Les dômes et les hublots plans
Pour obtenir ce mémoire sur la problématique du hublot présenté pour le FP3
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En photographie sous-marine une des particularités des plus importantes est que
pour pouvoir évoluer dans le domaine aquatique nous avons intégré dans des
caissons étanches un équipement conçu au départ pour travailler dans l’air avec
comme seule barrière entre l’objectif et le monde sous-marin, un hublot.
Cette particularité pour les rayons lumineux de passer dans deux milieux
différents qui sont l’eau et l’air simplement séparés par du verre ou de l’acrylique
va se manifester par des phénomènes de distorsions (1*) ce qui par leurs
conséquences détermineront l’utilisation du type de hublot en fonction des
focales utilisées pour limiter au maximum ces aberrations (2*).
Les limitations sont principalement dues aux conséquences des phénomènes de
réfraction pour le hublot plan et la création d’une image virtuelle pour le dôme.
Vous trouverez ci-dessous une explication simplifiée de ces phénomènes et aussi
de l'importance du positionnement de l’objectif par rapport au centre optique du
dôme qui entraine des conséquences sur la qualité de nos images.
Si vous désirez approfondir le sujet, consulter le mémoire ci-contre.
(1*):En optique la distorsion est une aberration geometrique apparaissant quand les
conditions menant a l'approximation de Gauss ne sont plus respectees.
(2*): on dit qu'un systeme optique presente une aberration lorsqu'il ne fournit pas une
image nette et exacte de l'objet considere.
Les différents types de hublots
Le hublot plan: Ce type de hublot est limité par les problèmes de réflexions
aux optiques avec une focale supérieure à 28mm. Le hublot plan est utilisé
principalement pour la macrophotographie ,la lentille frontale souvent fabriquée
en verre BK-7 reçoit un traitement anti-reflets et nous trouvons sur les hublots
haut de gamme des traitements qui améliorent la transmission lumineuse et
diminuent les reflets parasites.
La longueur de ce type de hublot est fonction de l'objectif et de l'utilisation
éventuelle de multiplicateur de focale.
Les dômes:
Le dôme 4'' (100mm) est le dernier dôme proposé par les fabricants,
il a comme avantage d’être minuscule à peine plus gros que l'objectif
qu'il protège. Il est surtout destiné aux objectifs type ''fish-eye'' récents
ayant une mise au point minimum très courte, le rayon du dôme étant
faible, l'image virtuelle est très proche de celui-ci et pour avoir une qualité
correcte sur les bords il faudra fermer exagérément le diaphragme(courbure
de champ très prononcée).Ce dôme a fait naître une nouvelle approche
de la photo d'ambiance nommé en anglais ''close focus wide angle
(CFWA)''sa petite dimension permettant de s'approcher très prés du sujet
à le toucher.Ce hublot trouvera sa pleine mesure avec des objectifs comme
le nikon AF10,5mm ou le tokina 10-17mm car les caractéristiques de ces
deux objectifs permettent d'exploiter tout son potentiel .
Le dôme 6 '' est un peu le hublot hémisphérique à tout faire, il est suffisamment
compact pour s'approcher du sujet et utiliser la mise au point minimum
remarquable de certains grand-angles. Il supporte un grand nombre
d'objectifs grâce aux différentes bagues allonges et permet les images mi-air
mi-eau .
Le dôme 8'' ou 9,25'' fait de ce hublot le dôme le plus adapté pour les
prises mi-air/mi-eau .Son large diamètre permet d'éloigner l'image virtuelle
de sa surface ce qui va permettre l'utilisation d’objectifs dont la
mise au point minimum est importante. Ce hublot est aussi recommandé
pour les appareils plein format car ces caractéristiques font que la courbure
de champ est minimisé ce qui est bénéfique pour la mise au point
(voir le chapitre sur la courbure de champ dans le mémoire) et d'atteindre plus
facilement la profondeur de champ requises pour avoir les plans avant et arrière net.
