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15 janv. 2013

L'Ouverture du Diaphragme d'un Objectif


ouverture diaphragme photo

Sans doute le premier réglage à maîtriser sur son appareil, l'ouverture est une notion de base qui impact énormément la prise de vue: elle modifie l’exposition, le flou de mise au point ainsi que le rendu de l'image. Petit tour d'horizon.





Résumé de l'article


Qu’est ce que l’ouverture d’un objectif ?
L’ouverture correspond au diamètre du trou par lequel la lumière passe dans l’objectif.
La forme de ce trou donnera la forme du bokeh.


Que veut dire ouvrir/fermer le diaphragme ?

  • Ouvrir = avoir un grand trou, on note ouverture = f/petit chiffre, par exemple f/1.8

  • Fermer = avoir un petit trou, on note ouverture = f/grand chiffre, par exemple f/11


A quoi sert l’ouverture ?
Lorsque l’on ouvre :

  • Il y a plus de lumière, l’image est plus exposée

  • La profondeur de champ diminue, l'image est plus nette


Et inversement lorsque l’on ferme


L’ouverture modifie t elle la qualité de l’objectif ?
Oui:

  • Le vignettage et les aberrations chromatiques sont plus prononcés quand on ouvre le diaphragme

  • La diffraction augmente quand on ferme le diaphragme

  • Le piqué est maximum à une ouverture moyenne, autour de f/4 – f/6.3





Fonctionnement du diaphragme


Le diaphragme est un dispositif mécanique intégré à l'objectif qui permet de laisser passer plus ou moins de lumière en modulant le diamètre d'un "trou".
Un diaphragme en iris est constitué de lamelles mobiles dont la position est contrôlée soit manuellement en tournant la bague de réglage, soit par le boitier via une motorisation dans l'objectif.

diaphragme 5 lamelles
Diaphragme à 5 lamelles: leur rotation modifie le diamètre de l'ouverture

Le nombre et la forme de ces lamelles sont variables, ce qui va jouer jouer sur la forme du bokeh (le flou d'arrière plan), en général plus il y a de lamelles et plus l'ouverture sera ronde.

On peut également placer devant l'objectif un capuchon avec un trou en forme de dessin, le bokeh sera à l'image du motif (c'est souvent des petits coeurs pleins d'amour gouzi-gouzi mais, pour l'exemple, j'ai mis autre chose)

Forme du diaphragme et bokeh résultant
(c'est la première fois que je fais du bokeh avec Photoshop, je ne compte pas récidiver)



Expression de l'ouverture


L'ouverture représente le diamètre de l'orifice créé par le diaphragme, on note:

Diamètre = f / N
avec:

  • f la longueur focale de l'objectif 
  • N l'indice d'ouverture, ou nombre d'ouverture

Par exemple f/1.8 pour un objectif de 85mm représente un diamètre de 85/1.8 = 47mm.

Un objectif est caractérisé par sa longueur focale et son ouverture max, par exemple un 50mm f/1.4 ouvre au plus à 1.4.

Il faut réaliser qu'une grande ouverture demande une mécanique complexe et encombrante, les objectifs les plus lumineux (autorisant une grande ouverture) sont plus gros, plus lourds et plus chers que des objectifs plus modestes.



Ouverture et exposition


Plus l'ouverture est grande et plus l'image est exposée (il y a plus de lumière qui vient sur le capteur).
Chaque fois que la surface de l'ouverture double alors la quantité de lumière double.

Pour rappel la surface d'un disque vaut πR2, avec R son rayon.

Pour doubler la surface il faut diviser l'indice d'ouverture par 1.41 (2) comme démontré ci dessous:

π R 2 2 = 2 π R 1 2 π ( 1 2 f N 2 ) 2 = 2 π ( 1 2 f N 1 ) 2 N 2 = N 1 2



Graduations de l'ouverture


Classiquement on peut régler l'ouverture pour changer la luminosité par pas de 1/3 d'EV.
On double donc la surface toutes les 3 graduations.

Ainsi, l'indice d'ouverture passe de N à 21/6×N à chaque graduation.

