Ouverture (photographie)

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Nombre d'ouverture N=f/D

Le nombre d'ouverture d'un objectif photographique, aussi appelé indice d'ouverture ou tout simplement ouverture, désigne le rapport de la distance focale de cet objectif au diamètre de sa pupille d'entrée. Il est noté N ou f/#.

N = \frac{f}{d}

avec:

  • f la distance focale de l'objectif ;
  • d le diamètre de la pupille d'entrée.

C'est un nombre sans unité. Sa modification agit sur :

L'ouverture de base dite « pleine ouverture » d'un objectif dépend du diamètre des lentilles (lentille frontale pour un téléobjectif) et de la focale ; le diaphragme est l'élément mécanique permettant de réduire cette ouverture.

N (ouverture) = f/D

Le nombre d'ouverture ne doit pas être confondu avec son inverse, appelé ouverture relative[1],[2], et généralement exprimé sous la forme du rapport « 1:N » où N est le nombre d'ouverture. Il faut aussi éviter la confusion avec l'ouverture numérique qui est définie par la formule suivante :  \textstyle O.N. = n_{0} \cdot \sin i_{0} \ n_{0} est l'indice de réfraction dans le milieu d'observation (valeur d'environ 1 pour l'air), et où i_{0} est l'angle entre l'axe optique et le rayon (le plus écarté de l'axe optique) qui entre dans la lentille (le demi-angle d'ouverture).

Notations[modifier | modifier le code]

Plusieurs notations sont utilisées pour donner la valeur de l'ouverture. Par exemple, pour exprimer qu'un objectif est utilisé une ouverture de 2,8, on pourra écrire :

  • N = 2,8 : la notation utilisée dans cet article, qui se trouve aussi dans des ouvrages traitant d'optique photographique. Elle n'est quasiment jamais utilisée par les photographes ;
  • f/2,8 : la notation la plus courante. On écrira par exemple qu'une photo a été « prise à f/2,8 », et il est alors entendu qu'il s'agit de l'ouverture ;
  • F2.8 : dans des ouvrages et sites anglophones. Probablement issue d'une simplification de la notation précédente ;
  • 1:2.8 : utilisée par les fabricants pour exprimer l'ouverture maximale des objectifs. Il s'agit de l'ouverture relative c.-à-d. de l'inverse du nombre d'ouverture ;
  • 2.8 : lorsqu'il n'y a pas d'ambiguïté, la seule valeur numérique peut suffire. Utilisée par exemple sur les bagues de diaphragme des objectifs qui en sont pourvus.

À propos de la notation « f/2,8 », on peut remarquer qu'il s'agit de l'expression du diamètre de la pupille d'entrée (d = f/N), et que dans cette expression f désigne la distance focale. En pratique, cette signification est souvent ignorée, et « f/ » est considéré comme un préfixe introduisant le nombre d'ouverture. D'où le nom f-number (littéralement : « nombre f ») utilisé en anglais pour désigner le nombre d'ouverture.

Régulation du flux lumineux[modifier | modifier le code]

Séquence des indices d'ouverture standard les plus courants (de f/1 à f/32). Chaque disque a une surface double de celle du suivant.
 objectif canon
Bague de réglage de l'ouverture (objectif Canon)

Le flux lumineux transmis par l'objectif à la surface sensible est directement lié à la surface de l'ouverture du diaphragme[3] :

\Phi_t = E S

S est la surface du capteur qui reçoit l'éclairement :

\begin{align}
    E &= L T \frac{\pi}{4} \left(\frac{d}{f}\right)^2\\
      &= L T \frac{\pi}{4} \frac{1}{N^2}
\end{align}

avec :

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

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

L'éclairement de la surface sensible est donc proportionnel au carré de l'ouverture relative 1/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 2. Les valeurs approchées de cette suite sont reportées sur la bague du diaphragme :

1 – 1.4 – 2 – 2.8 – 4 – 5.6 – 8 – 11 – 16 – 22 – 32 – 45 – 64 – ...

Pour faciliter la manipulation, le mécanisme actionné par la bague comporte souvent des crans correspondant aux repères. L'intervalle entre deux crans est abusivement mais communément appelé « diaphragme » (comme dans « fermer de deux diaphragmes »), plus souvent abrégé en « diaph ». 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.

Notation APEX[modifier | modifier le code]

Dans le système APEX, l'ouverture est représentée en échelle logarithmique par la grandeur Av, aussi notée AV, définie par

A_v = 2 \log_2(N)

Modifier AV de une unité correspond alors à un changement de « un diaph ». Les tableaux ci-dessous donnent les correspondances entre AV et nombres d'ouverture, pour des progressions par demi-diaph et par tiers de diaph. Les nombres d'ouverture dans ces tableaux sont présentés conventionnellement arrondis à deux chiffres significatifs[4].

Correspondance entre AV et ouverture par pas de un demi diaph
AV 0 ½ 1 2 3 4 5 6 7 8 9
N 1,0 1,2 1,4 1,7 2 2,4 2,8 3,3 4 4,8 5,6 6,7 8 9,5 11 13 16 19 22
Correspondance entre AV et ouverture par pas de un tiers de diaph
AV 0 1 1⅓ 1⅔ 2 2⅓ 2⅔ 3 3⅓ 3⅔ 4 4⅓ 4⅔ 5 5⅓ 5⅔ 6 6⅓ 6⅔ 7 7⅓ 7⅔ 8 8⅓ 8⅔ 9
N 1,0 1,1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,5 2,8 3,2 3,5 4 4,5 5 5,6 6,3 7,1 8 9 10 11 13 14 16 18 20 22

Relation ouverture et exposition[modifier | modifier le code]

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

H = E t = L T \frac{\pi}{4} \frac{1}{N^2} t

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.

