Diaphragme (optique)

Exemple de diaphragme utilisé dans un objectif d'appareil photographique

Un diaphragme est un élément mécanique interposé sur le trajet lumineux dans un instrument optique, il conditionne la quantité de lumière transmise ainsi que l'ouverture du système.

On distingue les diaphragmes de champ qui limitent la portion de l'objet qui sera imagée par le système optique des diaphragmes d'ouverture qui limitent l'angle des rayons traversant le système. Il peut prendre plusieurs formes en fonction des applications auxquelles il est destiné, dont la forme d'un diaphragme à iris ; tout élément du système peut constituer un diaphragme en soi : bord de lentille, monture, entretoise, pièce dédiée, capteur, clinquant, etc.

Histoire

Diaphragmes d'un interféromètre de Michelson

Diaphragmes simples

Sur les appareils les plus simples ou les plus anciens, le diaphragme est un simple trou sur une paroi interposée sur le trajet lumineux. Il en est ainsi dans la camera obscura. Dans les expériences d'optique, il est rarement nécessaire de faire varier continuement l'ouverture du diaphragme, ce qui explique qu'un petit nombre de diaphragmes simples (trous percés dans des plaques métalliques) suffise.

De manière plus complexe, plusieurs trous placés sur un élément mobile permettent un réglage succinct entre des préréglages établis arbitrairement. Ce procédé est très utilisé pour les manipulations interférométriques (Michelson) ou d'étude des aberrations optiques d'un système (méthode du point lumineux).

Diaphragmes à iris

Différents types de diaphragmes

Ergots d'un diaphragme à iris

D'autres systèmes optiques nécessitant une plus grande compacité ou un très grand nombre d'ouvertures différentes utilisent le diaphragme à iris, qui permet un réglage continu entre sa pleine ouverture et sa fermeture maximale.

Un diaphragme à iris est constitué d'un ensemble de lamelles métalliques dont la tranche décrit un polygone régulier. En photographie, la majorité des des diaphragmes possède de 5 à 9 lamelles. L'ouverture ou la fermeture du diaphragme à iris est contrôlée par des ergots placés sur la bague du diaphragme . Ce procédé mécanique permet l'ouverture ou la fermeture du diaphragme uniquement avec un élément de controle placé sur la tranche du diaphragme à iris. Cette propriété justifie d'ailleurs son utilisation privilégiée dans les optiques photographiques et dans tout système optique fermé.

Principe de fonctionnement optique

Le diaphragme d'un système optique peut avoir deux rôles principaux :

• Occulter une partie du champ objet, dans ce cas on parle de diaphragme de champ
• Occulter une partie de l'ouverture du système, dans ce cas on parle de diaphragme d'ouverture

Diaphragme de champ

Le diaphragme de champ délimite la zone de l'espace objet qui sera imagée par le système optique. En fonction du diaphragme de champ, on distingue 2 types de configurations optiques :

• Capteur d'image : l'image par le système optique est plus grande que le détecteur qui est le diaphragme de champ du système.
• Capteur de flux : l'image par le système optique est plus petite que le détecteur, le détecteur sert à collecter du flux.

Diaphragme d'ouverture

Le diaphragme d'ouverture est l'élément mécanique qui impose l'angle maximal des rayons lumineux par rapport à l'axe optique . Ce diaphragme peut être le bord d'une lentille, le détecteur ou un diaphragme choisi pour limiter l'ouverture, comme un diaphragme à iris.

Le diaphragme a une grande importance en photographie : il permet de modifier l'ouverture numérique du système utilisé pour contrôler la profondeur de champ, la luminosité et le piqué de l'image .

Influence sur la profondeur de champ

La profondeur de champ est directement liée à l'ouverture du diaphragme par :

$\mathrm {PdC} \approx {\frac {2NcD^{2}}{f^{2}}}$

où N désigne l'ouverture du diaphragme, c le cercle de confusion, D la distance au sujet et f la focale.

Influence sur la quantité de lumière transmise

Le diaphragme limite la quantité de lumière transmise dans un système optique. En pratique (même pour les diaphragme à iris) on peut assimiler le diaphragme à un disque.

En notant $u$ le demi-angle au sommet du cône d'ouverture et $L$ la luminance, on obtient :

$\mathrm {E} =\pi \times L\times sin^{2}(u)$

Influence sur les aberrations

En limitant l'angle entre les rayons lumineux de bord de pupille optique, le diaphragme a une influence sur les aberrations optiques du système .

Le rôle du diaphragme est double pour la conception optique :

• sa position permet de réduire ou annuler certaines aberrations, si elle est bien choisie (coma par exemple).
• sa dimension permet de réduire les aberrations dont le terme augmente fortement avec l'angle (aberration sphérique,astigmatisme).

L'impact de la dimension du diaphragme en conception optique explique qu'il soit utilisé en photographie pour choisir notamment le piqué de l'image.

Influence sur le vignettage

Exemple de vignettage sur une photographie

Le vignettage désigne l'assombrissement de la périphérie d'une image. Celui-ci provient du fait que tout point du détecteur ne voit pas le même champ du fait des dimensions des lentilles successives. Le vignettage est amplifié à ouverture importante puisque les rayons présentant l'angle le plus important sont coupés avant d'atteindre le détecteur.

Applications

• En interférométrie, le diaphragme permet de choisir la configuration de la source lumineuse : source cohérente spatialement fine ou source étendue

• En imagerie, le diaphragme permet le filtrage de fréquences (filtrage des hautes fréquences par exemple si le diaphragme est placé dans le plan de Fourier)

• En microscopie, le diaphragme est un élément fondamental de l'éclairage Köhler qui permet notamment de controller la quantité et la qualité de l'éclairage

• Dans un objectif photographique, l'importance de son ouverture est entre deux bornes précises : grand ouvert, la lumière est abondante mais les aberrations chromatiques et de sphéricité y seront plus présentes, dans le cas opposé, faible ouverture, ces défauts seront atténués, mais la clarté s'en ressent et arrivent les phénomènes de diffraction.

Voir aussi

• Ouverture numérique
• Ouverture (photographie)
• Bokeh