peut le faire pour la longueur ou le diamètre extérieur de tout objectif. Pourtant, lorsqu’on photographie un objet, c’est bien cette longueur caractéristique, si difficile à matérialiser, qui détermine les dimensions de l’image formée sur le capteur de l’appareil photographique.

La distance focale d’un objectif peut être déterminée par la relation :

f’ = h’ / tan(Thêta)*

Où

* Pour être rigoureux, f’ est la valeur limite du rapport h’ / tan(Thêta) lorsque h’ et Thêta tendent vers zéro.

Mais cette relation est certainement un peu trop “mathématique” pour le photographe qui souhaite rester “plus près” de l’objectif…

Heureusement, il existe une autre définition : la distance focale est la distance comprise entre le point principal (objet ou image) et le foyer principal correspondant (généralement, on n’utilise que les points “image” pour le calcul de la focale). Cette définition est plus accessible, plus facile à visualiser.

Ainsi, une fois la position d’au moins un couple de ces points connue (point et foyer principal image, ou point et foyer principal objet), le calcul de la distance focale est très facile. Tous ces points caractéristiques (avec les points nodaux image et objet) sont les “points cardinaux” du système optique que constitue l’objectif.

Note

Le tracé des rayons lumineux est un bon moyen pour déterminer la position des points cardinaux d’un objectif. La Figure 1 (ci-dessous) illustre le résultat de ce type de calcul appliqué à un objectif photographique très commun : un 50 mm. Comme tous les objectifs photographiques élaborés, il est constitué de plusieurs lentilles. Ensemble, elles constituent un système optique centré ; “centré” car tous ses éléments sont centrés sur un axe de symétrie de révolution : l’axe optique.

Lorsqu’un faisceau de rayons lumineux parallèles à l’axe optique traverse tous les éléments de l’objectif, il émerge sous forme d’un faisceau convergent (Figure 01, mouse out). Le point de convergence du faisceau émergent sur l’axe optique est le foyer principal image (F’). On l’appelle “principal” car il est situé sur l’axe optique, et “image” car il est situé du côté où se forme l’image (par opposition au côté où se trouve “l’objet” dont est issu le faisceau incident). On peut prolonger les rayons incidents vers la droite et les rayons émergents vers la gauche jusqu’à ce qu’ils se coupent. Ces points d’intersection définissent alors une surface appelée plan principal image. En fait, pour les objectifs corrigés de l'aberration de sphéricité, cette surface n’est pas plane mais sphérique, et centrée sur le foyer principal image (F’) ; mais on l’appelle ainsi parce que dans la région paraxiale (très petite région située autour de l’axe optique) on peut l’assimiler à un plan. Le point principal image (H’) est situé à l’endroit où l’axe optique traverse le plan principal. La distance séparant le point principal image (H’) et le foyer principal image (F’) est la distance focale image (f’). Dans l’exemple ci-dessous, cette distance mesure 50 mm. La distance entre l’apex de la dernière surface et le foyer principal image (F’) est le tirage optique.

Fig. 01 : Système optique d’un objectif photographique réel (50 mm f/1.8).
Mouse out : point principal image, foyer principal image et distance focale image f’.
Mouse over : point principal objet, foyer principal objet et distance focale objet f.

Lorsque les rayons lumineux arrivent par l’arrière (Figure 1, mouse over) on peut définir la position des points cardinaux “objet”.

La distance séparant les points principaux image et objet H’ et H (l’interstice, en valeur algébrique compte tenu du sens de propagation de la lumière) est une dimension importante : elle peut être considérée comme “l’épaisseur optique” du système.

Dans certains cas, de manière à simplifier certains calculs, on peut être intéressant de remplacer l’ensemble du système optique de l’objectif par une unique lentille mince convergente d’égale distance focale (Figure 2). En positionnant le centre de la lentille précisément à l’emplacement du point principal image (H’) de l’objectif, et tant que les rayons incidents répondent à certaines conditions (proches de l’axe optique, faible angle d’incidence, lumière monochromatique), les deux systèmes peuvent être considérés comme équivalents.

Fig. 02 : Remplacer la totalité du système optique d’un objectif photographique par
une lentille mince de même distance focale peut être un bon moyen pour simplifier certains calculs.

La position des points cardinaux F, H, H’, F’ est très variable selon les objectifs (grand angle, téléobjectif, zoom, etc.) et selon leur configuration (mise au point, association avec un convertisseur, etc.). Le point principal objet H peut être à droite ou à gauche du point principal image H’ et, l’un ou l’autre, voire même les deux peuvent être à l’extérieur des limites physiques de l’objectif.

Par exemple, le point principal image (H’) d’un grand-angle rétrofocus comme le AF-Nikkor 20 mm f/2.8D, se situe derrière lui, entre l’objectif et le capteur (Figure 3). Et son foyer principal objet (F) se situe à l’intérieur de l’objectif. Ainsi, lorsqu’il est utilisé à l’envers, cet objectif ne créé aucune image réelle d’un objet situé à l’infini.

Fig. 03 : Position des points cardinaux du Nikkor AF 20 mm f/2.8D réglé sur l’infini.

Les points cardinaux des téléobjectifs réglés sur l’infini sont généralement situés à l’extérieur des limites physique de l’objectif. Le Reflex-Nikkor 500 mm f/8, comme les autres téléobjectifs catadioptriques, constitue un cas extrême : son foyer principal objet (F) se situe à plus de 2 m à l’avant du plan image (Figure 4).

Fig. 04 : Position des points cardinaux du Reflex-Nikkor 500 mm f/8 réglé sur l’infini.

Un objectif photographique ne possède qu’un seul couple de points principaux H et H’ et un seul couple de foyers principaux F et F’. La distance focale image (f’) est toujours déterminées par rapport aux points H’ et F’. Les quatre points cardinaux F, H, H’, F’ définissent en grande partie le système optique d’un objectif.

Fig. 05 : Position des points cardinaux du Zoom-Nikkor AF-S VR 70-300 mm f/4.5-5.6G réglé sur l’infini.

Note

Pour calculer la position exacte des points principaux d’un objectif dans quelque configuration que ce soit, il est nécessaire de connaître la définition de son système optique. On trouve ces données dans les brevets d’invention déposés par les grands fabricants d’objectifs. Le tableau suivant, par exemple, définit complètement le système optique du Zoom-Nikkor AF-S VR 70-300mm f/4.5-5.6G de la figure précédente (brevet disponible ici).



