Objectif de longue focale

Un objectif de longue focale est un objectif dont la focale est supérieure à la diagonale de la cible (pellicule, capteur numérique...). L'effet de la longue focale est de rapprocher les objets ou, plus précisément, de permettre un cadrage beaucoup plus serré par un angle de champ étroit.

Les objectifs de focale longue ont pour la plupart une construction optique permettant de réduire leur tirage mécanique. Ce type de formule optique est appelée téléobjectif. Par abus de langage, il est courant de regrouper tous les objectifs de focale longue sous l'appellation téléobjectif.

Il n'y a pas de définition précise de la focale minimale à partir de laquelle on doit parler de focale longue, en effet, celle-ci dépend de la taille de la cible. En 24 x 36, on commence à parler de focale longue à partir de 50 mm, alors que pour le 6 x 6, on commence à parler de longue focale à partir de 85 mm. On part généralement du principe qu'entrent dans cette catégorie tous les objectifs ayant un angle de vision plus étroit que la perception naturelle de l'œil humain, soit environ 45°.

On considère que la focale standard correspond à la diagonale de l'image sur le film ou le capteur. Pour un support de type film 35 mm (format d'image 24 x 36 mm), cette diagonale fait 43 mm. Dans la pratique, les objectifs « standards » des boîtiers reflex ont des focales de 50 mm ou 55 mm.

La gamme des focales utilisées

La gamme des focales couvertes par les différentes longues focales est beaucoup plus étendue que pour les objectifs grand angle. Examinons les possibilités des différentes focales disponibles pour un support de type film 35 mm (format d'image 24 x 36 mm) :

• Le 85 ou 90 mm, souvent utilisé pour les portraits, permettant à la fois de prendre un certain recul (et d'avoir donc des modèles plus naturels) et d'éviter les déformations dues à une trop grande proximité du visage.

• Le 135 mm était certainement la longue focale la plus achetée dans les années 1970 avant le développement des zooms. À 10 mètres de distance, le champ photographié n'est que de 2,66 m sur le grand bord de la photo (angle de champ de 15°). Ce genre d'objectif est donc encore meilleur pour des portraits sur le vif, des modèles particulièrement timides ou un photographe qui tient à se faire oublier un peu de son modèle.

• Les focales de 170 mm à 300 mm permettent de « rapprocher » encore plus les objets éloignés. Avec un 300 mm, le champ couvert à 10 mètres de distance n'est plus que de 1,20 m sur le grand bord de la photo, 80 cm sur l'autre bord. Les zooms les plus couramment utilisés par des photographes amateurs sont des 70-300 mm, mais on trouve aussi des zooms transtandards allant de 28-200 mm à 28-300 mm.

• Les focales de 400 et 500 mm constituent les focales les plus longues disponibles à un prix encore abordable pour les amateurs. Avec un 500 mm, le champ couvert à 10 mètres de distance n'est plus que de 72 cm sur le grand bord de la photo, 48 cm sur l'autre bord, soit 3,6 m sur 2,4 m à 50 mètres de distance. Ces objectifs sont tout à fait adaptés à la chasse photographique (photographie d'animaux éloignés) ou sportive.

• À partir de 600 mm les objectifs disponibles sont lourds et coûteux et nécessitent d'utiliser souvent un pied photographique. Pour la photographie terrestre, le record de focale pour le format 24 x 36 semble être le 1 200 mm de Canon, pesant 16,5 kg, coûtant autour de 100 000 €, et nécessitant un délai de dix-huit mois pour être fabriqué à l'unité (Il en existerait entre 12 et 20 exemplaires dans le monde)^[1],[2]. Mais une focale de 2 000 mm est nécessaire pour une photo de la lune couvrant presque le petit bord de la photo, et des focales encore supérieures pourraient être utiles en photo astronomique.

