Analyse Documentaire (AD)
L’appareil photographique numérique
Travail à faire :
o Lire les documents.
o Répondre aux questions posées en fin d’énoncé.
o Faire un bilan dans votre cours sur l’influence de la focale, de la durée d’exposition et du diaphragme sur la formation d’une image par un appareil photographique numérique.
Document n°1 - Modélisation d’un appareil photographique numérique
2) Prisme de visé 4) Réglage de la mise au point
5) Diaphragme 6) Lentille frontale de l’objectif
9) Miroir 10) Obturateur 11) Capteur CCD 16) Viseur
APN vu de profil Vue en coupe d’un APN
Un appareil photographique numérique (APN) comprend plusieurs éléments.
o Un groupe de lentilles (une dizaine), qui donne d’un objet réel une image réelle, inversée, au niveau du capteur. Cette association de lentilles permet de corriger les nombreux défauts de ces dernières (aberrations géométriques et chromatiques) et ainsi de pouvoir s’éloigner des conditions de Gauss sans (trop) en subir les conséquences. Nous assimilerons ce groupe de lentilles à une lentille unique, appelé objectif, de distance focale 𝑓’.
o Un diaphragme, qui limite l’ouverture du faisceau lumineux entrant ; o Un obturateur, mécanisme intégré à l'appareil photo qui permet de
laisser entrer la lumière sur le capteur pendant une période donnée.
o Un capteur numérique qui transforme le signal lumineux reçu en signal électrique, il est caractérisé par sa taille et son nombre total de pixel.
Pendant la visée, le miroir renvoie la lumière vers le prisme de visée, qui la renvoie vers le viseur. Il se relève quand on appuie sur le déclencheur pour laisser la lumière atteindre le capteur situé derrière lui.
Série n°1 - seule la distance d change entre les photographies
Le réglage de la mise au point permet que l’image de l’objet photographié se forme sur le capteur. Pour cela, on ajuste la distance entre l’objectif (mobile) et le capteur (fixe).
Document n°2 - Distance focale de l’objectif
On appelle angle de champ l’angle maximal α que va pouvoir capter un APN possédant un objectif de focale 𝑓′. Plus précisément, l’angle α est le diamètre apparent de la diagonale du capteur vu depuis le centre O de la lentille, lorsque ce premier est placé dans le plan focale image de cette dernière.
Les objectifs standards du commerce ont une focale égale à 𝑓’ = 50 mm. Ces objectifs ont un champ angulaire de 46 °, équivalent à celui de l’œil humain.
Un téléobjectif possède une focale supérieure à celle de l’objectif standard. Le champ angulaire d’un téléobjectif est alors plus faible que celui de l’objectif standard.
Inversement, un objectif grand angle a une focale inférieure à celle de l’objectif standard : le champ angulaire sera alors supérieur à celui de l’objectif standard. Cet objectif permet donc d’embrasser une vue très large, et convient donc pour photographier un paysage.
Champs angulaires pour un capteur
« plein format » ou « full frame », c’est-à- dire de dimension : 24 mm × 36 mm
Série n°2 - seule 𝑓′ change entre les photographies
Série n°3 - seule 𝑓′ change entre les photographies
Document n°3 - L’exposition
L'exposition est une notion fondamentale en photographie. Une photo correctement exposée est obtenue lorsque la surface sensible a reçu une quantité de lumière appropriée par rapport à la luminosité de la scène que l'on a photographié. Cette quantité de lumière dépend des 3 paramètres suivants.
L’ouverture du diaphragme de l’objectif
L'ouverture d'un objectif photographique est le réglage qui permet d'ajuster le diamètre d'ouverture du diaphragme.
Elle est caractérisée par le nombre d’ouverture NO (ou simplement ouverture), défini par : NO =𝑓′
D
où 𝑓′ est la focale de l’objectif et D le diamètre du diaphragme. A focale constante, NO augmente lorsque l’on ferme le diaphragme, ce qui a pour effet de :
o réduire l'éclairement du capteur ;
o augmenter la profondeur de champ (voir document 4) ;
o dans une moindre mesure, de réduire les aberrations géométriques et chromatiques, ainsi que d’augmenter l'influence de la diffraction.
Sur les objectifs photographiques, c’est en réalité le diamètre du diaphragme qui est porté par des indications 𝑓 NO⁄ . Par exemple, 𝑓 2⁄ pour un objectif de 50 mm de distance focale signifie que le diaphragme possède un diamètre de 50 2⁄ = 25 mm.
