Objectifs photo et respiration de mise au point

Bonjour,

Ce sujet se rapporte plutôt à un usage diurne des objectifs photos qu'un usage astro. Mais nous sommes nombreux à nous servir de nos objectifs pour les deux usages.

Voici la description du phénomène.

La focale indiquée sur les objectifs photo est la focale d'un objet situé à l'infini. Elle est globalement correctement renseignée à quelques % près.

Par contre quand on image un objet proche, la focale peut changer notablement et se mettre à différer de la focale indiquée. C'est de l'optique, ce n'est pas un défaut de conception. L'image formée d'un sujet rapproché se trouve focalisée plus loin que l'image d'un sujet à l'infini : pour faire la mise au point, les constructeurs doivent donc modifier la position des lentilles.

Comme les objectifs, et encore plus les zooms, sont constitués de plusieurs groupes de lentilles convergentes et divergentes, la mise au point se fait en déplaçant des groupes de lentilles par rapport à d'autres. La focale résultante de l'ensemble des lentilles change quand on fait la mise au point d'un sujet proche.

Sur mon Canon 70-200 F/4L, j'ai ainsi mesuré qu'à partir de 5 m et jusqu'à l'infini, la focale réelle était proche de 200 mm, par contre à 2 m elle était de près de 220 mm : alors que la gravure sur l'objectif et l'Exif de l'image indiquent 200 mm.

Avec d'autres objectifs, l'évolution peut aller dans l'autre sens et la focale raccourcir pour les objets proches. On peut ainsi se retrouver avec deux objectifs l'un réglé à 200 mm, l'autre à 300 mm qui donneront des images contraires à ce que l'on attendait, comme montré ici :

Sur cette photo, on voit nettement (la perspective de la prise de vue n'a rien à voir) que le 300 mm donne une image plus petite que le 200 mm alors que les deux photos ont été prises en studio à la même distance (à 20 cm près) du sujet. Pas de "crop factor" ici, les deux capteurs sont des plein format (24x36) et la visualisation est faite à la même échelle.

Il se trouve juste que le zoom Canon grossi l'image pour les sujets proches, au delà de la focale indiquée, et que le zoom Sigma la rétréci en dessous de la focale indiquée. Au final, pour des sujets proches, le zoom Canon à 200 mm aura une focale réelle plus longue que le zoom Sigma à 300 mm. On a intérêt à le savoir avant d'investir plus de 2000 EUR dans l'un de ces objectifs, si on a aussi l'intention de les utiliser pour des sujets proches !

Par contre, à l'infini, le Sigma à 300 mm aura vraiment une focale de 300 mm et le Canon à 200 mm une focale de 200 mm (à quelques mm près).

Ce phénomène est appelé "variation de focale avec la mise au point" ou en anglais (c'est plus court) "lens focus breathing".

En quoi cela peut-il être un problème ?

En général on s'en fout complètement !

Par contre là où ça devient gênant, c'est quand on cherche un objectif en remplacement d'un autre pour des photos de sujets proches (photos de mariages, photos en studio...) et qu'on souhaite une focale plus grande. Si on achète le Sigma 120-300 pour remplacer le Canon 70-200 on fait un mauvais choix !

En vidéo, ce phénomène optique est assez gênant quand, sur un même plan séquence, on fait la mise au point sur un sujet en premier plan puis ensuite sur un sujet en arrière plan et ainsi de suite, le cadrage gonfle et dégonfle quand la MAP change ce qui rend l'image peu agréable à regarder aux yeux du spectateur : l'expression anglaise "focus breathing" prend tout son sens.

En macro-photo, on fait aussi le focus bracketing, qui consiste à prendre le même sujet à diverses position de la MAP quand la profondeur de champ ne permet pas d'avoir tout le sujet net sur la même photo. Ensuite on recompose les images avec un logiciel afin d'avoir une image nette sur toute la profondeur. Si la dimension de l'image change à chaque fois qu'on change la mise au point, ça complique le travail de compositage.

Vous pouvez tester vos objectifs. La procédure est simple.