Fig. 06 : Définition du système optique du Zoom-Nikkor AF-S VR 70-300 mm f/4.5-5.6G.

On trouve dans ce tableau tout ce qui est nécessaire au calcul du trajet des rayons lumineux traversant l’objectif, en particulier :

Les autres valeurs ne sont pas indispensables (et ne sont d’ailleurs pas toujours toutes publiées dans les brevets), mais elles permettent cependant de contrôler ses propres résultats :

Ce tableau, très complet, est un exemple de ce qui se fait de mieux en la matière. Ce n’est malheureusement pas le cas de tous les brevets, loin s’en faut !

 

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1.2  -  L’angle de champ.

D’amblée, il convient de distinguer l’angle de champ de l’objectif (seul), de l’angle de champ du système objectif–capteur, car les deux ne sont pas forcément égaux.

L’angle de champ spécifique d’un objectif dépend bien plus de la conception de son système optique que de sa distance focale. Nous sortons donc là du cadre de cet article. Un seul exemple pour appuyer l’affirmation qui précède : la Figure 7 (ci-dessous) représente les schémas optiques de deux objectifs d’angles de champ strictement identiques bien que la distance focale de l’un soit égale au double de celle de l’autre. Un simple effet d’échelle (x2) différencie ces deux objectifs.



Fig. 07 : Effet d’échelle : l’angle de champ propre à l’objectif n’est pas lié à sa distance focale.

Bien entendu, si ces deux objectifs sont utilisés alternativement sur un même boîtier (c’est à dire sur le même capteur), l’angle de champ de l’ensemble objectif–capteur sera deux fois moindre avec l’objectif de plus longue focale (faisceau en grisé sur la figure). Ceci nous conduit à la notion d’angle de champ du système objectif–capteur. Comme ce thème a fait l’objet de nombreux articles et exposés, je m’en tiendrai à une seule illustration : Figure 8…

En haut, le bien connu Zoom-Nikkor AF 80-200 mm f/2.8D ED associé à un capteur 24x36 mm, en configuration de mise au point à l’infini. Lorsque la bague des focales est positionnée sur 80 mm (focale réelle = 80,9 mm) il embrasse un champ légèrement supérieur à 30°.

Au centre, le même objectif dans la même configuration est utilisé en association avec un capteur 16x24 mm. L’angle de champ propre à l’objectif ne change évidemment pas, mais la taille du capteur est telle que seuls les faisceaux dont l’angle d’incidence est inférieur ou égal à 10° peuvent parvenir jusqu’à lui. Donc, dans ce cas, lorsque la focale est réglée sur 80 mm, l’angle de champ est de 20°.

Fig. 08 : Angle de champ d’un système objectif–capteur.

Enfin, l’illustration du bas montre que pour obtenir un angle de champ identique (20°) lorsque cet objectif est associé à un capteur 24x36, il faut tourner la bague des distances focales jusqu’à la valeur 120 mm (120,8 mm précisément).

Ainsi, une distance focale de 120 mm associée à un capteur 24x36 offre le même angle de champ qu’une focale de 80 mm associée à un capteur 16x24. Ceci est à l’origine de la notion de “focale équivalente”.

 

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1.3  -  Le grandissement transversal.

Lorsqu’il est question d’objectif photographique, le grandissement qui importe le plus est le grandissement transversal ou grandissement linéaire transversal (g).

Le grandissement transversal (g) est égal au rapport de la dimension de l’image sur la dimension correspondante de l’objet, d’où :

g < -1 si l’image est plus petite que l’objet ;
g = -1 si l’image est aussi grande que l’objet ;
g > -1 si l’image est plus grande que l’objet.

Le signe moins signifie simplement que l’image est inversée par rapport à l’objet (ce signe est omis dans la plupart des spécifications d’objectifs).

Par exemple, la Figure 9 illustre le Micro-Nikkor AF 60mm f/2.8D en configuration de mise au point mini. Dans ce cas, tout objet situé dans le plan de mise au point est reproduit en dimensions identiques sur le capteur. Le grandissement transversal de l’objectif dans cette configuration est g = -1 (et sa distance focale est f’ = 49,4 mm).

Fig. 09 : Les points cardinaux du Micro-Nikkor AF 60 mm f/2.8D à la mise au point minimale (g = 1).

Pour les “matheux”, la Figure 10 (ci-dessous) illustre une manière de schématiser le système optique d’un objectif. En utilisant l’homothétie des triangles hachurés en bleu dans l’espace objet, et en rouge dans l’espace image, cette construction permet d’établir deux relations simples définissant le grandissement linéaire transversal (et plus encore).

Fig. 10 : Construction de l’image A’B’ d’un objet plan AB.

La distance focale, à elle seule, ne permet donc pas de déterminer le grandissement d’un objectif lorsque la distance objet-image (AA’) est différente de l’infini. Dans ces cas là, la connaissance d’au moins une autre longueur caractéristique est nécessaire. La distance A’F’ est ici particulièrement indiquée puisqu’elle permet d’utiliser le simple rapport F’A’ / f’. Cette distance F’A’ représente l’allongement du tirage optique de l’objectif entre sa configuration de mise au point à l’infini et une distance de mise au point quelconque.

Rappel (Figure 11)

Quand l’objet est à l’infini, le centre du plan image (A’) est confondu avec le foyer principal image (F’), donc A’F’ = 0. Lorsque l’objet se rapproche, son image s’éloigne progressivement (vers la droite) du foyer principal image (F’) : A’F’ devient de plus en plus grand. Objet et image se déplacent toujours dans le même sens. “Faire la mise au point” c’est placer le capteur de l’appareil photographique précisément en A’, à la bonne distance du foyer principal image (F’). Il existe plusieurs manières d’y parvenir :

Fig. 11 : Comportement de l’image en fonction de la distance de l’objet.

1.3.1  -  Cas des objectifs à système optique figé.

