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Qu’est-ce que la focale ?

mars 2010, par Daniel Metz

 

Pour le photographe amateur, la notion de focale se résume souvent à la notion de grossissement de l’image. Plus la focale est courte et plus le champs s’élargit. Mais ce qu’on oublie souvent c’est que plus la focale est courte et plus on capte de lumière.

Fig. 1. Il existe une distance précise entre la lentille et l’écran où l’image de l’objet devient nette. Et lorsqu’on éloigne l’objet vers l’infini cette distance de mise au point diminue pour venir se confondre avec la distance focale.

Définition de la distance focale

La distance focale souvent abrégée sous le simple terme focale, est le paramètre le plus important d’une optique.

La définition la plus simple : la distance focale est la distance entre le centre optique de l’objectif et la surface du capteur lorsque la mise au point est à l’infini.

Cette définition qu’on retrouve un peu partout est très ambiguë, car elle résulte d’un cas particulier où la mise au point est faite sur l’infini. Dans tous les autres cas, la distance focale n’a aucun rapport avec la distance du capteur.

Les opticiens préfèrent donner une définition un peu plus élaborée : La distance focale est la distance entre le point nodal d’émergence du système optique et le foyer principal image.

Laissons de côté la définition du point nodal qui définit le centre optique dans des optiques plus complexes, pour ne retenir que l’essentiel : la distance focale est la distance du foyer depuis l’optique. Pour le photographe, plus que cette distance en tant que telle, c’est l’angle solide qui se forme sous cette distance car plus l’angle est ouvert, plus le capteur est éclairé.

Fig. 2. Un objet situé à l’infini comme le soleil émet un faisceau de rayons parallèles. Le lieu de convergence de ces rayons parallèles s’appelle le foyer. La distance entre le centre de la lentille et le foyer s’appelle la distance focale. Elle définit le pouvoir réfractant de la lentille. Par convention le F de foyer s’écrit en majuscule et le f de la distance focale en minuscule.

Fig. 3. Faire la distinction entre la distance focale et distance du plan image.

Distance focale et angle de champ

L’angle de champ d’un objectif définit le champ de vision qu’on peut cadrer. Plus la focale est courte et plus le champ s’élargit. Rappelons-nous aussi que l’angle de champs varie avec la taille du capteur.

Fig. 4. Lorsque le pouvoir réfractant de la lentille est faible, le foyer se trouve éloigné de la lentille. La distance focale est grande, l’angle de champ est faible et le grandissement est important.

Fig. 5. Lorsque le pouvoir réfractant de la lentille est important, le foyer se trouve proche de la lentille. La distance focale est petite, l’angle de champ est grand et le grandissement est faible.

Distance focale et éclairement du capteur

Fig. 6. Dans cet exemple la scène cadrée par un objectif grand angle est quatre fois plus grande que la scène cadrée par un objectif standard, soit une intensité lumineuse deux fois plus forte (mais exposition constante par diminution du diamètre d’ouverture).

La fig. 6 illustre le fait que plus le champ est large, plus son intensité lumineuse est importante et qu’en conséquence pour maintenir un éclairement constant, c’est dire un nombre d’ouverture constant, le diamètre réel de l’ouverture diminue en proportion de la focale.

C’est pour cette raison qu’on préfère en optique associer l’éclairement du capteur à la distance focale

L’éclairement du capteur est proportionnel au carré de
Diamètre ouverture/ distance focale

En optique, ce rapport (d/f) diamètre d’ouverture / distance focale sert de base à la définition de l’ouverture relative 1/N car il porte l’information d’éclairement du capteur.

L’éclairement du capteur est proportionnel au carré de
l’ouverture relative (1/N)2

Il est important dans un zoom de maintenir un éclairement constant quelle que soit la focale. Le diamètre d’ouverture doit donc augmenter avec l’augmentation de la focale. Dans l’exemple des figures 4 et 5, si la position grand angle (25 mm) propose un diamètre de 25 mm, on aura une ouverture relative (éclairement) de 1 (25/25). Pour conserver ce même éclairement dans la position longue focale (50 mm), il faudra augmenter le diamètre d’ouverture en proportion pour conserver l’ouverture relative sur 1, soit un diamètre de 50 mm. On comprend toute la difficulté de produire des zooms à ouverture constante ! Car ouverture constante signifie en fait éclairement constant, mais ouverture réelle de plus en plus grande dans les longues focales !

Conclusion

Retenons simplement que plus la focale s’allonge, plus le champs se rétrécit et donc plus son intensité lumineuse diminue. Dans la mesure où l’objectif doit assurer un éclairement constant sur le capteur, Il doit compenser en augmentant le diamètre du diaphragme. Plus l’optique a une longue focale, plus il est difficile de la rendre lumineuse.

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