Méthode simple mais sans mesure

1. Faire la mise au point sur un sujet proche

2. Changer la mise au point manuellement vers l'infini et noter si l'image (qui devient floue) grossi ou rétrécit ou ne change pas de dimension

3. Refaire la MAP et changer la manuellement vers 0 m et noter si l'image (qui devient floue) grossi ou rétrécit ou ne change pas de dimension

=> s'il y a changement de taille notable, c'est que l'objectif change de focale pour faire la mise au point

Méthode plus complexe mais qui permet de mesurer la focale

A ) Prises de vues

1. Faire deux petits points sur une feuille blanche écartés de 5 cm

2. Scotcher la feuille blanche sur un mur

3. Poser au sol un décamètre en face de la feuille blanche (vous devez avoir au moins 5 m de recul)

4. Régler l'objectif sur la focale à étudier, par exemple 200 mm.

5. Placer un bout de scotch sur l'objectif à une distance identique à la focale étudiée, en partant de la marque du capteur du boitier

6. Installer le trépied avec l'appareil photo et son objectif en plaçant le bout de scotch installé en #5 à 1,5 m de la feuille

7. Faire la mise au point et prendre une photo des deux points (si les deux points ne tiennent pas ensemble dans le cadre, en faire deux autres plus rapprochés). Si on arrive pas à faire la MAP, passer en #8

8. Recommencer à partir de # en reculant le trépied de 50 cm jusqu'à ce qu'on ait reculé à plus de 5 m (jusque 10 m c'est mieux).

B ) Calculs des focales réelles

Il faut pour cette étape connaître la taille des photosites du capteur, en µm. Vous pouvez vous servir des données renseignées sur la page de la règle NPF de la SaHavre.

1. Ouvrir la première image (prise à 1,50 m)

2. Mesurer la distance en pixels entre les deux points, noter dans un tableur la distance de la prise de vue et l'écartement des deux points

3. Recommencer depuis #1 avec les autres images

4. La focale se calcule avec la formule : F=n*L*p/H où, n est le nombre de pixels entre les deux points, L (en m) est la distance entre la feuille de papier et le bout de scotch, p est la taille d'un photosite (en µm) et H est la distance entre les deux points sur la feuille (en mm). Attention aux unités !

Exemple, la distance entre les deux points est 109 mm, la distance de prise de vue est de 2,00 m, la taille des photosites est de 4,7 µm et le nombre de pixels entre les deux points sur la photo est de 2533 px. La focale réelle sera alors F=2533*2.00*4.7/109=218 mm (mon objectif était réglé sur 200 mm, il y a un écart de près de 10%).

Pour mon Canon 70-200 F/4L USM à 200 mm, les mesures donnent :

- à 2 m : 218 mm

- à 2.5 m : 211 mm

- à 3 m : 206 mm

- à 3.5 m : 205 mm

- à 4 m : 204 mm

- à 4.5 m : 202 mm

- à 5 m : 200 mm

Si vous avez envie de vous lancer dans la mesure de vos objectifs, allez y !

merci Fred, très interessant.

Pour ceux qui n'auraient pas suivi l'autre fil de discussion, et puisque tu remets ça ici, moi aussi je redonne l'explication tout à fait optico-géométrique à tes mesures expérimentales :

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Alors là, ta manip ne peut pas mieux tomber et je suis ravi d'en connaître le résultat car il correspond exactement au calcul que j'ai effectué.

Je peux, si tu le souhaites, en donner les détails (un petit croquis et deux ou trois petites lignes de calcul). Sinon, l'expression théorique est :

d = F x 1/(1 - F/D)

(Avec d "Focale apparente", F focale de l'objectif utilisé, et D distance du sujet).

Dans ton cas, avec F = 200 mm et D = 2 m, cela donne :

d = F x 1/(1 - 0,2/2) # F x (1 + 0,1)

Soit d = 1,1 x F

On trouve donc bien exactement les 10% d'augmentation de la focale, accroissement que tu as expérimentalement constaté (218 mm pour 200 mm nominaux).

C'est génial !

PS : Et encore une fois, "Focale apparente" signifiant que "Tout se passe comme si..."

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Attention, je ne nie pas que certains objectifs puissent voir leur valeur de distance focale varier avec la distance de mise au point (encore que... ) mais je dis que ton constat s'explique très bien, comme je le montre ci-dessus, sans avoir recours à ce subterfuge. Pourquoi donc imaginer une solution compliquée alors que la réponse est basique...?

(Une petite épure optique à la portée de tous suffit déjà à le montrer qualitativement, à chacun de refaire les calculs).

