Diaphragme (photographie)

Pour les articles homonymes, voir diaphragme.

En photographie, un diaphragme est un dispositif mécanique mince et opaque comportant une ouverture centrale généralement réglable. Il permet de limiter le nombre de rayons du faisceau lumineux qui arrive sur l’émulsion ou le capteur^[1]. Le diaphragme est centré sur l’axe optique et sépare les groupes de lentilles antérieures et postérieures de l’objectif dans lequel il est placé. Dans les objectifs modernes, il s’agit le plus souvent d’un dispositif de type diaphragme à iris constitué d’une série de lamelles métalliques mobiles dont la position est contrôlée au moyen d’une bague placé à l'extérieur de l'objectif. Le réglage du diaphragme peut être manuel ou couplé avec la cellule du boîtier photographique.

Le diaphragme possède trois fonctions principales^[2] :

• la régulation de l’illumination du capteur.
• la modification de la profondeur de champ de l’image.
• la limitation des aberrations optiques de l’objectif.

Il a donc un rôle déterminant dans la netteté des images produites. C’est un régulateur de la netteté de l’image^[3].

Avec la focale, la valeur de l’ouverture maximale du diaphragme est une des caractéristiques fonctionnelles d’un objectif photographique. Par extension sa luminosité.

Pour son utilisation en photographie voir aussi l'article: Ouverture (photographie)

Coupe d'un objectif. Le diaphragme est positionné entre les deux groupes de lentilles

Mécanisme d'un diaphragme d'objectif Canon 50mm f/1.8

Différents mécanismes

A) Diaphragmes à vanne dit Waterhouse B) Diaphragme à bande C) Diaphragme à barillet

Sur les appareils les plus anciens, le diaphragme est une simple lamelle percée d'un trou. Cette lamelle fut en bois sur les premiers appareils puis en métal. Les appareils les plus simples utilisent encore cette technique. Plus tard, La lamelle fut percée de plusieurs trous et mobile de manière à permettre un certain réglage. Le diaphragme, sur ces appareils, est souvent couplé avec l'obturateur dans un même mécanisme.

Dans certains appareils le diaphragme est fixe comme sur les minox B ou sur les appareils argentiques jetables. Il peut se réduire à une bande de 2 ouvertures (extérieur- intérieur / soleil- nuage) comme sur les Instamatic Kodak.

Objectif et diaphragme Waterhouse

Instamatic Kodak avec diaphragme à 2 positions

Les diaphragmes à iris

Diaphragme à iris

Diaphragme à iris ; à pleine ouverture, ouverture intermédiaire et ouverture minimum

Les appareils récents et évolués sont équipés d'un assemblage de lamelles mobiles en nombre variable suivant la taille de l'objectif et son luxe, disposé entre les groupes de lentilles avant et arrière. Un mécanisme fait tourner les lamelles et permet donc de régler l'ouverture.

Caractéristiques des lames

Exemple de formes de lames des iris

Le nombre et la forme de lames composant l'iris est variable, plus leur nombre augmente plus l'ouverture sera circulaire.

La forme de l'ouverture du diaphragme donnera la forme des taches du flou d'arrière plan ou bokeh.

Synchronisation avec le boîtier

Contrôle de l'ouverture avant la prise de vue

Avec un appareil reflex, la visée passe par l'objectif et donc par le diaphragme. Si on ferme fortement le diaphragme pour augmenter la profondeur de champ, l'image devient sombre et la visée difficile. Les tout premiers reflex, tels que l'Alsaflex, disposent d'une « présélection » pour laisser l'objectif ouvert en grand jusqu'au déclenchement. Mais, du coup, il n'est plus possible de juger à l'œil de la profondeur de champ. Les appareils experts sont donc munis d'une commande (levier, bouton…) permettant de fermer manuellement le diaphragme à sa valeur de prise de vue si nécessaire. La visée s'assombrit alors, ce qui est normal et la netteté perçue dans le viseur donne une idée de celle qui se retrouvera sur la photo.

Il est très facile sur les anciens objectifs d'agir sur le levier de présélection du diaphragme et de voir que certains objectifs bon marché ont des lamelles très réfléchissantes, ce qui n'est pas le cas des objectifs de bonne qualité et beaucoup plus coûteux.

Asservissement au posemètre du boîtier

Sur les appareils automatiques ou semi-automatiques, le diaphragme est asservi au posemètre.

Cette synchronisation longtemps mécanique est aujourd’hui principalement électromécanique. Le diaphragme est couplé à un moteur électromécanique qui assure la rotation des lames. Pour les réflex numériques, c’est pratiquement toujours le cas ; pour les APN bridges et compacts, c’est la norme.