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  28 mm

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  70 mm

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  210 mm

Longues focales et boîtiers numériques

L'avènement des appareils reflex numériques est particulièrement intéressant pour l'utilisation des longues focales. En effet, pour des raisons de coût de fabrication, les capteurs de la plupart des reflex numériques sont plus petits que la surface impressionnable de la pellicule d'un reflex 24 x 36. Ils ne récupèrent donc que la partie centrale de l'image obtenue avec le boîtier argentique. Dans la plupart des marques, il faut appliquer un coefficient multiplicateur de 1,5 pour retrouver la focale d'un objectif qui offrirait le même cadrage en 24 x 36. Chez Canon ce coefficient multiplicateur est de 1,6 sur la plupart des boîtiers, bien que Canon vende aussi (très cher) des boîtiers avec des capteurs au format 24 x 36 mm. Chez Sigma, le coefficient est de 1,7. Les plus petits capteurs des reflex numériques sont ceux d'Olympus avec un coefficient multiplicateur de 2 et une image au format 4/3.

En conséquence, le photographe équipé d'un boîtier numérique pourra obtenir de forts grossissements avec des objectifs plus légers et moins coûteux (car de plus courte focale) que ceux dont il aurait besoin pour faire la même photo avec un appareil argentique. Néanmoins, comme le petit capteur « agrandit » le centre de l'image, il faut que celle-ci soit de bonne qualité côté netteté, ce qui n'est pas toujours de cas pour les zooms utilisés à leur focale maximale.

Calcul de l'angle de champ

L'angle de champ couvert par un objectif peut être calculé au moyen de la fonction mathématique arc tangente selon la formule : angle = 2 x arctg (0,5 L / f), ou L est la longueur d'un bord d'image ou de sa diagonale, et f la focale de l'objectif. Avec une longue focale, l'angle étant petit, on peut approcher le résultat du calcul de l'arc tangente. La formule approchée devient : angle (en degrés) = (2 x 180 x 0,5) L / (pi x f) = 57,3 L / f

Pour un support de type film 35 mm (format d'image 24x36 mm), l'angle de champ est donc égal à :

• 2 x arctg (18 / f), soit environ 2062 / f, pour le grand bord de l'image,
• 2 x arctg (12 / f), soit environ 1375 / f, pour le petit bord de l'image,
• 2 x arctg (21,6 / f), soit environ 2475 / f, pour la diagonale de l'image.

Construction optique d'un téléobjectif

Cross-section - typical telephoto lens.
L1 - Tele positive lens group
L2 - Tele negative lens group
D - Diaphragm

Rien n'interdit a priori de réaliser une longue focale puissante constituée d'une seule lentille ayant une longue distance focale. Le résultat sera moins mauvais que si l'on voulait réaliser avec une seule lentille des objectifs de courte focale. Le défaut qui apparaîtra avec cette formule optique simpliste est l'aberration chromatique : la lentille se comporte aussi comme un prisme et le plan de netteté pour la lumière rouge est en arrière par rapport à celui de la lumière bleue.

Pour corriger ce problème, on construit des doublets achromatiques. Ils sont constitués d'une lentille convergente accolée à une lentille divergente, les 2 lentilles étant construites dans des verres ayant des indices de réfractions différents. Pour faire encore mieux dans les objectifs haut de gamme, on utilise des verres spéciaux dits « à faible indice de dispersion ».

Ainsi construit, l'objectif composé d'un seul bloc de lentilles sera d'autant plus long que sa focale sera importante. En tenant compte des 4 cm à l'intérieur du boîtier, un 135 mm pourra mesurer 9 à 10 cm, alors qu'un 300 mm en fera autour de 26 cm et un 500 mm autour de 46 cm de long. Afin de raccourcir les longues focales, on rajoute à l'arrière de l'objectif un bloc de lentilles divergentes qui permettra d'agrandir l'image projetée sur le film ou le capteur comme le ferait un multiplicateur de focale. C'est cette conception qui est appelée téléobjectif.

Le principe en est celui de l'application de la Formule de Gullstrand. Il consiste en l'occurrence à placer une lentille convergente avant et une lentille divergente arrière, à l'inverse du montage « rétrofocus », utilisé pour les « objectifs grand angle », satisfaisant cette relation.

Cette dissymétrie dans la construction optique d'un téléobjectif entraîne souvent l'apparition d'une distorsion en croissant (lignes droites incurvées vers le centre de l'image), mais elle reste modérée, voie négligeable dans les cas des téléobjectifs à focale fixe.