Toutiet, les formules que tu utilises sont pour des systèmes optiques à une lentille mince. Or les objectifs photo sont autrement plus complexes, comme par exemple celui que j'ai testé :

20 éléments en 15 groupes, avec des lentilles convergentes et d'autres divergentes. La mise au point se fait sur des groupes à l'intérieur de l'objectif (j'ai pas trouvé lesquels). Bref c'est très loin de se comporter aussi simplement qu'une unique lentille mince ! Mais ton calcul a le mérite de montrer que le phénomène identifié est un pur phénomène d'optique et non un défaut de conception, comme certains auraient pu le penser.

Salut Fred,

Explication vraiment intéressante !

C'est tellement complexe à l'interieur...

J'ai démonté un 18-200 tamron sans jamais arriver à le remonter... La conception n'a sans doute pas grande chose à voir avec un série L, mais la MAP était faite sur une lentille très proche de l'ouverture de l'objo (à gauche ici :-)).. Par contre, elle était reliée à quasiment toutes les autres lentilles proches, qui bougaient très légèrement avec une complexité très énervante .

Il était "mort", il a fini sa vie à la poubelle !

Allez voir par ici et par là pour y comprendre quelque chose, le monsieur a fait des animations très utiles pour y comprendre quelque chose, et il s'appuie sur des exemples concrets.

Fred_76,

J'ai bien compris ta manip et viens de l'examiner en détail.

Finalement, dans les préparatifs, le trait du scotch repère, placé sur l'objectif, matérialise en quelque sorte la position du centre optique de la lentille mince fictive représentant l'objectif. Il est situé à la distance de 200 mm du repère boîtier. OK. C'est finalement la position du centre optique pour des objets à l'infini.

Bien. Maintenant, quand tu fais un relevé pour une distance objet de 1,5 m, rien ne dit que le résultat du calcul (que tu nommes F) soit représentatif de la nouvelle distance focale (Peut-être... mais ça ne le démontre pas. Si ça se trouve, la distance trait-capteur peut très bien ne pas bouger si la mise au point est un déplacement interne d'éléments). Ça montre juste que cette distance calculée répond au théorème de Thales (proportionnalité entre taille Objet/Image et rapport distances Objet/Capteur). C'est tout. Cela ne dit pas que la valeur de la distance focale intrinsèque de l'objectif a évolué. Elle a très bien pu rester constante comme elle a pu aussi évoluer, dans un sens ou dans l'autre, d'ailleurs.

Une méthode serait peut-être de prendre l'objectif tel quel, dans la position de réglage de la mise au point à 1,5 m, puis de le monter à distance d'un capteur indépendant (autre boîtier nu...), et de faire ensuite une mesure d'écartement (en pixels) sur des images stellaires d'écartement angulaire connu (après ajustement de la mise au point par seul déplacement longitudinal du capteur).

Tu vois, je crois que tu as encore de bonnes manips à faire devant toi...

Pour illustrer le propos, voici une petite vidéo qui montre en quoi l'effet de "respiration à la mise au point" peut être problématique en vidéo avec l'effet de yoyo qu'il induit quand la MAP passe alternativement d'un premier à un second plan :

Salut,

C'est très intéressant

On peut observer le même phénomène sur des objectifs plus simples, les catadioptriques dont la map s'effectue par déplacement du primaire ; il me semble que la focale résultante du système lame/primaire/secondaire peut varier de manière assez importante selon les conceptions, non ?

Oui, c'est ce qui est illustré par le calcul de Toutiet sur un système simple.

Pour les systèmes complexes, voir les pages citées par Moot.

Mais je ne suis pas convaincu qu'il ne faille pas d'abord, et tout simplement, appliquer le raisonnement purement opto-géométrique (qui suffit en lui-même à expliquer le phénomène) et, ensuite, éventuellement prendre en compte la modification (possible ou pas) de la distance focale (probablement très difficile à exploiter, tant la complexité des objectifs est grande).

Il est (presque) quand même intuitif que, lorsque la MAP n'est pas faite à l'infini, le grandissement introduit (entre taille d'image et taille objet) varie en fonction de la position de l'objectif (donc de la distance de MAP), coincé qu'il est entre objet et capteur. D'où la "respiration apparente" observée en agissant sur la mise au point .

Tu veux en venir ou ?

