PHOTOGRAPHIE = profondeur de champ

La profondeur de champ
La profondeur de champ correspond à la zone où l'image est nette (voir image plus bas).
La profondeur de champ dépend en fonction de l'appareil photo, de l'ouverture du diaphragme
et de la distance entre l'appareil et le sujet.
Voici un diagramme qui permet de comprendre que la profondeur de champ n'est autre
que la zone dans laquelle un sujet est net :
La maîtrise de la profondeur de champ est absolument indispensable pour la réussite de la plupart des prises de vues.
La profondeur de champ ne passe pas du flou au net directement :
il y a une zone de transition comme on le voit sur cette image.
En fait, tout ce qui est immédiatement devant et derrière du point sur lequel on fait la mise au point commence à perdre
de la netteté, même si ce n'est pas perçu par l'oeil, ou que la résolution de l'image ne permet pas de le voir.
Contrôler la profondeur de champ
Les deux éléments les plus importants pour contrôler la profondeur de champ sont :
- l'ouverture du diaphragme.
- la distance entre l'appareil et le sujet.
Plus l'ouverture est grande (= plus le chiffre f/ est petit) et plus on s'approche du sujet, plus la profondeur de champ est
réduite.
Voici deux exemples de photos prises à la même distance du sujet :
Exemple 1 :
avec un diaphragme très fermé (f/32),
la profondeur de champ est grande : le fond est visible
Exemple 2 :
avec un diaphragme très ouvert (f/5),
la profondeur de champ est réduite : le fond est flou
On remarque ici que le sujet est mieux mis en valeur dans l'exemple 2, puisque le fond ne vient pas distraire l'oeil :
l'attention se porte sur le sujet principal.
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Influence de la focale sur la profondeur de champ
Je n'ai pas encore mentionné la focale dans les paramètres qui influent sur la profondeur de champ.
En fait, même si les téléobjectifs créent une profondeur de champ très réduite, c'est principalement parce qu'ils sont
souvent utilisés pour rendre un sujet plus grand qu'il n'est dans la réalité (parce qu'on ne peut pas s'approcher de lui
pour prendre la photo).
Si le sujet occupe la même place dans le viseur quel que soit l'objectif (du grand angle au téléobjectif), la profondeur de
champ est en fait virtuellement constante quand la focale augmente.
Explications :
Dans ce tableau, on s'éloigne au fur et à mesure du sujet, mais il occupe à chaque fois le même espace dans le viseur,
puisqu'on augmente la focale de l'objectif fur et à mesure :
Focale (mm)
Distance du sujet (m)
Profondeur de champ(m)
10
0.5
0.482
20
1.0
0.421
50
2.5
0.406
100
5.0
0.404
200
10
0.404
400
20
0.404
On note que la profondeur de champ reste à peu près identique
(sauf pour les focales très petites (il s'agit là d'un détail négligeable comparé à l'influence de l'ouverture et de la distance).)
Pour faire plus simple, on peut retenir que plus on utilise un objectif à focale élevée (téléobjectif), plus la profondeur de
champ sera réduite, même si c'est une construction de l'esprit.
(comme on l'a démontré ci-dessus, c'est dû à l'agrandissement du sujet, et non à la focale).
Les focales élevées donnent l'impression d'une profondeur de champ réduite parce qu'elles modifient la perspective.
Note : la profondeur de champ paraît plus réduite sur les reflex que sur les compacts, parce que les objectifs des reflex
ont besoin d'une plus grande focale pour capturer le même champ d'image.
La profondeur de champ... en profondeur !
Nous allons essayer de comprendre "avec les mains" l'influence de la taille du pixel, de l'ouverture, de la focale, de la
distance de l'objet... et nous en profiterons pour parler de sténopés et de téléobjectifs à miroirs (catadioptriques).
Voici tout d'abord les quelques conventions que nous allons utiliser pour "sentir" les notions de netteté et de profondeur
de champ.
- L'objectif sera toujours assimilé à une lentille fine limitée par le diaphragme.
- L'objectif est supposé idéal, c'est à dire qu'un point donne un point.