Ouverture effective[modifier | modifier le code]

La formule précédente pour l'exposition est valable pour une mise au point à l'infini, et reste une très bonne approximation pour des distances de prise de vue supérieures à environ dix fois la distance focale. Cependant, en photographie rapprochée et en macrophotographie, cette formule doit être corrigée en remplaçant le nombre d'ouverture par le nombre d'ouverture effectif défini par :

N_\text{eff} = N \left(1 + \frac{G}{G_P}\right)

où :

  • G est le grandissement transversal en valeur absolue, c'est-à-dire le rapport de la taille de l'image à celle de l'objet ;
  • GP est le grandissement pupillaire, c'est-à-dire le rapport du diamètre de la pupille de sortie à celui de la pupille d'entrée.

Dans les objectifs de construction quasi-symétrique, et notamment la plupart de ceux utilisés dans les chambres photographiques[5], le grandissement pupillaire vaut 1 et l'expression de Neff se simplifie en

N_\text{eff} = N (1 + G)

Ouverture photométrique (T-number)[modifier | modifier le code]

L'expression de l'exposition montre que celle-ci dépend de la transparence T de l'objectif. Il faudrait donc, en toute rigueur, connaître cette transparence pour déterminer l'exposition. En pratique, les différences de transparence d'un objectif à un autre sont souvent négligées[6]. Lorsqu'il importe de déterminer l'exposition avec une grande précision, il faut pourtant en tenir compte.

Afin de limiter le nombre de paramètres à prendre en compte, l'ouverture et la transparence sont combinés en un seul paramètre appelé ouverture photométrique, défini comme l'ouverture que devrait avoir un objectif parfaitement transparent pour avoir la même luminosité que l'objectif considéré. L'ouverture photométrique est donc donnée par :

N_T = \frac{N}{\sqrt{T}}

L'expression de exposition devient alors

H = L \frac{\pi}{4} \frac{1}{N_T^2} t

L'ouverture photométrique est généralement notée avec le préfixe « T/ ». Par exemple, « T/3.1 » signifie NT = 3,1. Il ne s'agit nullement d'une fraction, mais simplement d'une notation établie par analogie avec « f/ ».

Les objectifs destinés aux caméras cinématographiques sont souvent pourvus d'une échelle d'ouvertures photométrique en plus, ou à la place de, l'échelle d'ouvertures. Chaque objectif est étalonné individuellement[7].

Régulation de la profondeur de champ[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Profondeur de champ.
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 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.

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Article détaillé : Hyperfocale.

L’ouverture du diaphragme permet aussi de calculer la valeur l’hyperfocale. H=f^2/(Nc), où f est la distance focale de l’objectif, c le diamètre du cercle de confusion admissible, et N l’ouverture.

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[modifier | modifier le code]

La netteté de l'image est généralement meilleure aux ouvertures intermédiaires, celle-ci étant limitée par les aberrations géométriques à grande ouverture (N petit) et par les phénomènes de diffraction à petite ouverture (N grand).

Diffraction[modifier | modifier le code]

courbe de diffraction
Diamètre de la tache due à la diffraction en fonction du nombre d'ouverture. Les bandes horizontales représentent le cercle de confusion admissible en fonction du format
Articles connexes : Diffraction et Tache d'Airy.

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, 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 du diaphragme :

d = 2,44 \; \lambda \; N

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.

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Aberrations optiques[modifier | modifier le code]

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

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.

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Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Expressions : ouverture », sur Dictionnaire de français Larousse : « Ouverture relative d'un objectif, rapport du diamètre utile de l'objectif à la distance focale, exprimé sous la forme 1 : n. »
  2. « Définitions de OUVERTURE », sur Centre National de Ressources Textuelles et Lexicales : « Ouverture (relative d'un objectif). Rapport du diamètre du diaphragme (d'un objectif) à la distance focale (d'apr. Sarm. Phys. 1981). »
  3. Ralph E. Jacobson et al, The Manual of Photography: Photographic and Digital Imaging, p. 65.
  4. L'arrondi conventionnel présente quelques incohérences. Par exemple, l'ouverture pour AV = 3½ (≈ 3,3636) est arrondie vers le bas à 3,3, alors que celle pour AV = 4½ (≈ 4,7568) est arrondie vers le haut à 4,8. Il y a aussi des ambigüités : la valeur 1,2 peut représenter 1,19 (AV = ½) ou 1,26 (AV = ⅔), de même que 13 peut signifier 12,7 (AV = 7½) ou 13,5 (AV = 7⅓).
  5. Emmanuel Bigler, « Lumière, diaphragme et pupilles : Optiques épaisses, deuxième partie », sur galerie-photo,‎  : « La plupart des optiques de chambre y compris les grand-angulaires à l’exception des télé-objectifs [...] sont des formules quasi-symétriques [...]. »
  6. L'étalonnage des posemètres est régi par la norme ISO 2720, dérivée de ANSI PH3.49-1971. Cette dernière se base sur l'hypothèse T = 0,9, mais contient d'autres facteurs qui reviennent à adopter T = 0,83. C.f. Exposure Metering – Relating Subject Lighting to Film Exposure, par Jeff Conrad.
  7. Ralph E. Jacobson et al, The Manual of Photography: Photographic and Digital Imaging, p. 69.