Simplement au fait qu'on met sur le compte d'une explication technique due à la complexité des objectifs (c'est vrai:mad:) un phénomène qui s'explique tout naturellement sans cela. On cherche vraiment une complication là où, au premier degré, il n'y en a pas. Pourquoi ne pas en rester à l'explication du "1er ordre"...?

Il était "mort", il a fini sa vie à la poubelle !

C'est bête, tu récupérais la grosse lentille et en la plaçant devant un objectif, tu faisais du macro avec un bokeh de rêve. Ça marche aussi sur un compact et même que ça serait là le plus intéressant. Bah, ça sera pour la prochaine fois quand tu feras tomber ton télé tout neuf à beaucoup de $$$ ou d'€€€... :D

Salut RV, je n'ai pas dit qu'il avait entièrement fini à la poubelle .

Je me demandais quoi faire de cette grosse lentille :-)

Merci!

Edit: je viens de tester, c'est extra

La grosse lentille est souvent aspherique, donc adaptée aux groupes qui suivent et pas forcément à un autre téléobjectif... Il faut tenter !

@Toutiet : oui, pourquoi faire compliqué quand on peut faire simple. Au lieu d'utiliser un moteur à explosion, on peut aussi - au premier ordre - se contenter d'un vélo. Et même à l'ordre 0, les jambes suffisent

La grosse lentille est souvent aspherique, donc adaptée aux groupes qui suivent et pas forcément à un autre téléobjectif... Il faut tenter !

 

@Toutiet : oui, pourquoi faire compliqué quand on peut faire simple. Au lieu d'utiliser un moteur à explosion, on peut aussi - au premier ordre - se contenter d'un vélo. Et même à l'ordre 0, les jambes suffisent

Ce n'est pas tout à fait pareil. Là, tu parles de moyens mis en œuvre pour obtenir un résultat donné. C'est vrai qu'on peut aussi aller à la chasse avec un arc...

Mais, dans notre cas, c'est différent. On recherche l'explication la plus simple, celle qui vient spontanément à l'esprit (le "1er ordre"), pour un constat donné. Ce n'est pas du tout pareil. Aucune raison de se prendre la tête inutilement . Ainsi, si on voit l'ensemble du ciel et des étoiles tourner autour de nous, avec toute la masse que cela représente !, il est quand même plus simple de penser que c'est la Terre qui toune en-dessous, sur elle-même, non ? (C'est bien d'ailleurs ce qu'a fait Galilée en mettant fin aux solutions compliquées à base de cycloïdes, épicycloïdes et tout le bazar...)

Salut Fred ,

si ton Serie L n'est pas linéaire sur l'ensemble de la plage focale , c'est qu'il est déréglé.

Il faut obligatoirement qu'il soit reréglé en atelier.

C'est justement l'intérêt des objectifs PRO , que l'appareil ou l'utilisateur ( en mode manuel ) n'est pas pas a refaire la mise au point lors d'un changement de focale ( ou très peu ).

Surtout intéressant pou la photo sportive.

Il existe pour chaque groupe de lentille plusieurs guides excentriques permettant le réglage de l'ensemble de l'optique sur banc.

Il y a également toute une série de cales qui permettent de correctement équilibrer l'ensemble des plages focales , pour que celui ci soit linéaire.

Pour info pour pouvoir régler un 70/200 sur banc optique , il faut une chambre noir avec 15m de profondeur minimum.

Il y a beaucoup d' objectifs de la série EFS qui sont souvent parfaitement linéaire .

François

Mon 70-200 F/4L a une MAP stable quand je change la focale. Pas de problème de ce coté là, par contre il souffre d'une décollimation (tilt) qui fait que lorsque je fais la MAP au centre de l'image, la partie droite est nette, mais à gauche c'est légèrement flou. Pas beaucoup, et ça ne se voit qu'à pleine ouverture dans le chromatisme que le logiciel interne n'arrive pas à corriger complètement, ou en astrophoto.

J'ai pris contact avec EOS Ouest pour avoir un devis.

Vu que j'ai maintenant un 6D, mon objectif EF-S ne me sert plus (18-55 EF-S II) et est à vendre. Mon EF 55-200 est aussi à vendre, à bon entendeur !

L'annonce : http://www.webastro.net/petites_annonces/objectifs-canon-18_55--55_200_36172.htm