En mode Priorité vitesse (S), l’utilisateur choisit de fixer la vitesse d’exposition, le calculateur détermine la valeur de l’ouverture du diaphragme pour obtenir l’illumination requise en fonction de l’éclairement mesuré au travers de l’objectif (mesure TTL) ou par un capteur spécifique.

En mode Priorité à l'ouverture (A), l’utilisateur choisit de fixer l’ouverture, le calculateur déterminera le temps de pose pour obtenir l’illumination requise.

En mode Automatique (P), le calculateur détermine un couple temps de pose/ouverture en fonction des caractéristiques déterminées par le fabricant.

Cet asservissement permet aussi la technique du bracketing, où plusieurs prises de vue du même sujet sont effectuées rapidement, en modifiant les valeurs de l'ouverture autour d'une valeur centrale, en général plus ou moins une valeur d'ouverture.

Limites des automatismes

Pour les prises de vues cinématographique ou vidéo, l'automatisation de la valeur d'ouverture pose deux problèmes caractéristiques, celui de la variation de l'exposition et celui de la variation de profondeur de champ au cours d'un même plan. La valeur de l'ouverture s'adaptant en continu au mouvement de caméra ou des sujets, en fonction de l'illumination perçue par l'objectif. C'est le phénomène de pompage; particulièrement gênant, car contrairement à l'adaptation de l'iris de l'œil, ces variations ne sont pas compensé par le cerveau et deviennent parfaitement perceptibles.

Régulation du flux lumineux

Le flux lumineux transmis par l'objectif à la surface sensible est directement lié à la surface de l'ouverture du diaphragme^[4].

et l'éclairement de la surface sensible est

ou encore

avec :

• T le facteur de transmission de l'objectif
• L la luminance de la source lumineuse
• f la distance focale de l'objectif
• S la surface du capteur
• d le diamètre de l'ouverture du diaphragme
• N le nombre d'ouverture

(approximation pour une mise au point à l'infini)

Ouverture relative et indice d'ouverture N

Bague de réglage de l'ouverture (objectif Canon)

L'ouverture relative d'un objectif photographique, appelée plus couramment ouverture, désigne le rapport entre la distance focale de cet objectif et le diamètre de sa pupille d'entrée. Il est noté N ou f/#.

avec:

• f la distance focale de l'objectif
• d le diamètre de l'ouverture du diaphragme

L'éclairement de la surface sensible est inversement proportionnel au carré de l'ouverture relative N.

Par convention, il a été établi une suite d'indices d'ouverture où, pour le passage à l'indice supérieur, l'éclairement est divisé par 2, C’est une suite géométrique de raison . Les valeurs approchées de cette suite sont reportées sur la bague du diaphragme.

f / 1 − f / 1.4 − f / 2 − f / 2.8 − f / 4 − f / 5.6 − f / 8 − f / 11 − f / 16 − f / 22 − f / 32 − f / 45 − f / 64 − f / 90 − f / 128, etc.

Pour faciliter la manipulation, le mécanisme actionné par la bague comporte souvent des crans correspondant aux repères. Entre chaque repère, il peut exister un ou deux crans supplémentaires pour les valeurs intermédiaires. Ils donnent alors un réglage précis au demi-diaph ou au tiers de diaph.

En pratique, l'ouverture du diaphragme est limitée par les aberrations géométriques à grande ouverture (N petit) et par les phénomènes de diffraction à petite ouverture (N grand).

Relation ouverture et exposition

Le diaphragme joue un rôle direct dans le calcul de l’exposition de la surface sensible au travers de l’éclairement fonction son ouverture relative N.

où :

• H est l’exposition
• t le temps de pose
• E l’éclairement

Le diaphragme arrête une partie de la lumière quand on le ferme. Il intervient donc dans l'exposition de la photo, avec le temps d'obturation. Dans le cas de poses longues, au lieu de diaphragmer pour que l'image ne soit pas surexposée, on peut aussi utiliser un filtre gris neutre.

Fonction du diaphragme dans la mise au point

Courbe de la variation de la profondeur de champ(PdC) en fonction de l'ouverture du diaphragme

Le diaphragme est un élément essentiel dans la maitrise de la prise de vue. Son réglage agit directement sur la profondeur de champ. À focale et distance de mise au point identiques, la fermeture du diaphragme augmente la profondeur de champ et contribue à la netteté de la photographie. Ceci reste vrai jusqu’à l’apparition des phénomènes de diffraction.