Les objectifs à longue focale sont aujourd'hui presque tous des téléobjectifs, c’est-à-dire qu'ils sont dotés d'un système afocal qui permet d'en réduire le tirage mécanique et l'encombrement.

La luminosité, principal défaut des objectifs de longue focale

Il reste un domaine pour lequel les progrès de l'optique ne permettront pas de faire toujours mieux. C'est celui de la luminosité des longues focales.

Si on peut faire des téléobjectifs courts mais puissants, on ne pourra jamais faire des téléobjectifs puissants et lumineux avec des lentilles de faible diamètre, car c'est contraire aux lois de la physique.

Rappelons que (mis à part les pertes de lumière par absorption ou réflexion dans les lentilles), la luminosité (ouverture) d'un objectif dépend du rapport entre le diamètre de sa pupille d'entrée et sa focale. Si on trouve facilement des objectifs 50 mm ouverts à f/1,4 qui nécessitent des lentilles de 3,5 cm de diamètre, un téléobjectif de 500 mm ouvert seulement à f/2 (déjà deux fois moins lumineux) devrait avoir une lentille frontale de 25 cm de diamètre.

En conséquence, la luminosité des téléobjectifs fait l'objet de compromis.

Dans les objectifs à prix abordable on trouvera :

• des 85 mm ouvrant à f/1,8 avec un diamètre de lentille frontale de 4,7 cm,
• des 135 mm ouvrant à f/2,8 avec un diamètre de lentille frontale de 4,8 cm,
• des 200 mm ouvrant à f/3,5 avec un diamètre de lentille frontale de 5,7 cm,
• des 300 mm ouvrant à f/4 avec un diamètre de lentille frontale de 7,5 cm,
• des 400 mm ouvrant à f/5,6 avec un diamètre de lentille frontale 7,2 cm,
• des 500 mm ouvrant à f/6,3 avec un diamètre de lentille frontale 7,9 cm...

On trouve aussi dans la gamme professionnelle des 200 mm ouvrant à f/1,8 des 300 mm ouvrant à f/2,8 et des 600 mm ouvrant à f/4. Mais pour une luminosité doublée, que l'on obtient en augmentant de 40 % le diamètre de la lentille frontale, le prix de l'objectif est lui multiplié au moins par quatre. Le très coûteux 1 200 mm de Canon nécessite lui une lentille frontale de 22 cm de diamètre, pour une ouverture de f/5.6 qui serait faible avec des téléobjectifs moins puissants.

Si une focale longue est moins difficile à concevoir qu'un objectif grand angle, au niveau de leur fabrication, les très longues focales sont les optiques les plus coûteuses.

Utilisation

Les stabilisateurs d'image

Certains objectifs, sont maintenant équipés d'un stabilisateur qui comporte des accéléromètres, détecte les mouvements et les compense par des mouvements de certaines lentilles.

On considère que cela permet de multiplier par 2 à 20 fois la durée d'exposition sans flou de bougé (mais cela ne peut rien pour un sujet mobile). Les modèles les plus récents annoncent maintenant un gain d'un facteur 4. Et cela présente aussi l'avantage considérable de figer l'image dans le viseur.

On trouve également des stabilisateurs qui agissent sur le capteur des Appareils Photo Numériques (par exemple, chez Konica Minolta, Pentax, Panasonic et plus récemment chez Sony). Pour un coût nettement moindre, l'avantage de ces systèmes est qu'ils fonctionnent en théorie quel que soit l'objectif que l'on monte sur le boîtier. On n'a plus besoin de payer la stabilisation pour chaque objectif. En contrepartie, la visée à travers l'oculaire n'est pas stabilisée.

Il existe aussi des stabilisateurs électroniques qui (sur des caméras vidéo ou quelques APN) utilisent une partie du capteur numérique pour recadrer rapidement en fonction des mouvements mesurés. Mais il s'agit là plus de limiter les tremblements lors de prises de vues animées, que de limiter le flou de bougé des photos fixes.

Notes et références

Voir aussi

• Objectif grand angle
• Multiplicateur de focale
• Zoom
• Objectif catadioptrique
• Aberration chromatique

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