Distance focale - Définition
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Introduction
La distance focale d'un système optique est la mesure de sa puissance de convergence (focus) ou divergence (diffusion) de la lumière. Un système avec une longueur de focale plus courte a plus de puissance optique qu'un autre avec une longue focale.
Les distances focales, respectivement objet et image, d'un système optique centré convergent ou divergent sont, par définition, les distances algébriques séparant respectivement le plan principal objet H du foyer objet F et le plan principal image H′ du foyer image F′. Elles sont souvent notées respectivement ƒ et ƒ′.
Dans le cas d'un système « mince », par exemple une lentille mince, les plans principaux peuvent être confondus avec le centre optique de la lentille et dans ce cas la distance focale image est facilement définie par la distance algébrique séparant le centre optique de la lentille mince du foyer image.
Dans tous les cas les distances focales font partie des éléments cardinaux d'un système, c'est-à-dire d'un ensemble de grandeurs qui permettent une définition complète du système et une numérisation facile du calcul, notamment en optique matricielle.
Propriétés
Pour les systèmes optiques dont les milieux d'entrée et de sortie sont identiques, les distances focales deviennent égales en valeur absolue. C'est le cas très classique d'une lentille plongée dans l'air pour laquelle H'F' = − HF = f' = − f.
On comprend facilement cette propriété à partir d'une autre définition possible des distances focales, à partir de la vergence V d'un système. Si on appelle n et n' les indices d'entrée et de sortie du système :
Pour les systèmes plongés dans l'air (par exemple en photographie) on retrouve donc également la propriété suivante : la distance focale image est l'inverse de la vergence :
La notion de convergence et de divergence s'en trouve également explicitée : on appellera convergent un système optique dont la distance focale image est positive et divergent un système dont la distance focale image est négative. Une lentille convergente a une distance focale positive et une lentille divergente une distance focale négative. En photographie, les objectifs sont des systèmes convergents ainsi que les bonnettes d'approche. Les doubleurs de focale qu'on intercale entre l'objectif et le film ou (le capteur) sont des systèmes afocaux.
Photographie
En photographie, la surface sensible (le film dans le cas de la photographie argentique, le capteur dans le cas de la photographie numérique) est dans le plan de convergence des rayons issus de l'objet à photographier (voir les articles Mise au point et Profondeur de champ). Dans le cas d'un objet « à l'infini » (c'est-à-dire, pour fixer les idées, situé à plus d'une vingtaine de mètres, avec un appareil 24 x 36 et une optique courante), la surface sensible est dans le plan focal ; sa distance avec le plan principal image H' de l'objectif est alors la distance focale. Voir aussi l'article Point nodal.
Une variation de la distance focale induit deux effets concrets sur l'image vue à travers l'objectif :
« Grandissement de l'objet »
Avec le format classique 24 x 36 mm, par exemple, la focale dite « normale », « naturelle » ou « moyenne » est environ de 43 mm (c'est la diagonale de l'image 24 x 36 mm). Avec cette focale, il est d'usage de dire que l'image est perçue à travers l'objectif selon le même angle de champ que la vision humaine.
- La vision est un système à focalisation mentale variable : angle d’attention (lecture, examen d’un détail) sur 1° ; angle d’observation sur 60° ; angle de perception sur 180°.
En réalité cette affirmation doit être nuancée sur plusieurs plans. En effet la vision humaine ne procède pas de la même façon que l'enregistrement d'une image derrière un objectif de focale fixe donnée : l'œil a un champ de vision de grande netteté ou angle d'attention (lecture, examen d'un détail) de l'ordre de 1 à 5 degrés, c'est-à-dire le champ qu'enregistrerait une longue focale de 500 mm environ. Au-delà de ces 5 degrés, l'œil perçoit moins bien les fins détails. L'œil balaye le champ sans arrêt, l'impression visuelle résulte donc de la comparaison permanente de différents champs vers lesquels l'œil se tourne. Néanmoins, on parle d'angle d'observation, qui couvre environ 60° dans le plan horizontal. C'est cet angle qui sert de référence pour la focale « normale » pour le format considéré. D'autre part, l'œil a une sensibilité aux mouvements et à la lumière qui atteint presque les 180°, que décrit l'angle de « perception ».