Lorsque la position relative de chaque lentille est immuable par rapport aux autres, tous les points cardinaux sont fixes par rapport au système, quelle que soit la distance de mise au point. Nous appellerons ce type de système : “système optique est figé”. Comprenez “figé” dans le sens où il n’y a aucun élément mobile (flottant) par rapport aux autres. Pour réaliser la mise au point, ce type de système doit donc se déplacer en bloc, ses points cardinaux se déplaçant avec lui comme un ensemble figé (aucun d’eux ne se déplaçant par rapport aux autres).

La Figure 12 (ci-dessous) illustre un objectif à système optique figé : un 50 mm f/1.8 (focale réelle f’ = 51,6 mm). Tous les éléments de cet objectif sont rigoureusement fixes les uns par rapport aux autres. La mise au point s’effectue par le déplacement en bloc de tout le système optique vers l’avant. Ce faisant, les points cardinaux avancent avec lui, tels qu’ils sont. Lorsque le plan de mise au point est situé à 0,45 m du capteur, le déplacement est de 7,7 mm. A cette distance, le grandissement est donc :

g = A’F’ / f’ = -7,7 / 51,6 = -0,149

On peut également l’exprimer sous forme de rapport (g = -1 / 6,7).

Fig. 12 : Objectif 50 mm f/1.8.
Mouse out : mise au point à l’infini.
Mouse over : mise au point mini (0,45 m).

Le système optique du Nikkor 180 mm f/2.8 ED Ais est également de type figé (Figure 13). A la distance de mise au point de 1,8 m, tout le système optique est avancé de 24,1 mm. Le grandissement transversal est alors de :

g = A’F’ / f' = -24,1 / 180 = -0,134

or g = -1 / 7,47

Fig. 13 : Les points cardinaux du Nikkor 180 mm f/2.8 ED Ais.
Mouse out : mise au point à l’infini.
Mouse over : mise au point mini (1,8 m).

Conclusion

1.3.2  -  Cas des objectifs à système optique comportant un ou plusieurs éléments flottants.

Le déplacement relatif d’un ou plusieurs éléments du système optique par rapport aux autres entraine obligatoirement une modification de la position des points cardinaux. Dès lors, selon la configuration de l’objectif, distance focale (f’) et interstice (HH’) prennent des valeurs différentes.

La plupart des objectifs modernes entrent dans cette catégorie :

La relation de grandissement (g = A’F’ / f') liant la distance focale et la distance A’F’ est toujours la même et reste applicable, mais l’opération est plus compliquée car :

Dans ces conditions, le grandissement transversal ne peut être déterminé que par :

La Figure 14 présente le système optique du Micro-Nikkor AF-S VR 85 mm f/3.5G en configuration de mise au point à l’infini (mouse out), et de mise au point à la distance minimale (g = -1, mouse over). Dans ce dernier cas, la distance focale diminue de presque 19 % (jusqu’à f’ = 71,5 mm), et la valeur de l’interstice (HH’) devient quasiment nulle. Dans ces conditions précises, cet objectif peut donc être considéré comme une lentille mince : sa distance focale étant pratiquement égale au quart de la distance AA’. Voir également une présentation de cet objectif, ici).

Fig. 14 : Le Micro-Nikkor AF-S VR 85 mm f/3.5G.
Mouse out : mise au point à l’infini.
Mouse over : mise au point minimale (0,29 m).

L’évolution de la distance focale des télézooms comme le Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G dans leur plage de distance de mise au point suscite de nombreux commentaires. En effet, le grandissement maximum de cet objectif n’est que de g = -0,165 (focale maxi et distance mini). Or, le grandissement d’un 200 mm à système optique figé utilisé à la même distance de mise au point atteint g = -0,188. De nombreux photographes déduisent de cette observation que la focale de ce zoom diminue avec la distance de mise au point. En réalité, il n’en est rien. En fait, c’est même l’inverse qui se produit : la focale augmente lorsque le plan de mise au point se rapproche.

Mais alors pourquoi le grandissement est-il plus faible que prévu ?

Parce que dans cet objectif, la mise au point est effectuée par la partie arrière du groupe frontal (Figure 15), et le mouvement vers l’avant de cette unité a deux conséquences :

Or, compte tenu de leur position au numérateur et au dénominateur de la relation de grandissement (g = A’F’ / f’), l’évolution de ces deux paramètres (faible valeur de A’F’, forte valeur de f’) tend à modérer l’accroissement de la valeur de g aux faibles distances de mise au point.

Fig. 15 : Le Zoom-Nikkor AF-S VR 70-200 mm f/2.8G réglé sur 200 mm.
Mouse out : mise au point à l’infini.
Mouse over : mise au point minimale (1,5 m).

Note

Conclusion :

Quelle que soit le système optique d’un objectif photographique, lorsque celui-ci est dans une configuration lui permettant de créer l’image d’un objet situé à une distance donnée, il est toujours possible de déterminer la position de ses points cardinaux, et par conséquent sa distance focale, son interstice et son grandissement. Les relations unissant ces paramètres s’appliquent dans tous les cas.

Aux valeurs de grandissement relativement élevées, le fait d’assimiler un objectif réel à une lentille simple conduit presque immanquablement à des erreurs parfois importantes dans le calcul du grandissement ou de la distance focale.

 

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1.4  -  Les convertisseurs arrières.

Les convertisseurs arrières (également appelés “télé-convertisseurs” ou simplement “convertisseurs”) sont des accessoires très communs utilisés pour accroître le grandissement d’un objectif.

Il arrive qu’un convertisseur arrière fasse partie intégrante du système optique de certains objectifs macro très courants (voir plus loin).

Les convertisseurs arrières utilisés en association avec nos objectifs interchangeables s’intercalent entre l’objectif et le boîtier. On les appelle des “convertisseurs arrières”, par opposition aux “convertisseurs frontaux” qui se fixent à l’avant de certains objectifs d’appareils compacts ou de caméscopes (voir plus loin).

1.4.1  -  Fonctionnement et grandissement angulaire.

Tous les convertisseurs arrières sont des systèmes optiques divergents qui reprennent l’image issue de l’objectif auquel ils sont associés pour la reformer sur le capteur en l’agrandissant. Comme pour tous les systèmes divergents, la position des foyers et points principaux apparaît inversée (Figure 16, en bas).

Lorsqu’un faisceau de lumière parallèle à l’axe optique pénètre par l’avant du convertisseur, le faisceau émergent est divergent ; ainsi, le foyer principal image (F’) se situe à l’avant (dans l’espace objet), et aucune image réelle n’est créée dans ces conditions. F’ est l’image virtuelle d’un point de l’axe optique situé à l’infini qui ne peut être observé à travers le convertisseur que par l’arrière.