Le hublot plan: Ce type de hublot est limité par les problèmes de réflexions
aux optiques avec une focale supérieure à 28mm. Le hublot plan est utilisé
principalement pour la macrophotographie ,la lentille frontale souvent fabriquée
en verre BK-7 reçoit un traitement anti-reflets et nous trouvons sur les hublots
haut de gamme des traitements qui améliorent la transmission lumineuse et
diminuent les reflets parasites.
La longueur de ce type de hublot est fonction de l'objectif et de l'utilisation
éventuelle de multiplicateur de focale.
Les dômes:
Le dôme 4'' (100mm) est le dernier dôme proposé par les fabricants,
il a comme avantage d’être minuscule à peine plus gros que l'objectif
qu'il protège. Il est surtout destiné aux objectifs type ''fish-eye'' récents
ayant une mise au point minimum très courte, le rayon du dôme étant
faible, l'image virtuelle est très proche de celui-ci et pour avoir une qualité
correcte sur les bords il faudra fermer exagérément le diaphragme(courbure
de champ très prononcée).Ce dôme a fait naître une nouvelle approche
de la photo d'ambiance nommé en anglais ''close focus wide angle
(CFWA)''sa petite dimension permettant de s'approcher très prés du sujet
à le toucher.Ce hublot trouvera sa pleine mesure avec des objectifs comme
le nikon AF10,5mm ou le tokina 10-17mm car les caractéristiques de ces
deux objectifs permettent d'exploiter tout son potentiel .
Le dôme 6 '' est un peu le hublot hémisphérique à tout faire, il est suffisamment
compact pour s'approcher du sujet et utiliser la mise au point minimum
remarquable de certains grand-angles. Il supporte un grand nombre
d'objectifs grâce aux différentes bagues allonges et permet les images mi-air
mi-eau .
Le dôme 8'' ou 9,25'' fait de ce hublot le dôme le plus adapté pour les
prises mi-air/mi-eau .Son large diamètre permet d'éloigner l'image virtuelle
de sa surface ce qui va permettre l'utilisation d’objectifs dont la
mise au point minimum est importante. Ce hublot est aussi recommandé
pour les appareils plein format car ces caractéristiques font que la courbure
de champ est minimisé ce qui est bénéfique pour la mise au point
(voir le chapitre sur la courbure de champ dans le mémoire) et d'atteindre plus
facilement la profondeur de champ requises pour avoir les plans avant et arrière net.
C'est au travers des principes de l'optique géométrique qui a pour but l'étude de la propagation des rayons lumineux dans les milieux transparents et la description de leurs trajectoires que nous aborderons les différents phénomènes observés qui affectent nos hublots plans ou sphériques.
À la surface de séparation (dioptre) entre deux milieux, les rayons lumineux obéissent aux Lois de Snell-Descartes.
Ce phénomène est provoqué par le changement de la vitesse de propagation de la lumière, cette vitesse dépend de la densité du milieu qu’elle traverse. Le rapport de ces vitesses est appelé indice de réfraction, noté n.
Dans notre problématique eau/air les conséquences sont:
- en premier:
En traversant le hublot le rayon réfracté s’éloigne
de la normale. n1=1.33 ( eau ), n2 = 1( air ), l’angle i1 > i2
Un autre point très important car il montre les limites de l’angle
de champ très utile à connaître pour certain types de focales.
C’est l’angle limite de réflexion totale.
Si l'angle i1 est tel que l'on ait : n1 sin (i1) > 1, alors
il n'y a plus de rayon réfracté.
La lumière est complètement réfléchie, comme sur un miroir : on parle de réflexion totale. Cela se produit quand le rayon incident
est supérieur à 48°35’(eau/air).
Ce dernier point est le phénomène optique qui aura une conséquence très importante dans le cas du hublot plan .