Mais les indices notés sur l'objectif (et indiqué par le boitier) sont des valeurs arrondies:

Calcul11,121,261,411,591,7822,242,522,833,173,5644,495,04
Arrondi11,11,21,41,61,822,22,52,83,23,544,55
Calcul5,666,357,1388,9810,0811,3112,714,251617,9620,1622,6325,428,51
Arrondi5,66,37,18910111314161820222529

Exemple: passer de f/8 à f/2.8 triple la valeur d'exposition.

L'ouverture est un des 3 paramètres du triangle d'exposition, avec la sensibilité ISO et la vitesse.



Ouverture et flou de mise au point


Les formules utilisées dans ce chapitre sont détaillées dans l'article sur le flou de mise au point.


Ouverture et hyperfocale


L'hyperfocale H est la distance minimale de mise au point permettant une profondeur de champ infinie, avec C la valeur du cercle de confusion on a:

H= f2 C×N +f f2 C×N


Pour simplifier, si l'indice d'ouverture double alors la distance hyperfocale est divisée par deux.

Exemple: avec un 50mm et un cdc classique de 25µm en full frame (voir l'article sur le cercle de confusion), l'hyperfocale vaut 25m à f/4 et 12.5m à f/8.


Ouverture et flou de mise au point


Un point x de l'image qui n'est pas parfaitement à la distance d de mise au point serra flou, au niveau du capteur la taille du flou e vaut:

e= f2N x-d(d-f)×x si le point x est avant d

e= f2N d-x(d-f)×x si le point x est après d

Ainsi, si l'indice d'ouverture est divisé par deux alors la taille du flou est doublée.

Exemple: f=85mm, N=1.4, d=1m et x =5m donne un flou de 4.5mm au niveau du capteur, autrement dit une source lumineuse 4m derrière la zone de mise au point produira un bokeh couvrant près de 20% de la hauteur de l'image.


Ouverture et profondeur de champ


La formule de la profondeur de champ est particulièrement difficile à appréhender:

pdc= 2CNd(d-f) 1- ( CNd(d-f) f2 ) 2

On retiendra que la pdc est directement proportionnelle à l'ouverture pour de faibles profondeurs de champ, puis la pdc augmente de plus en plus vite, d'abord de manière exponentielle puis asymptotiquement:


Exemple: en full frame, on a avec un 50mm à une distance de map de 2m une pdc de 16cm à f/2 contre 32cm à f/4 .



Ouverture et diffraction


La diffraction est un phénomène optique qui fait que plus le diaphragme est fermé et moins vous aurez de piqué, on peut simplifier en disant qu'on aura au niveau du capteur un flou de diamètre:

 D = 2 x 1.22 x 560nm x N

D est en nm, ce n'est pas très parlant, voir le tableau ci dessous pour se faire une idée plus concrète (les valeurs sont données en pixels)

OuvertureD (µm)12Mpx
(aps-c)
24Mpx
(aps-c)
36Mpx
(aps-c)
12Mpx
(full frame)
24Mpx
(full frame)
36Mpx
(full frame)
f/11,40,20,40,40,20,20,3
f/1,41,90,30,50,60,20,30,4
f/22,70,50,70,90,30,50,6
f/2,83,80,71,01,20,50,60,8
f/45,51,01,41,70,60,91,1
f/5,67,71,42,02,40,91,31,6
f/810,92,02,83,41,31,82,2
f/1115,02,73,94,71,82,53,1
f/1621,94,05,66,92,63,64,5
f/2230,15,57,79,43,55,06,1



Ouverture et qualité de l'objectif


L'ouverture affecte 3 points: le vignettage, les aberrations chromatiques et la résolution de l'objectif.
le graphe ci dessous donne les tendances, la "qualité" étant sans unité.


Même si chaque objectif se comporte différemment en fonction de l'ouverture, on retiendra que:

  • Le vignettage est très marqué (la qualité est faible) aux grandes ouvertures, il est souvent négligeable à partir de f/4
  • Les aberrations chromatiques diminuent (la qualité de l'image est grande) lorsque l'on ferme le diaphragme
  • La résolution est maximale généralement à 2 ou 3 stops de l'ouverture min, avant et après elle diminue

Entre ça et la diffraction  on comprendra que pour avoir la meilleur qualité d'image possible il ne faut ni trop ouvrir, ni trop fermer.

Dernière mise à jour le:
par Pierre LPEF