Un faisceau de lumière identique pénétrant par l’arrière permet de définir la position du foyer principal objet (F) à l’arrière du convertisseur (dans l’espace image).



Fig. 16 : Le système optique et points cardinaux du télé-convertisseur Nikon TC-20.

Comment un convertisseur fonctionne-t-il lorsqu’il est fixé à l’arrière d’un objectif ?
En restant sur l’exemple du convertisseur Nikon TC-20, on peut considérer trois cas où un faisceau de lumière pénétrant par l’avant (là où l’objectif photographique est supposé être) devient graduellement de plus en plus convergent (Figure 17)…

Fig. 17 : Comportement d’un faisceau convergent à travers le télé-convertisseur Nikon TC-20.

Intéressons-nous plus particulièrement à ce troisième cas (figure 18, ci-dessous)…

Il existe deux points conjugués particuliers C et C’ tels que chaque rayon incident porté par une droite passant par C et formant un angle u avec l’axe optique, émerge du système en passant par C’ sous un angle u’ dont la valeur est égale à la moitié de u.

Pour ce couple de points, on peut alors définir le “grandissement angulaire” (G) du système :

G = u’ / u = 1 / 2 = 0,5

Ce grandissement angulaire est une caractéristique fondamentale du convertisseur arrière. L’inverse du grandissement angulaire (1 / G) est le grandissement transversal (g) du système :

g = 1 / G = 1 / 0,5 = 2

Le grandissement transversal (g) des convertisseurs arrières est gravé sur leur barillet sous forme d’un “coefficient multiplicateur” (par exemple : “2x” pour g = 2, ou “1,4x” pour g = 1,4).

Fig. 18 : Les plans conjugués du télé-convertisseur Nikon TC-20.

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 Delta P séparant ces deux plans est une autre caractéristique fondamentale du convertisseur. 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 (en reportant le tirage mécanique* FFD), on obtient une nouvelle image dans le plan P’. La position de l’image finale détermine la position de la face d’appui de la baïonnette arrière du convertisseur (en reportant à nouveau le tirage mécanique FFD). La distance séparant les deux faces d’appui des baïonnettes du convertisseur est alors strictement égale à la distance Delta P.

* Tirage mécanique : distance entre la face d’appui de la baïonnette du boîtier et le capteur.

En comparant les images CD et C’D’, nous pouvons vérifier la valeur du grandissement transversal du convertisseur :

g = C’D’ / CD = 2

Dans le cas présent, l’image finale est deux fois plus grande que l’image issue de l’objectif seul, et orienté dans le même sens (g est positif).

Il est évident que le capteur ne peut recevoir que la partie centrale de l’image issue de l’objectif seul, une fois agrandie par le convertisseur. Ainsi, l’angle de champ du couple objectif–convertisseur est égal au produit de l’angle de champ de l’objectif seul par le grandissement angulaire (G) du convertisseur.

De la même manière, le grandissement angulaire du convertisseur arrière Nikon TC-14 aurait pour valeur G = 0,714, et son grandissement transversal :

g = 1 / 0,714 = 1,4.

La figure 19 (ci-dessous) illustre l’effet d’un convertisseur TC-20 sur un faisceau de lumière traversant un Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G. Comme nous l’avons vu plus haut, ce convertisseur arrière réduit de moitié l’angle au sommet du cône utile émergent. Ce faisant il :

Fig. 19 : Le téléobjectif Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G.
Mouse out : seul.
Mouse over : avec télé-convertisseur Nikon TC-20 (2x).

La figure 20 illustre les différentes positions du point principal image (H’) du Micro-Nikkor AF 200 mm f/4D seul, et associé aux convertisseurs TC-14 et TC-20, en configuration de mise au point à l’infini.

Fig. 20 : Le téléobjectif Micro-Nikkor AF 200 mm f/4D
sans et avec convertisseurs Nikon TC-14 et TC-20.

1.4.2  -  Évolution de la distance focale avec la mise au point.

L’association d’un objectif et d’un convertisseur arrière constitue un nouveau système optique comportant toujours des éléments flottants, même si l’objectif est de type figé (puisque, dans ce cas, l’objectif devient la partie mobile par rapport au convertisseur qui lui reste fixe).

Or, qui dit “éléments flottants” dit “modification de la position des points cardinaux”, ce qui induit forcément une variation de la distance focale. Voyons donc comment évolue la distance focale de l’association d’un objectif et d’un convertisseur arrière au cours de la mise au point…

1.4.2.1  - Cas des objectifs à système optique figé.

L’association de deux systèmes optiques centrés à foyers (ici, un objectif et un convertisseur arrière) forme un nouveau système dont la distance focale (f’) est donnée par la relation suivante :

f’ = f1’ . f2’ / -Delta

Nous l’appellerons “relation d’association”, où f1’ et f2’ sont les distances focales de chacun des deux sous-systèmes, et Delta, ou “intervalle optique”, est la distance entre le foyer principal image du sous-système #1 (F1’) et le foyer principal objet du sous-système #2 (F2). En valeurs algébriques compte tenu du sens de propagation de la lumière (positif de gauche à droite).

La figure 21 présente un système optique très simple constitué d’une lentille convergente (l’objectif) et d’une lentille divergente (le convertisseur arrière) :

Fig. 21 : Courbe de variation de la distance focale d’un système objectif–convertisseur arrière
en fonction de la valeur de l’espace de séparation.

L’objectif est mobile, par conséquent sont point principal image (F1’) se déplace avec lui. Le convertisseur est parfaitement statique, par conséquent son point principal objet (F2) est également fixe. Lorsque l’objectif se déplace, l’espace séparant les deux éléments varie entrainant une variation identique de l’intervalle optique (Delta). Ce dernier étant au dénominateur de la relation d’association, toute variation de l’espace entre les deux éléments entraine une variation de la distance focale de l’ensemble du système, dans le sens opposé. Le graphe (Figure 21, à droite) illustre la variation de la distance focale de l’ensemble du système lorsque l’espace entre les deux éléments varie.