Les valeurs standard de NO et D sont :
NO 1,4 2 2,8 4 5,6 8 11 16 22 32
D 𝑓 1,4⁄ 𝑓 2⁄ 𝑓 2,8⁄ 𝑓 4⁄ 𝑓 5,6⁄ 𝑓 8⁄ 𝑓 11⁄ 𝑓 16⁄ 𝑓 22⁄ 𝑓 32⁄
Illustration des différents diamètres du diaphragme
𝑓 4⁄ 𝑓 5,6⁄ 𝑓 8⁄ 𝑓 11⁄ 𝑓 16⁄
Série n°4 - seul NO change entre les photographies
Temps de pose ou vitesse d’obturation
L’obturateur situé devant le capteur de l’appareil photo s’ouvre plus ou moins longtemps, déterminant ainsi le temps de pose (noté T) correspondant au temps durant lequel le capteur va recevoir de la lumière.
En photographie, le temps de pose s’exprime généralement en secondes ou fractions de seconde. Un long temps de pose permet d’exposer longtemps la surface du capteur, ce qui est utile pour les scènes peu lumineuses. A l’opposé,
un court temps de pose permet d’exposer très peu de temps le capteur, ce qui est utile pour photographier des scènes très lumineuses ou en mouvement.
Les valeurs habituelles trouvées sur les appareils numériques sont les suivantes :
T (s) 1/4000 1/2000 1/1000 1/500 1/250 1/125 1/60 1/30 1/15 1/8 1/4 1/2 1 2 Le temps de pose joue un rôle important lorsque l’objet à photographier se déplace. Un temps de pose court fige le sujet : on ne peut distinguer s’il est en mouvement ou non. Un faible temps de pose long va créer une image floue, suggérant à l’œil un mouvement.
Pour savoir si l’image d’un point objet en mouvement sera floue, il faut calculer le déplacement du point image sur la surface du capteur CCD durant la totalité du temps de pose. Si cette distance est supérieure à la taille caractéristique d’un pixel, alors l’image commence à se flouter.
Série n°5 - seul T change entre les photographies
On remarque que les réglages du temps de pose T et du nombre d’ouverture NO influent tous les deux sur la quantité de lumière reçue par le capteur et donc la luminosité du cliché. En effet, l’énergie lumineuse E reçue par le capteur est proportionnelle au temps d’exposition et à la surface du diaphragme :
E = k T NO2 où k est une constante.
La sensibilité ISO
La sensibilité ISO est la mesure de la sensibilité à la lumière des capteurs numériques. Plus l’indice ISO est élevé, plus la sensibilité est grande, ce qui permet de faire des photographies à faible luminosité. Lorsque l’indice ISO est doublé, la quantité de lumière nécessaire pour avoir une image de même luminosité est divisée par deux.
ISO 100 ISO 200 ISO 400 ISO 800 ISO 1600 ISO 3200 ISO 6400
Série n°6 - seule la sensibilité ISO change entre les photographies
Cela présente toutefois un inconvénient : l’augmentation de sensibilité se fait par amplification du signal électrique recueilli, ce qui génère du bruit et dégrade l’image.
ISO 100 (gauche) IS0 1600 (droite)
Document n°4 - Profondeur de champ
On appelle profondeur de champ (PDC) la distance entre les deux points extrêmes de l’axe optique dont les images sont vues nettes sur le capteur de l’APN. Une grande PDC permet d’avoir une photographie nette sur un grand nombre de plans (une fleur en premier plan avec une montagne en arrière-plan, par exemple), alors qu’une faible PDC ne permet d’avoir une photo nette que localement (la fleur uniquement).
Illustration de la profondeur de champ
Un faisceau issu d’un point objet quelconque situé sur l’axe optique, intercepte le plan du capteur CCD selon une surface (il fait une « tâche » sur le capteur). Cette tâche sera perçue comme une image ponctuelle par le capteur si sa dimension est inférieure à la taille d’un pixel, notée ε.
Sur le schéma ci-dessus, les plans perpendiculaires à l’axe optique passant par A1 et A2 définissent respectivement le premier et le dernier plan net. Tout objet compris à l’intérieur de ces plans apparaitra net sur l’image et tout objet situé à l’extérieur apparaitra flou.
Il est possible de montrer qu’en première approximation :
PDC = A1A2= 2 ε OA2 NO 𝑓′2
où OA est la position de mise au point (distance à laquelle un objet ponctuel forme une image ponctuelle sur le capteur). On constate ainsi que la PDC dépend fortement de l’ouverture du diaphragme ainsi que de la distance focale.