L’angle de champ maximum utilisable sera de deux ce qui qui donne environ 97°.
À la surface de séparation (dioptre) entre deux milieux, les rayons lumineux obéissent aux Lois de Snell-Descartes.
Ce phénomène est provoqué par le changement de la vitesse de propagation de la lumière, cette vitesse dépend de la densité du milieu qu’elle traverse. Le rapport de ces vitesses est appelé indice de réfraction, noté n.
Dans notre problématique eau/air les conséquences sont:
- en premier:
En traversant le hublot le rayon réfracté s’éloigne
de la normale. n1=1.33 ( eau ), n2 = 1( air ), l’angle i1 > i2
Un autre point très important car il montre les limites de l’angle
de champ très utile à connaître pour certain types de focales.
C’est l’angle limite de réflexion totale.
Si l'angle i1 est tel que l'on ait : n1 sin (i1) > 1, alors
il n'y a plus de rayon réfracté.
La lumière est complètement réfléchie, comme sur un miroir : on parle de réflexion totale. Cela se produit quand le rayon incident
est supérieur à 48°35’(eau/air).
Ce dernier point est le phénomène optique qui aura une conséquence très importante dans le cas du hublot plan .
L’angle de champ maximum utilisable sera de deux ce qui qui donne environ 97°.
La problématique du hublot
Tous les rayons lumineux arrivant en dehors de ce cône seront entièrement réfléchis. Cela entraîne une limitation d’utilisation à l’objectif utilisé qui ne pourra avoir un angle de champ supérieur à 97° car il ne pourra pas capturer la lumière au delà de cet angle.
Nous voyons cela à la piscine quand l'eau est calme et que la surface joue le rôle de miroir.
Nous voyons cela à la piscine quand l'eau est calme et que la surface joue le rôle de miroir.
La limitation de l’angle de champ
Dans l’utilisation du hublot plan tous les rayons lumineux qui se propagent en ligne droite dans un milieu transparent et homogène comme l'eau, le verre, l'air dans notre cas subissent une réfraction lors de leurs passage à l’intérieur du caisson et réciproquement.
Nous venons de voir l’effet du dioptre plan sur la lumière provenant du sujet sur le hublot mais qu’en est-il du phénomène inverse c’est-à-dire la limitation du champ couvert par l’objectif.
En traversant le hublot comme l’air est moins réfringent que l’eau n2<n1 et en appliquant les principes de Snell-Descartes:
n1=1.33 (eau), n2 = 1(air), l’angle i1 > i2: le rayon réfracté se rapproche de la normale il devient convergent.
En reprenant la formule précédente nous prendrons comme exemple,
un angle de champ couvert dans l’air de 63,4° l’angle couvert après
passage du dioptre plan sera dans l’eau de 46,2°, dans ce cas la couverture
d’un objectif de 35mm dans l’air passe après passage du hublot plan sous l’eau
à une couverture approchante d’un 50mm.
La zone noire sur le schéma représentant l’angle de champ perdu par réfraction.
Dans l’utilisation du hublot plan tous les rayons lumineux qui se propagent en ligne droite dans un milieu transparent et homogène comme l'eau, le verre, l'air dans notre cas subissent une réfraction lors de leurs passage à l’intérieur du caisson et réciproquement.
Nous venons de voir l’effet du dioptre plan sur la lumière provenant du sujet sur le hublot mais qu’en est-il du phénomène inverse c’est-à-dire la limitation du champ couvert par l’objectif.
En traversant le hublot comme l’air est moins réfringent que l’eau n2<n1 et en appliquant les principes de Snell-Descartes:
n1=1.33 (eau), n2 = 1(air), l’angle i1 > i2: le rayon réfracté se rapproche de la normale il devient convergent.