Ce montage simpliste est parfaitement représentatif de ce qui se passe en réalité lorsqu’on effectue la mise au point sur un objectif à système optique figé associé à un convertisseur arrière. Lorsque le plan de mise au point se rapproche, l’objectif s’éloigne du capteur pour réaliser la mise au point. Ce faisant, il s’éloigne du convertisseur qui reste fixe, et la distance focale de l’ensemble du système diminue.

Évidemment, la distance focale du système objectif–convertisseur arrière n’est égale au double de la distance focale de l’objectif que pour une seule valeur de l’espace. Ici, compte tenu de l’épaisseur des lentilles, cette valeur est de 22,8 mm ; avec des lentilles infiniment minces, elle aurait été de 25 mm (puisque 50 x -50 / 100 = -25).

Voyons comment les choses se passent dans la réalité en associant un convertisseur de type TC-14A au 50 mm utilisé précédemment. Réglé sur l’infini, la distance focale f’ = 51,6 mm de l’objectif seul, passe à f’ = 73,9 mm avec le convertisseur (Figure 22). Le coefficient multiplicateur réel du convertisseur est égal au rapport des distances focales avec / sans convertisseur :

MC = 73,9 / 51,6 = 1,43.

Fig. 22 : Objectif 50 mm f/1.8.
Distance focale avec et sans convertisseur de type TC-14A.

A la distance minimale de mise au point, tout le système optique de l’objectif avance de 7,7 mm. Ceci induit une diminution de la distance focale de l’ensemble du système qui passe de f’ = 73,9 mm à f’ = 66 mm (figure 23).

Fig. 23 : Objectif 50 mm f/1.8 avec convertisseur de type TC-14A.
Variation de la distance focale en fonction de la distance de mise au point (de l’infini à 0,45 m).

La figure 24 permet de comparer le système optique de l’objectif seul, au système composé de l’objectif et du convertisseur arrière, tous deux à la distance minimale de mise au point (grandissement maximum). Dans les deux cas, l’image se forme en A’, et le grandissement peut être calculé.

Fig. 24 : Comparaison des grandissements maxi d’un objectif 50 mm f/1.8
avec et sans convertisseur de type TC-14A.

Dans cette configuration (mise au point mini), le rapport des grandissements avec / sans convertisseur est (comme attendu) :

MC = g2 / g1 = -0,213 / -0,149 ≈ 1,43

Alors que le rapport des distances focales avec / sans convertisseur est :

f’2 / f’1 = 66 / 51,6 ≈ 1,28

Note

Pour trouver un 300 mm à système optique figé, il nous faut remonter un peu dans le temps... L’illustration 25 permet de comparer le comportement de la distance focale du Nikkor ED 300 mm f/4.5 avec et sans télé-convertisseur TC-300 (2x).



Fig. 25 : Évolution de la distance focale d’un 300 mm à système optique figé
en fonction de la distance de mise au point, avec et sans convertisseur Nikon TC-301.

Sans convertisseur arrière, la distance focale de ce 300 mm est évidemment parfaitement constante. Alors que la distance focale de l’association objectif-convertisseur est seulement f’ = 489,5 mm à 4 m et augmente progressivement avec la distance de mise au point jusqu’à f’ = 600 mm sur l’infini. Néanmoins, à la distance de mise au point minimale, le grandissement de l’objectif seul est g = -0,095 et le grandissement de la combinaison est g = -0,190 (c’est à dire 2 x -0,095, comme attendu).

2.2.2  -  Cas des objectifs à système optique comportant des éléments flottants.

Prenons, par exemple, le Micro-Nikkor 200 mm f/4D (Figure 26). Sur cet objectif, la mise au point est assurée par le déplacement d’un groupe d'éléments situé entre le groupe frontal et le diaphragme. Pendant l'opération, la partie avant du groupe frontal effectue un mouvement de va et vient (position identique à l'infini et à la mise au point mini).

Le calcul de la position des points cardinaux du Micro-Nikkor 200 mm f/4D dans les deux configurations extrêmes de mise au point montre que le déplacement des éléments assurant la mise au point induit une diminution très importante de la distance focale de l’objectif, passant de f' = 200 mm à f' = 102 mm (voir également une présentation de cet objectif, ici).

Fig. 26 : Les points cardinaux du Micro-Nikkor AF 200 mm f/4D IF-ED réglé sur l'infini
et à la mise au point mini (g = -1).

Contrairement à ce qui se passe avec un zoom, la variation de la distance focale est ici directement liée à la mise au point. Pour maintenir l'image dans le plan du capteur lorsque l'objet se rapproche, le foyer principal image de l'ensemble du système doit avancer. Réduire la distance focale du système est un moyen très efficace d'y parvenir (parmi d'autres). Ce principe de fonctionnement peut être comparé au cas précédent où le même résultat était obtenu en avançant l'ensemble de l'objectif (§ 1.3.1).

Reprenons notre système optique rudimentaire afin de mettre en évidence l’effet d’une variation de la distance focale d'un objectif placé devant un convertisseur (Figure 27). Cette fois, l’espace entre objectif et convertisseur est maintenu constant, mais la lentille convergente (l’objectif) est remplacée par une série de lentilles de focales différentes. Le graphe montre qu’en modifiant la focale de l’objectif, la distance focale de l’ensemble du système varie dans le même sens, mais beaucoup plus vite.


Fig. 27 : Variation de la distance focale d’un système objectif–convertisseur arrière
en fonction de la distance focale de l’objectif.

Ceci est parfaitement logique puisque toute diminution de la distance focale de l’objectif (f1') entraine une augmentation équivalente de l’intervalle optique (Delta). Or, la position de ces deux facteurs dans la relation d’association (f’ = f1’ . f2’ / -Delta) est telle que ces variations agissent dans le même sens sur la distance focale de l’ensemble (f').

Ainsi, dans l'association d'un objectif à mise au point interne et d'un convertisseur arrière, deux phénomènes se conjuguent pour diminuer fortement la distance focale de l'ensemble à distance de mise au point réduite :

L’effet d’un convertisseur arrière sur la position des points cardinaux de l’ensemble du système est donc très important, surtout lorsque le plan de mise au point se rapproche (foyer principal objet et point principal objet projetés loin devant, Figure 28).

Fig. 28 : Grandissement maxi du Micro-Nikkor AF 200 mm f/4D IF-ED
associé à des convertisseurs de type Nikon TC-14 et TC-20.