- On dira que la mise au point est faite sur un point si l'image de ce point se trouve exactement sur le capteur. La mise
au point s'effectue avec un objectif assimilé à une lentille fine en déplaçant la lentille.
- On dira qu'un objet est net si l'image d'un point de cet objet, centrée sur un photosite (pixel dans notre cas) ne
recouvre que ce pixel et aucun autre.
I. Mise au point
Dans ce cas, la mise au point est faite pour le point donné :
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Plus l'objet est près et plus on doit éloigner la lentille du capteur.
Pour un objet dit "à l'infini" (plus loin qu'une vingtaine de fois la focale), la lentille est placée telle que le capteur soit dans
son plan focal (distance capteur-lentille = focale).
II. Netteté
Et voici différents cas de réglage de netteté.
Au feu rouge, l'objet comportant le point ne serait pas net, au feu vert... et oui, vous avez deviné, c'est net !
Voilà, grâce à cette technique hypnotique simple, vous commencez à saisir comment ça fonctionne.
N.B.: Attention, les gifs animés peuvent avoir des effets secondaires type épilepsie... à regarder avec modération.
III. Camera obscura
Par rapport aux schémas précédents, on ramène le diaphragme à une ouverture tellement faible que l'on peut retirer la
lentille... on obtient une chambre noire, ou camera obscura, ou sténopé.
même principe que précédemment : feu vert, tout roule, feu rouge, l'image est floue.
En y réfléchissant bien, les pixels ne faisant maintenant guère plus que quelques microns, et le trou devant en faire
encore moins... on obtient des tailles théoriques difficiles à atteindre mécaniquement. C'est pour cela qu'il ne faut pas
trop attendre d'un sténopé point de vue netteté.
Cela n'est toutefois vrai que si on considère l'image en plein format. Ainsi, en réduisant l'image, on obtient des résultats
tout à fait corrects. On raisonne alors sur des couples de pixels plutôt que sur des pixels simples pour estimer la netteté.
IV. Profondeur de champ
Maintenant que nous nous sommes familiarisés avec la notion de netteté,
il est possible de passer à la raison d'être de ce tutoriel : la profondeur de champ !
La profondeur de champ va être donnée par les deux points extrêmes pour lesquels l'image sera nette.
Dans les schémas suivants, j'ai par ailleurs essayé à chaque fois de donner (en rouge) le point de référence
pour lequel la mise au point a été faite.
On notera qu'on retrouve géométriquement la relation qui dit qu'on a un tiers de la profondeur de champ qui vient vers
l'appareil
photo pour deux tiers qui partent vers l'infini...
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Remarque importante : tous les schémas, à partir du schéma précédent, ont été réalisés en respectant scrupuleusement
les règles de construction géométriques propres au lentilles minces édictées dans tous les bons livres d'optique. Ainsi le
rapport 1/3-2/3 que l'on retrouve visuellement n'est le fruit ni du hasard, ni d'un trucage...
V. En fonction de la taille du photosite
Plus les photosites sont gros, plus la profondeur de champ est grande.
Ainsi un compact aura généralement une profondeur de champ beaucoup plus courte qu'un réflex dont les pixels
sont plus gros... mais encore, les indications d'hyperfocale présentes sur les vieux objectifs sont bien souvent faussées
avec l'utilisation d'un capteur APS-C qui aura de plus petits pixels que le photosite caractéristique
d'un pellicule photo standard.
VI. En fonction de l'ouverture du diaphragme
C'est la relation la plus connue... plus on ouvre le diaphragme, plus la profondeur de champ diminue.
Et ça se vérifie en images :
Quelle que soit la mise au point effectuée, si l'on pouvait fermer le diaphragme autant que l'on veut,
on pourrait obtenir la netteté pour n'importe quel objet (c'est-à-dire qu'on pourrait allonger suffisamment la profondeur
de champ pour qu'il s'y trouve englobé). On revient à la technique du sténopé !
Mais en pratique les diaphragmes ferment rarement plus qu'à f:22.