Série n°6 - influence du NO sur la PDC (la sensibilité ISO est ajustée pour avoir une exposition semblable)
Questions
1)Les modélisations de l’œil et de l’APN sont très semblables mais diffèrent d’un élément majeur, lequel ?
2) La position de la lentille relative au capteur peut varier entre dmin= 𝑓′ et dmax. Considérons un objectif de focale 50 cm.
a)Où se situe un objet sur lequel la mise au point est réalisée avec la distance dmin ? Justifier à l’aide d’un schéma.
b) Sachant que la lentille peut être déplacée au maximum de 5 cm, déterminer la distance minimale entre l’objectif de l’APN et un objet sur lequel il est possible de faire la mise au point. Justifier à l’aide d’un schéma.
3) Jouons sur la distance focale de l’objectif.
a) Déterminer la relation qui lie la focale de la lentille et le champ angulaire α. Vérifier que l’on retrouve bien la correspondance entre 𝑓′ et α indiquée dans le document 2.
b) Commenter et expliquer à l’aide de schémas les séries de photos 2 et 3.
c) Déterminer la focale qu’il faudrait pour obtenir le mode « fisheye ». Conclure.
4)Un photographe souhaite prendre une photo verticale de la Tour Eiffel dont la hauteur est h = 324 m. Il se trouve à l’autre bout du champ de Mars à 900 m de distance du monument. Calculer l’angle de champ nécessaire et en déduire le type d’objectif qui lui permettra de prendre l’intégralité de la tour en photo.
5) Jouons sur l’éclairement.
a)Les valeurs de NO suivent une suite. Préciser la raison de cette suite. En déduire comment varie l’énergie lumineuse reçue par un capteur entre deux valeurs consécutives de NO.
b)Reprendre la question précédente pour les valeurs de T.
c)Considérons une photo prise avec les réglages suivants : NO1= 5,6 et T1= 1 250⁄ . Un photographe souhaite reproduire la même photographie sans changer la sensibilité ISO et avec NO2 = 11. Quel doit être le temps de pose pour avoir la même quantité de lumière ?
6)Sur quel paramètre faut-il jouer pour obtenir un effet de filé comme sur la photo ci-dessous ? Quelle difficulté technique cela peut présenter ?
7) Les deux photos ci-dessous ont été prises dans des conditions similaires avec une focale de 200 mm, 100 ISO et les 2 couples suivants (f/5,6 ; 1/320 s) ou (f/25 ; 1/15 s). Associer à chaque couple la bonne photo. Justifier votre raisonnement.
8) Expliquer pourquoi, si l’on veut effectuer une photographie de nuit, il est très difficile d’obtenir un cliché net avec une grande profondeur de champ.
9) La profondeur de champ est reliée à un concept vu en cours. Lequel ?
10) Un portraitiste photographie un visage en visant le nez du sujet situé à 3 m. Il dispose d’un appareil reflex « full frame » à 22,3 millions de pixels et utilise un objectif de focale 100 mm ouvert à 𝑓/2. Estimer la taille d’un pixel. En déduire la profondeur de champ. Ce choix de paramètres est-il pertinent ?
11) Le Bokeh est une technique de photographie qui consiste jouer sur la forme des objets situés en arrière-plan, au- delà du dernier plan net.
a) Sur quels paramètres faut-il jouer pour rendre des lumières situées en arrière-plan floues ?
Illustration de la technique du Bokeh
b) L’effet peut être modifié en ajoutant un diaphragme dont la forme de l’ouverture est personnalisée. Les objets en arrière-plan prennent alors la forme du diaphragme. Expliquer cet effet.
Illustration du Bokeh avec un diaphragme dont la forme est personnalisée 12)Etudions la série de photos suivante.
𝑓 5,6⁄ 𝑓 11⁄ 𝑓 16⁄ 𝑓 32⁄
a) Quel phénomène gênant met-elle en évidence ?
b) Pour une source monochromatique à l'infini et une mise au point à l'infini la tache de diffraction a un diamètre de :
d = 2,44λ 𝑓′ D
En prenant une longueur d’onde de 550 nm et un pixel de 6 µm de côté, estimer la valeur de NO pour laquelle la diffraction devient visible.
13) Si vous deviez conclure : quels réglages (focale, ouverture, temps de pose) faut-il choisir pour photographier (aucune valeur numérique n’est demandée) :
a) un paysage ; b) un portrait ;
c)un évènement sportif.