Un autre point important c'est la façon dont les viseurs sont réglés. Par exemple il est courant que les viseurs des appareils reflex 24 x 36 soient réglés pour que la focale de 35 mm donne un grossissement optique identique à ce que l'œil nu verrait ; le 50 mm est donc affecté, à travers le viseur de ces appareils, d'un facteur de grossissement de 50/35 = 1,4.
Dans les appareils non reflex à télémètre, selon le modèle, le viseur peut être construit ou réglé à différentes valeurs de grossissement entre 0,5 et 1,25 (avec une lentille additionnelle) ; grâce à des cadres-repères dans le viseur, ce qui est vu dans le viseur est relié avec ce que les objectifs de différentes focales enregistreront sur la surface de 24 x 36 mm.
Il est clair que les vues prises aux très grands angles ou aux très longues focales ont quelque chose de « non-naturel », il est donc légitime de chercher à placer entre les deux une focale normale ou naturelle. La notion de « focale normale » couvrant un angle de 53° (diagonale = focale), sans exclure totalement des raisons d'optique physiologique, doit peut-être sans doute plus à l'histoire de la technique photographique. On peut en effet évoquer le poids historique des optiques de type triplet et tessar qui couvrent, justement, cet angle avec une bonne qualité d'images pour un encombrement et un prix réduits, formules optiques qui ont dominé le marché pendant presque un siècle.
28 mm | 
50 mm | 
70 mm | 
210 mm |
Déformation apparente de l'environnement
Une focale courte comme le 28 mm, aussi appelé grand angle, déforme apparemment la perspective et a un angle de vision plus important que celui de l'œil humain. Là encore il faut nuancer compte tenu des remarques faites ci-dessus sur le champ de vision de l'œil, mais il n'est pas possible à l'œil d'embrasser le champ total de 75° d'un 28 mm en 24 × 36 sans balayer le champ par un réflexe naturel de rotation du globe oculaire. L'image enregistrée sur le film en une seule fois sous 75° est donc très différente de l'impression visuelle.
Une focale longue comme le 200 mm (téléobjectif) rapproche les plans et « aplatit » le fond du sujet.
Un point important est celui du rendu de perspective :
Le rendu de perspective tel qu'il est vu par l'œil ou l'appareil photo ne dépend que du point de vue où on se place. D'un même point de vue, une longue focale ou un grand angulaire donneront le même rendu de perspective, et ceci quel que soit le type d'appareil ou de format utilisé. Un agrandissement de la portion centrale de l'image prise au 28 mm est exactement identique dans sa perspective à l'image prise avec une longue focale. Il n'est pas possible de changer le rendu de perspective sans changer de point de vue. Un zoom ne fait que recadrer une image à la prise de vue, ce qui est un atout considérable, mais ne peut pas changer le rendu de perspective.
Il convient également de distinguer la notion de téléobjectif de la notion de longue focale. Une longue focale photographique est par convention toute focale plus longue que la diagonale du format. Parmi les formules optiques utilisées, les téléobjectifs sont des longues focales qui ont l'avantage d'un encombrement mécanique plus court que leur distance focale. Ils sont très prisés sur les reflex petit format, mais on peut parfaitement utiliser comme longue focale d'autres formules que les téléobjectifs, par exemple des objectifs de lunette astronomique qui devront être placés à peu près à une distance focale en avant du film, c'est-à-dire que la longueur de tube dans ce cas doit être au moins aussi longue que la focale pour pouvoir mettre au point sur l'infini.
24 mm | 
50 mm | 
100 mm | 
200 mm |
Le photographe se déplace de façon à ce que le sujet ait toujours la même taille sur la photo. De ce fait, le point de vue change donc le rendu de perspective change, tout en conservant la même dimension au sujet central.
50 mm (focale moyenne) | 
17 mm (focale ultra-courte) |
Angle de champ
Une longue focale (téléobjectif) correspond à un petit angle de prise de vue alors qu'une focale courte (grand angle), comme son nom l'indique, a un angle de prise de vue beaucoup plus grand.
Les objectifs de type zoom ont une focale variable.