En reprenant la formule précédente nous prendrons comme exemple,
un angle de champ couvert dans l’air de 63,4° l’angle couvert après
passage du dioptre plan sera dans l’eau de 46,2°, dans ce cas la couverture
d’un objectif de 35mm dans l’air passe après passage du hublot plan sous l’eau
à une couverture approchante d’un 50mm.
La zone noire sur le schéma représentant l’angle de champ perdu par réfraction.
Tableau montrant la différence de l'angle de champ
-Ce qui a comme conséquence que pour garder le même couverture angulaire
que dans l'air le plongeur est obligé de s'éloigner de son sujet ce qui n'est pas
recommandé en photo sous-marine par augmentation de la couche d'eau
entre lui et le sujet avec la dégradation qualitative de l'image qui en découle.
-Ce qui a comme conséquence que pour garder le même couverture angulaire
que dans l'air le plongeur est obligé de s'éloigner de son sujet ce qui n'est pas
recommandé en photo sous-marine par augmentation de la couche d'eau
entre lui et le sujet avec la dégradation qualitative de l'image qui en découle.
La distance apparente dans l’eau avec un hublot plan
Un point P vu à travers le dioptre plan donne un point virtuel P’ dont la position est donné par la formule:
P' sera plus proche du hublot car n2 < n1 P’H=PH x 0.75.
Tout objet apparaîtra aussi bien pour le plongeur que pour l’appareil dans le cas ou le caisson est équipé d’un hublot plan plus proche, ceci est le même phénomène qu'avec le masque.
Ceci représente un avantage en macro car couplé avec la réduction de l'angle de champ donnera une image plus grande.
Un point P vu à travers le dioptre plan donne un point virtuel P’ dont la position est donné par la formule:
P' sera plus proche du hublot car n2 < n1 P’H=PH x 0.75.
Tout objet apparaîtra aussi bien pour le plongeur que pour l’appareil dans le cas ou le caisson est équipé d’un hublot plan plus proche, ceci est le même phénomène qu'avec le masque.
Ceci représente un avantage en macro car couplé avec la réduction de l'angle de champ donnera une image plus grande.
Le vignettage
En raison des propriétés physiques de la lumière, il est impossible d'avoir autant de lumière au bord du cercle qu'au centre. Cet assombrissement crée une légère réduction d'exposition dans les coins de l'image, on appelle cela le vignettage.
La loi qui va nous permettre de calculer cette perte de luminosité appelé loi de cos4 ʘ.
En raison des propriétés physiques de la lumière, il est impossible d'avoir autant de lumière au bord du cercle qu'au centre. Cet assombrissement crée une légère réduction d'exposition dans les coins de l'image, on appelle cela le vignettage.
La loi qui va nous permettre de calculer cette perte de luminosité appelé loi de cos4 ʘ.
Les objectifs de très courte focale seront les plus sensibles à cette perte de luminosité dans les angles. Le vignettage est plus visible sur un arrière plan, clair et uniforme voir l'exemple ci-dessus.
L’aberration chromatique
L'aberration chromatique désigne une aberration optique qui produit une image floue et aux
contours irisés, effet provoqué par la décomposition de la lumière blanche en plusieurs
bandes de couleurs, chacune ayant sa propre longueur d’onde.
On peut visualiser ce phénomène avec un prisme en verre.
L'aberration chromatique se traduit par la présence de contour flou et par la présence de
frange colorées sur le pourtour de l'image.
Premier exemple:
sur la périphérie de l'image
présence de franges magenta.
Deuxième exemple:
nous constatons que la présence de deux franges avec des colorations différentes une frange cyan à l’intérieur et une frange tirant sur le vert à l’extérieure.Les franges apparaissent généralement violet/magenta quand elles sont en avant du plan de mise au point, et en vert quand elles sont derrière le plan.
nous constatons que la présence de deux franges avec des colorations différentes une frange cyan à l’intérieur et une frange tirant sur le vert à l’extérieure.Les franges apparaissent généralement violet/magenta quand elles sont en avant du plan de mise au point, et en vert quand elles sont derrière le plan.