VI. En fonction de la distance de mise au point
Un effet moins direct est que plus on fait la mise au point loin, plus la profondeur de champ est grande.
C'est lié au fait que des objets éloignés sont tous imagés quasiment à la focale de l'objectif, alors que des objets plus
rapprochés sont beaucoup plus dispersés lorsqu'ils sont imagés à travers l'objectif.
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Voici l'effet obtenu :
VII. En fonction de la focale de l'objectif
Un effet similaire est observé quand on fait varier la focale de l'objectif.
L'objet sur lequel est fait la mise au point reste à la même distance (il paraitra donc plus gros).
Par ailleurs, le nombre d'ouverture est gardé constant.
C'est à dire que pour des focales plus grandes, le diamètre d'ouverture sera plus grand.
Ceci explique en particulier que les objectifs fisheye (très courte focale, très grand angle)
aient une profondeur de champ impressionnante.
Effet compensé
Si l'on combine les deux effets précédents de focale et de distance de mise au point (quelle idée !), on obtient un résultat
surprenant.
Avec le même cadrage mais deux objectifs de focale différente, si vous gardez la même ouverture, vous obtenez
exactement la même profondeur de champ.
C'est à dire qu'avec un télé, il faudra plus vous reculer pour avoir le même cadrage, mais que globalement si vous prenez
une personne devant un objet situé un mètre derrière, que vous faites la mise au point sur cette personne et que sa tête
fait 2/3 de votre image, si vous changez d'objectif et que vous vous placez de façon à ce que sa tête fasse toujours 2/3
de votre image, l'objet d'arrière plan reste flou s'il était flou et reste net s'il était net.
Ceci à même ouverture, je le rappelle.
Par contre, effectivement, la perspective ne sera pas la même, les téléobjectifs ayant tendance à "écraser" les distances
par rapport aux grands angles.
VIII. Objectif à miroirs
Pour finir, nous allons parler du cas très particulier de l'objectif à miroirs ou objectif catadioptrique...
Ces objectifs ont la particularité d'avoir un diaphragme d'ouverture fixe (en général f:8) et d'avoir une pastille au milieu
de l'ouverture pour placer le miroir secondaire (comme pour certains télescopes).
Le nombre d'ouverture de 8 correspond pour ce cas très particulier non pas à f/D avec D le diamètre du diaphragme,
mais bien à f/D avec D qui serait le diamètre hypothétique du diaphragme d'un objectif qui aurait la même luminosité...
ce qui veut dire, vu que la pastille centrale mange de la lumière, qu'en réalité le diamètre réel est beaucoup plus grand
que f/8 pour compenser ce manque de lumière.
Sur le Tamron 500mm f/8 par exemple, le diamètre réel est de 80mm or 500/8=62,5mm ce qui est bien inférieur à
80mm.
La pastille d'obstruction est de 35mm de diamètre. Ainsi, le diamètre total plus grand compense l'obstruction.
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Pour en revenir à nos moutons...
la profondeur de champ est donnée par les rayons lumineux qui passent par le bord de l'objectif.
Ainsi, on en déduit que pour le téléobjectif à miroir, il faut utiliser le diamètre d'ouverture réel pour les calculs de
profondeur de champ, plutôt que le nombre donné qui concerne uniquement la luminosité.
C'est à dire par exemple dans le cas du Tamron 500mm, l'ouverture réelle étant de 80mm, on utilisera un nombre
d'ouverture de 500/80 soit environ 6.2 pour les calculs d'hyperfocale !
Pour conclure
J'espère que ces schémas auront su vous éclairer dans la compréhension des phénomènes de mise au point, de netteté
et de profondeur de champ. Cet article est une simple approche de ces phénomènes.
Pour les comprendre plus en détail, il peut être utile
- dans un premier temps, de savoir réaliser les constructions d'optique géométriques pour les lentilles minces soimême, (pour retrouver seul ces dépendances pour la profondeur de champ)
- dans un second temps, de jeter un oeil sur la physique des lentilles épaisses qui change un petit peu la donne
concernant par exemple les distances minima de mise au point.
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