Les deux premières photos montrent l'influence du diaphragme sur l'étendue de la zone de netteté. La première a été prise avec une ouverture relative de 3,3, la seconde avec une ouverture de 9,9. La vitesse d'obturation a été ajustée en conséquence mais tous les autres paramètres sont restés identiques.

• 

  Diaphragme ouvert

• 

  Diaphragme fermé

• 

  Objectif aux deux ouvertures

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L’ouverture relative du diaphragme permet aussi de calculer la valeur l’hyperfocale. H = f² / (Nc), où f est la distance focale de l’objectif, c le diamètre du cercle de confusion admissible, et N l’ouverture relative.

Le photographe va, en faisant la mise au point sur cette distance, et en réglant l’ouverture du diaphragme, obtenir une profondeur de champ s’étalant de la moitié de cette distance à l’infini.

Cette technique est impossible avec un appareil automatique avec priorité à la vitesse puisqu'on ne peut pas fixer le diaphragme.

Pour la macrophoto, la nature morte, etc., une grande profondeur de champ est généralement nécessaire pour bien mettre en valeur le sujet. Des zones floues sur la photo d'un insecte, par exemple, perturbent considérablement la vision. Dans le cas du portrait, au contraire, une faible profondeur de champ améliore la sensation de relief et met en valeur le sujet principal net bien détaché sur un fond flou. Le « floutage » du fond est grandement facilité si l'on prend soin d'éloigner le modèle de l'arrière-plan.

Diffraction et aberrations optiques

Diffraction

Diamètre de la tache du à la diffraction en fonction de l'ouverture relative. Rapport avec le cercle de confusion admissible en fonction du format

La diffraction n’est pas à proprement parler une aberration, elle est constitutive de la nature ondulatoire de la lumière. La lumière passant par l’ouverture du diaphragme est diffractée. Plus l’ouverture est faible, plus le phénomène sera sensible.
En photographie, l’effet dû à la diffraction influe sur la netteté de l’image, si le diamètre de la tache produite est supérieur au cercle de confusion admissible elle devient perceptible et nuit à la netteté. Si dans un premier temps la fermeture du diaphragme compense les aberrations optiques, une ouverture trop petite générera une diffraction trop importante. Elle est particulièrement sensible avec des capteurs de petite taille, comme sur les APN compacts, pour lesquels les constructeurs limitent la fermeture du diaphragme. Plus généralement, tout objectif aura un rendement optimum autour d’un diaphragme donné.

Le diamètre de la tache due à la diffraction est directement lié à l'ouverture relative du diaphragme :

soit

où :

• D est le diamètre de l'ouverture
• f est la focale de l'objectif
• N est l'ouverture relative
• λ est la longueur d'onde de la lumière.

La diffraction dépend aussi des caractéristiques des bords du diaphragme. Des bords nets, lisses et fins produiront une diffraction moindre.

• 

  f/5,6

• 

  f/8

• 

  f/11

• 

  f/16

• 

  f/22

• 

  f/32

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Aberrations optiques

À grande ouverture, l’objectif se retrouve à la limite des conditions d’approximation de Gauss, et des aberrations peuvent apparaître.

La fermeture du diaphragme contribue à en éliminer ou en diminuer certaines sur l'image ou sur une partie de l'image formée. C’est le cas pour les aberrations de sphéricité au centre et sur les bords, de coma et le vignettage sur les bords, et dans une moindre mesure sur l’astigmatisme, mais le diaphragme ne modifie pas la distorsion. La fermeture du diaphragme limite aussi les aberrations chromatiques axiales.

• 

  Aberration sphérique

• 

  Coma

• 

  Astigmatisme

• 

  Aberration chromatique

• 

  Vignettage

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Courbes de ftm d'un objectif pour son ouverture minimale et maximale

Notes et références

Annexes

Liens externes

Bibliographie

• Bernard Balland, Optique géométrique : Imagerie et instruments, éd. PPUR, 2007 (ISBN 2880746892). [(fr) Aperçu de l'ouvrage sur Google Livres]
• (en) Ralph E Jacobson et al, The Manual of Photography: Photographic and Digital Imaging, Focal Press, 2000, 9^e éd., 464 p. (ISBN 0240515749). [(en) Aperçu de l'ouvrage sur Google Livres]
• (en) Sidney F Ray, Applied Photographic Optics, Focal Press, 2002, 3^e éd., 680 p. (ISBN 0240515404). [(en) Aperçu de l'ouvrage sur Google Livres]

Articles connexes

• Cercle de confusion
• Pouvoir de résolution (optique)

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