Note

Le Micro-Nikkor 200 mm f/4D est un objectif de focale relativement longue permettant un grandissement élevé. En ce sens, il constitue un cas extrême (c’est la raison pour laquelle je l’ai choisi pour illustrer mon propos). Cependant, tous les téléobjectifs à mise au point interne présentent une variation de focale importante lorsqu’ils sont associés à un convertisseur arrière.

La figure 29 permet de comparer les courbes de variation de la distance focale et du grandissement d’un téléobjectif de 600 mm (utilisé seul) et de deux 300 mm associés à des convertisseurs.

Fig. 29 : Courbes de variation de la distance focale et du grandissement du Nikkor AF-S 600 mm f/4D
comparées à celles du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G seul ou associé différents convertisseurs.

En configuration de mise au point sur l’infini :

Au fur et à mesure que le plan de mise au point se rapproche, la distance focale des cinq cas étudiés décroît différemment (pour des raisons différentes) :

A distance de mise au point réduite, les courbes de distance focale du Nikkor AF-S VR 300mm f/2.8G seul et associé aux TC-14 et TC-20 montrent une certaine dispersion, mais les courbes de grandissement (à droite) sont parfaitement en accord avec le coefficient multiplicateur des convertisseurs.

Les courbes de grandissement du Nikkor AF-S 600mm f/4D et du Nikkor AF-S VR 300mm f/2.8G avec TC-20 (2x) sont presque superposées malgré leur importante différence de focale à distance de mise au point réduite. Par exemple, à la distance de 6 m, la distance focale du Nikkor AF-S 600 mm f/4D est près de 12 % supérieure à celle du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G associé au TC-20, alors que le grandissement du premier est quasiment égal à celui du second (+ 1,7 %). L’explication est donnée par l’illustration suivante…

Fig. 30 : Position des points cardinaux du Nikkor AF-S 600 mm f/4D
comparée à ceux du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G associé au TC-20,
tous deux en configuration de mise au point à 6 m.

L’association d’un objectif “primaire” et d’un convertisseur arrière a souvent été employée dans la conception d'objectifs “macro”. Ce type de combinaison permet d’atteindre un grandissement élevé en modérant l’amplitude des déplacements (et la masse) des éléments assurant la mise au point. La Figure 31 présente une coupe simplifiée du Micro-Nikkor AF 60 mm f/2.8D. Cet objectif est composé d’un 50 mm à éléments flottants (système CRC) et d’un convertisseur arrière de coefficient 1,2x. La mise au point est assurée de manière conventionnelle par le déplacement de l’objectif vers l’avant (la partie avant de l'objectif avançant plus vite que la partie arrière pour garantir une bonne correction à grandissement élevé). L'utilisation d'un convertisseur permet d’atteindre le grandissement g = -1 pour un déplacement des éléments frontaux inférieur à 43 mm.

Fig. 31 : Fonctionnement du Micro-Nikkor AF 60 mm f/2.8D.

Le Micro-Nikkor 105 mm f/2.8 Ais (Figure 32) adopte un système optique de principe similaire. Ici, l’objectif primaire est un 75 mm f/2 et le coefficient du convertisseur à quatre lentilles est de 1,4x. Comme pour le 60 mm vu précédemment, l’augmentation de l’espace entre les groupes #1 et #2 de l’objectif primaire induit un léger accroissement de sa distance focale. A la distance minimale de mise au point, cette association atteint le grandissement g = -0,5 avec un déplacement des éléments frontaux inférieur à 25 mm.

Fig. 32 : Système optique du Micro-Nikkor 105 mm f/2.8 Ais.

Le Micro-Nikkor AF 105 mm f/2.8D (Figure 33) est plus différent de son prédécesseur qu’il y paraît. Si l’objectif primaire est toujours un 75 mm f/2, le diaphragme est ici placé au centre, et le convertisseur de coefficient 1,4x n’est plus constitué que de trois éléments. De plus, le système CRC agit par diminution de l’espace entre les groupes #1 et #2 de l’objectif primaire, ce qui tend à diminuer sa distance focale. Ceci permet d’atteindre le grandissement g = -1 sans augmenter exagérément le déplacement de l’objectif primaire vers l’avant (moins de 36 mm).

Fig. 33 : Système optique du Micro-Nikkor AF 105 mm f/2.8D.

1.4.3  -  Conclusion.

Quel que soit le système optique de l’objectif, la distance focale d’un ensemble objectif plus convertisseur arrière diminue au fur et à mesure que le plan de mise au point se rapproche.

Le coefficient multiplicateur d’un convertisseur arrière s’applique à la distance focale de l’objectif uniquement lorsque ce dernier est réglé sur l’infini. Dans tous les autres cas, il s’applique au grandissement transversal.

Note (juste pour le plaisir de savoir)

Il est possible de concevoir des convertisseurs arrières de grandissement angulaire supérieur à G = 1 (coefficient multiplicateur inférieur à 1x). Il s'agit alors de systèmes convergents. Bien que la distance focale de l'ensemble objectif plus convertisseur soit alors inférieur à celle de l'objectif seul, cela n'en fait pas pour autant un ensemble grand-angle, bien au contraire. La principale utilité de ce type de convertisseur est de diminuer la distance focale sans réduire la pupille d'entrée du système. L'ouverture géométrique s'en trouve ainsi grandement diminuée (généralement inférieure à N = 1). En contrepartie ces systèmes offrent :

La Figure 34 illustre une étude (réalisée par Mr. M. J. Herzberger – Eastman Kodak Company) d'un convertisseur arrière de coefficient 0,41x. Associé à un 100 mm f/2, l'ensemble devient un très lumineux 41 mm f/0,8.

Fig. 34 : Le convertisseur arrière de Mr. M. J. Herzberger (coefficient multiplicateur : 0,41x).

 

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2  -  Les systèmes afocaux.

Les systèmes afocaux sont très courants. De nombreux instruments optiques sont des systèmes afocaux (jumelles ou lunettes astronomique, par exemple, lorsqu’elles sont réglées sur l’infini) ou intègrent un tel système (certains objectifs grand-angle, certains téléobjectifs et certains zooms). Les convertisseurs frontaux sont également des systèmes afocaux.

2.1  -  Fonctionnement.