Le hublot sphérique
L’utilisation d’un hublot sphérique ou dioptre sphérique permettra, en l'appairant de manière adéquate à notre objectif, de mettre en valeur toutes les qualités intrinsèques de notre grand-angle par le fait de réduire de manière importante tous les problèmes étudiés précédemment dans le hublot plan, mais le hublot sphérique en ajoutera d'autres...
L’utilisation d’un hublot sphérique ou dioptre sphérique permettra, en l'appairant de manière adéquate à notre objectif, de mettre en valeur toutes les qualités intrinsèques de notre grand-angle par le fait de réduire de manière importante tous les problèmes étudiés précédemment dans le hublot plan, mais le hublot sphérique en ajoutera d'autres...
Le hublot sphérique agit comme un élément optique supplémentaire. Sous la surface de l’eau le hublot sphérique se comportera comme un dioptre sphérique, car il est la frontière entre deux milieux transparents, homogènes et isotropes avec des indices optiques différents.
Si le centre C du dioptre est dans le milieu le moins réfringent ( C dans n2<n1), ce qui est le cas en photo sous-marine le dioptre est divergent ( V<0 ).Cette caractéristique va le faire se comporter comme une lentille divergente.
Pour comprendre la problématique d'utilisation du hublot sphérique il faudra bien connaître ses principales particularités qui sont: la position de l’image virtuelle et la courbure de champ.
Pour comprendre la problématique d'utilisation du hublot sphérique il faudra bien connaître ses principales particularités qui sont: la position de l’image virtuelle et la courbure de champ.
La distance de l’image virtuelle p’ est égale à:
Pour un sujet à l'infini cette distance est:
En prenant D =A’S+SC nous avons la distance de l’image virtuelle au centre géométrique du dôme égale à 4 R. Cette distance est une approximation de quelques mm car dans les calculs nous n’avons pas tenu compte de l’épaisseur du hublot sphérique et de l’indice du verre mais en pratique on peut sans problème le négliger.
Unités: dôme en pouces,rayon et distance D en mm
Nous avons par la connaissance de cette position de l’image virtuelle, la première contrainte des caractéristiques que doit avoir notre objectif pour qu’il fasse une mise au point correcte car la netteté doit être obtenue entre cette image virtuelle et la surface du dôme.
Si la distance de mise au point minimale est trop importante est qu’elle se fait derrière l’image virtuelle nous ne pourrons jamais avoir une image nette.
Pour que l’image soit nette il faut que la distance minimale de mise au point minimum soit égale ou inférieure à 4r (rayon du dôme)
Exemple: pour un hublot sphérique de 6“(rayon 76,2mm) et en regardant dans le tableau ci-dessus la MAP minimale doit être de 30,5cm .
Remarque: Cette distance ( a ) est comptée entre l'image virtuelle et le centre du hublot mais
la MAP ( b ) est comptée depuis le capteur: ( a ) < ( b )
Si la distance de mise au point minimale est trop importante est qu’elle se fait derrière l’image virtuelle nous ne pourrons jamais avoir une image nette.
Pour que l’image soit nette il faut que la distance minimale de mise au point minimum soit égale ou inférieure à 4r (rayon du dôme)
Exemple: pour un hublot sphérique de 6“(rayon 76,2mm) et en regardant dans le tableau ci-dessus la MAP minimale doit être de 30,5cm .
Remarque: Cette distance ( a ) est comptée entre l'image virtuelle et le centre du hublot mais
la MAP ( b ) est comptée depuis le capteur: ( a ) < ( b )
L'image virtuelle est toujours plus petite que l'objet réel
La courbure de champ
Une autre particularité de cette image virtuelle est que cette image n’est pas plane mais suit la courbure du hublot sphérique, chaque objet à l’infini produit une image à égale distance du dôme quel que soit l’endroit de l’objet.