Un système afocal est un système dont les foyers sont à l'infini (autrement dit, un système sans foyer) ; donc, sans distance focale.

Deux lentilles suffisent à la réalisation d’un système afocal simple : par exemple, une convergente et une divergente. La Figure 35 montre que, si la position du foyer principal image (F1’) du premier élément (convergent 1) coïncide avec le foyer principal objet (F2) du second élément (divergent 2), alors l'intervalle optique (Delta) est nul. Comme celui-ci est au dénominateur de la relation d'association (f’ = f1’ . f2’ / -Delta), lorsqu'il tend vers zero la distance focale du système tend vers l'infini.

Lorsque F1' et F2 sont superposés, la valeur de l’espace entre les deux lentilles est fixé. Un espace plus réduit donnerait un système divergent. Un espace plus grand produirait au contraire un système convergent (c'est le principe des vrai téléobjectifs).

Fig. 35 : Constitution d’un système afocal simple de type Galiléen.

Lorsqu’un faisceau lumineux de rayons parallèles traverse un système afocal, il en émerge sous forme d’un faisceau de rayons également parallèles. L’image d’un objet situé à l’infini est donc renvoyée à l’infini. Utilisé seul sur un boiter photographique, ce système n'offre pas grand intérêt. Néanmoins, ses propriétés le rendent particulièrement intéressant dans de nombreux cas…

Propriété 1

Tout faisceau incident sous un angle u émerge du système sous un angle u’ différent de u (Figure 36). Comme nous l’avons vu précédemment, le grandissement angulaire (G) du système est :

G = u' / u

Ce grandissement angulaire (G) est une caractéristique fondamentale des systèmes afocaux. Par exemple, le grandissement angulaire des jumelles 8 x 30 est G = 8 (30 étant le diamètre de la pupille d’entrée, en millimètres).

Fig. 36 : Propriétés du système afocal de type Galiléen.

On peut également déterminer la valeur du grandissement angulaire (G) par le rapport :

G = | f1’ / f2’ |

où f1’ et f2’ sont les distances focales respectives des lentilles d’entrée et de sortie du système afocal.

Propriété 2

Le diamètre du faisceau émergent (D’) est différent du diamètre du faisceau incident (D). Le grandissement transversal (g) du système est :

g = D' / D

Contrairement aux systèmes à foyer, le grandissement transversal des systèmes afocaux est constant et indépendant de la distance du sujet.

Comme nous l’avons vu précédemment, le grandissement transversal (g) est égal à l’inverse du grandissement angulaire (1 / G). Ainsi, en prenant toujours pour exemple les jumelles 8x30, on peut facilement calculer le diamètre de la pupille de sortie (D’) :

Grandissement angulaire, G = 8
Diamètre de la pupille d’entrée, D = 30 mm

D’ = D . g
Donc, D’ = D / G = 30 / 8 = 3,75 mm

Propriété 3

Les systèmes afocaux sont théoriquement réversibles : il peuvent être utilisés convergente à l’avant et divergente à l’arrière (systèmes convergent-divergent), ou inversés (systèmes divergent-convergent). Les valeurs de grandissement (G et g) s’inversent avec le système.

Placé à l’avant d’un objectif photographique, un système afocal transforme profondément ses caractéristiques, et ils sont donc souvent utilisés comme convertisseurs frontaux. Ce type de complément optique est très utilisé en photo ou vidéo amateur car il permet d’étendre les possibilités des objectifs non démontables. Comme simples systèmes afocaux, ces convertisseurs frontaux ne doivent pas être confondus avec les convertisseurs arrières qui sont de véritables systèmes divergents (à foyers).

2.2  - Les convertisseurs frontaux.

La Figure 37 illustre la manière dont notre simple couple afocal altère la distance focale d’un objectif de 50 mm selon que la lentille frontale est convergente ou divergente. J’ai dimensionné les éléments du système de manière à obtenir un grandissement angulaire G ≈ 2 lorsque la lentille convergente est à l’avant (grandissement transversal g ≈ 0,5). A l’inverse, lorsque la lentille divergente est placée à l’avant, le grandissement angulaire est G ≈ 0,5 (grandissement transversal g ≈ 2).

On constate que lorsque la lentille convergente est à l’avant (mouse out), la distance focale de l’ensembledu système est f’ = 100 mm. Nous sommes donc en présence d’un télé-convertisseur frontal. Lorsque la lentille divergente est à l’avant, la distance focale de l’ensemble est réduite à 25 mm. C’est alors un convertisseur frontal “grand-angle”.

Dans les deux cas, la distance focale de l’ensemble est le produit de la distance focale de l’objectif par le grandissement angulaire (G) du système afocal auquel on l’associe (c’est une autre différence par rapport aux convertisseurs arrières dont le coefficient multiplicateur est donné par le grandissement transversal).

Fig. 37 : Un convertisseur frontal réversible très simple.
Mouse out : position “télé” (lentille convergente à l’avant).
Mouse over : position “grand-angle” (lentille convergente à l’avant).

Des convertisseurs frontaux réversibles de ce type ont existé dans les années 1950-60 (W. E. Schade, 1956). Certains permettaient un basculement télé vers grand-angle et inversement, sans démontage, par simple rotation. La position intermédiaire (lentilles convergente et divergente de part et d’autre de l’axe optique) autorisait l’utilisation de l’objectif sans convertisseur.

Aujourd’hui, ces accessoires sont des compléments optiques sophistiqués, et les bons convertisseurs frontaux ne sont plus constitués de deux lentilles mais de deux groupes de plusieurs éléments corrigés des aberrations. D’ailleurs, ils sont optimisés pour une utilisation soi comme télé-convertisseurs soi comme convertisseurs grand-angle, et ne sont donc plus réversibles en pratique. Du verre à faible dispersion est même parfois utilisé (éléments #2 et #3 du Nikon TC-E3ED, par exemple).

Fig. 38 : Télé-convertisseur frontal Nikon TC-E3ED (3x).

Fig. 39 : Télé-convertisseur frontal Nikon TC-E3ED sur zoom 8-24 mm en position téléobjectif.

Fig. 40 : Convertisseur grand-angle frontal Nikon WC-E63 (0,63x).

Fig. 41 : Convertisseur grand angle frontal Nikon WC-E63 sur zoom 8-24 mm en position grand angle.