Une autre particularité de cette image virtuelle est que cette image n’est pas plane mais suit la courbure du hublot sphérique, chaque objet à l’infini produit une image à égale distance du dôme quel que soit l’endroit de l’objet.
Si nous faisons notre mise au point au centre nous voyons en observant la figure ci-dessous que les points à la périphérie sont hors capteur donc flous.
Le phénomène de courbure de champ augmente progressivement du centre aux coins de l'image, ceci est un des avantages du capteur DX sur un capteur plein format FX.
Nous pouvons atténuer ce problème en jouant sur la fermeture du diaphragme pour augmenter la profondeur de champ donc augmenter les limites de la zone de netteté.
dessin d'aprés@borut furlan
En fermant le diaphragme on retrouve de la netteté sur les bords de l'image
Usage des lentilles additionnelles sur certains grand-angles dans un dôme
Pourquoi dans certaines configurations, dôme/grand-angle devons nous utiliser une lentille
additionnelle fixée à l'avant de l'objectif ?
Nous avons vu dans le précédent chapitre que pour pouvoir obtenir une image nette, l'objectif
devra avoir une mise au point minimum plus petite que la distance qui le sépare de l'image
virtuelle. Si l’objectif photographique envisagé a une MAP plus grande que cette distance
nous aurons recours à une bonnette ou lentille d’approche qui a pour effet de rapprocher le
plan de mise au point par déviation des rayons lumineux.
Cette lentille additionnelle nommée aussi bonnette est une lentille convergente ajoutée à
l'objectif qui va corriger le hublot sphérique qui se comporte comme une lentille divergente.
Si l'objectif est réglé sur l'infini et qu'il est muni d'une bonnette , la distance de mise au point
la plus éloignée est égal à la longueur focale de la bonnette.
Le positionnement de l’objectif dans le dôme
Un point très important dans l'usage d'un dôme sphérique est l' appairage de celui ci avec l'objectif mis sur l'appareil photo.Le but étant de superposer au plus prés le centre géométrique du hublot sphérique et la pupille d'entrée de l'objectif utilisé pour éviter au maximum les distorsions,les problèmes de focalisation et les aberrations chromatiques, la meilleure qualité d'image étant obtenue quand tous les rayons lumineux traversent le dôme de façon perpendiculaire.
Un point très important dans l'usage d'un dôme sphérique est l' appairage de celui ci avec l'objectif mis sur l'appareil photo.Le but étant de superposer au plus prés le centre géométrique du hublot sphérique et la pupille d'entrée de l'objectif utilisé pour éviter au maximum les distorsions,les problèmes de focalisation et les aberrations chromatiques, la meilleure qualité d'image étant obtenue quand tous les rayons lumineux traversent le dôme de façon perpendiculaire.
Connaissant ces deux points nous allons limiter les problèmes optiques en superposant la pupille d'entrée et le centre géométrique du hublot sphérique.
Exemple d'un dôme mal adapté avec le centre du dôme en arrière de la pupille d'entrée.
La conséquence de cette mauvaise adaptation se manifestera par
des aberrations optiques et chromatiques avec sur les bords un manque de netteté .
Exemple d'un dôme mal adapté avec le centre du dôme en arrière de la pupille d'entrée.
La conséquence de cette mauvaise adaptation se manifestera par
des aberrations optiques et chromatiques avec sur les bords un manque de netteté .
Un dôme avec un rayon approprié est donc la meilleure solution mais, s'il n'en existe pas de disponible, une bague d'extension d'une longueur adéquate peut être ajoutée.
Les spécifications de cette bague sont données par les fabricants de caissons dans des tableaux dans lesquels vous retrouverez les dimensions nécessaires pour appairer chaque objectif avec les différents dômes proposés par le constructeur.
Ce qui a pour résultat:
Une autre conséquence d'un mauvais positionnement est la perte de champ.