Le coefficient multiplicateur d’un convertisseur frontal s’applique à la distance focale de l’objectif auquel il est associé quelle que soit la distance de mise au point (à la différence du coefficient d’un convertisseur arrière). Correctement dimensionné, un convertisseur frontal n’affecte pas l’ouverture géométrique de l’objectif (alors que par leur principe même, les convertisseurs arrières modifient l’ouverture géométrique des objectifs dans tous les cas).

2.3  -  Autres applications des systèmes afocaux.

Les systèmes afocaux de type Galiléen tels que ceux décrits plus haut ne sont pas utilisés uniquement dans les convertisseurs frontaux : ils font souvent partie intégrante des systèmes optiques de certains objectifs grand-angle ou téléobjectifs.

La Figure 42, par exemple, illustre un téléobjectif (Nikkor AF-S VR 300mm f/2.8G IF-ED) constitué d’un système afocal convergent-divergent placé à l’avant d’un objectif primaire. Les distances focales des différents groupes sont :

Le grandissement angulaire du système afocal est : G = | f1’ / f2’ | ≈ 2,63.
La distance focale de l’ensemble du système est : f' = f3’ . G = 111.7 x 2.63 ≈ 293.7 mm.

Fig. 42 : Téléobjectif Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G : système afocal + objectif primaire.

Les systèmes optiques du Micro-Nikkor AF 200 mm f/4D IF-ED (Figure 26) et du Nikkor AF-S 600 mm f/4D (Figure 30) sont construits sur une base similaire (moins visible sur le 600 mm car, en configuration de mise au point à 6 m, tel qu’il est représenté, la partie arrière du groupe afocal est très proche de l’objectif primaire).

La Figure 43 (ci-dessous) illustre un objectif comprenant un système afocal divergent-convergent placé à l’avant d’un objectif primaire : le Nikkor 28mm f/2 Ais.

La distance focale de l’objectif primaire est f3’ ≈ 42.8 mm, et le grandissement angulaire du système afocal est G ≈ 0,67. La distance focale de l’ensemble du système est alors : f’ = 42.8 x 0.67 ≈ 28.5 mm.

Fig. 43 : Grand-angle Nikkor 28 mm f/2.8 Ais (système afocal + objectif primaire).

Enfin, comme leur nom l’indique, les télézooms à variateur de champ afocal utilisent également les propriétés de tels systèmes. Ainsi, le Nikkor AF 80-200mm f/2.8D (Figure 8) et le Nikkor AF-S VR 70-200mm f/2.8G (Figure 15), parmi beaucoup d’autres, font partie de cette catégorie d’objectifs. Leurs “grands frères” tels que le Nikkor 180-600mm f/8 ED (Figure 44, ci dessous) ou l’impressionnant Nikkor 360-1200 mm f/11 ED avaient ouvert la voie. Le système optique du premier zoom 200-400 mm f/4 ED sorti en 1983, utilisait également un variateur de champ afocal. Quant au dernier Zoom-Nikkor AF-S VR 200-400 mm f/4G, il utilise deux systèmes afocaux en cascade. Le fonctionnement de ces objectifs est présenté à la page Télézooms.


Fig. 44 : Le Zoom-Nikkor 180-600mm f/8 ED Ais (système afocal + objectif primaire).

Jusque là nous n’avons vu que des systèmes afocaux utilisés en position frontale ; cependant ils peuvent aussi être placés en position intermédiaire (principalement sur des zooms). Nos confrères anglophones appellent ces accessoires intégrés des “extenders”, puisqu'ils étendent la plage de variation de la distance focale des zooms auxquels ils sont associés. Un mécanisme de basculement permet d’inclure l’extender dans le système optique du zoom, ou bien de l’escamoter. Les extenders sont communément utilisés depuis de nombreuses années sur les zooms de caméras vidéo professionnelles, mais la sortie du Canon 200-400 mm f/4 indique qu’à l’avenir ils pourraient l’être également sur les zooms interchangeables des appareils photographiques reflex.

Un extender agit sur la distance focale de l’objectif exactement de la même manière qu’un convertisseur frontal. La distance focale de la combinaison est égale au produit de la focale de l’objectif par le grandissement angulaire (G) de l’extender. Généralement, l’extender s’intègre au sein de l’objectif primaire d’un zoom, dans un espace séparant deux groupes d’éléments entre lesquels les rayons lumineux sont parallèles (dans l’exemple ci-dessous, l’objectif primaire est situé à droite du diaphragme d’ouverture).

La Figure 45 illustre un zoom vidéo professionnel 19 x 9,5 mm réglé sur une distance focale de 100 mm (mouse out). Cet objectif est livré avec un extender de coefficient multiplicateur 2x. Lorsque celui-ci est actif (mouse over), le diamètre du faisceau de lumière traversant l’espace central de l’objectif primaire est réduit de moitié. Le point principal image (H’) est alors rejeté deux fois plus loin vers l’avant : la distance focale est doublée.

Fig. 45: Zoom Canon 19 x 9.5mm f/1.85-2.85 avec extender 2x.

Ce zoom 9.5-180.5mm f/1.85-2.85 devient donc un zoom 19-361mm f/3.7-5.7 lorsque l’extender est actif.

 

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P.T., le 25 juillet 2010.
Page mise à jour le 24 février 2011.

 

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Références :

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• Catadioptric telephoto lens (USP 4666259 - Yutaka Iizuka - 1987).
• Retrofocus type wide angle lens (USP 4690517 - Daijiro Fujie - 1987).
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• Wide converter lens (USP 6504655B2 - Atsushi Shibayama - 2003).
• Zoom lens system (USP 6693750B2 - Susumu Sato - 2004).
• Zoom lens and photographing system – USP 6,965,481 B2 – Yasuyuki Tomita, Shinichiro Yakita – 2005.
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• Imaging lens, optical device thereof, and method for manufacturing imaging lens (USP2009/0190220A1 - Haruro Sato - 2009).
• Optique géométrique (Imagerie et instruments) - Bernard Balland - 2007.
• Lens design Fundamentals - Rudolf Kingslake - 1978.
• A history of the photographic lens - Rudolf Kingslake - 1989.
• Modern Optical Engineering – Warren J. Smith – Fourth edition 2008.

 

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