Mise au point par détection de phase
Télémètre de Dodin ou à champ coupé
Stigmomètre
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Les réflex manuels étaient souvent équipés d'un stigmomètre (aussi appellé télémètre de Dodin (inventeur) ou télémètre à champ coupé). En plus du stigmomètre, la lunette de visée était pourvue d'un anneau circulaire composé de microprismes; le restant étant un verre dépoli classique. Ce système de mise au point est le plus précis et les réflex automatiques sont pourvus de capteurs qui analysent les images coupées (détecteur de coïncidence).
Cet article est basé sur
Principle of the Split Image Focusing Aid and the Phase Comparison Autofocus Detector in Single Lens Reflex Cameras,
un texte de Doug Kerr.
Index général
Fonctions
Historique de l'autofocus

Mise au point par verre dépoli

Stigmometer of split prisma
Vue à travers l'oculaire d'un réflex classique à télémètre à champ coupé
Un appareil photo reflex est équipé d'un verre dépoli pour la mise au point manuelle (à l'origine il s'agissait d'un vrai verre traité à l'acide fluorhydrique (HF), maintenant il s'agit d'un vulgaire bout de plastique). Ce système de mise au point n'est qu'approximatif, car le verre dépoli produit une image qui n'est pas très nette. Il s'agit d'un compromis (comme toujours…): plus le grain du verre est fin, et plus l'image est nette, mais moins elle est visible. Il s'agit dans ce dernier cas de “super precision matte focussing screen” qui peuvent être placés à la place du plastique d'origine.

Pour permettre une mise au point plus précise, les reflex manuels sont équipés d'un double prisme. La partie centrale se compose de deux prismes qui produisent une image brisée quand la mise au point n'est pas correcte (comment cela est réalisé est le sujet de cet article, vous n'en êtes qu'à l'introduction!) Comme le verre n'est pas dépoli, l'image est aussi nette que possible.

La mise au point manuelle par télémètre à champ coupé est le système le plus précis. Hélâs, les reflex actuels ne disposent plus de cet accessoire. Les utilisateurs ne savent pas comment un stigmomètre fonctionne et n'utilisent que la mise au point automatique. Un double prisme au milieu de l'image ne fait que déranger. Heureusement que le verre dépoli d'origine peut être remplacé par un verre avec prismes (uniquement dans la gamme de reflex professionels).

Le système avec double prisme est utilisé dans les reflex modernes pour la mise au point automatique. Le système de mise au point par verre dépoli est comparable à la mise au point des appareils compacts qui utilisent la détection du contraste maximum..

Optique simplifiée de l'appareil photo

Voici notre appareil photo symplifié équipé d'une seule lentille pour la mise au point. La lentille produit une image réelle et inversée sur la plaque sensible (film ou capteur). Dans l'exemple, nous n'indiquons que deux rayons rouges ou bleus, mais sachez que tous les rayons intermédiaires aboutissent au même point.

Notre optique simplifiée est équipée d'un diaphragme placé au plan nodal (dans notre modèle symplifié le plan nodal correspond à la lentille). Dans la pratique on n'utilise plus d'optique à une seule lentille et le plan nodal se trouve entre les lentilles.

Un simple coup d'oeil te montre qu'un diaphragme plus petit laisse passer moins de lumière

L'optique a été déplacé vers l'objet, et la mise au point n'est plus correcte. L'image réelle n'apparait plus à l'endroit de la plaque sensible. A l'enplacement du capteur, les points lumineux ne forment plus des points, mais des taches.

Pour la mise au point, un verre dépoli remplace le capteur. Le reflex utilise un miroir qui envoie la lumière vers le verre dépoli (quand il est en place) et qui est rabattu lors de la photo. Nous oublions pour un instant le miroir et faisons comme si le capteur était remplacé par un verre dépoli (ce qui est encore le cas dans certains grands formats où la mise au point est manuelle et le verre dépoli remplacé par un dos digital lors de la photo). Le verre dépoli fait que l'image réelle est visible, un verre totalement transparent ne la rendrait pas visible. L'image passe ensuite par un pentaprisme ou pentamirror (qui remet l'image à l'endroit) et puis un oculaire avant d'abouter à notre oeil.

Nous avons ici une image floue. La netteté maximale d'une image ne se voit qu'approximativement, car le verre dépoli produit une diminution de la netteté. Il nous faut un système de mise au point plus précis.

Mise au point par prismes

Le télémètre à champ coupé permet une mise au point plus précise.

Nous avons tourné notre objet. Il se présente sous forme d'une barre horizontale avec son extrémité bleue dirigée vers nous. Nous utilisons une optique spéciale pour expliquer le fonctionnement du stigmomètre (mais plus tard vous verrez que cela n'est pas nécessaire et que le stigmomètre fonctionne très bien sans cette optique spéciale).

Le diaphragme a deux ouvertures et "par magie" les rayons rouges ne passent que par l'ouverure supérieure, et inversément pour les rayons bleus.

Le verre dépoli est remplacé par un trait, et l'oculaire reçoit l'image projetée sur le verre dépoli.

S'il n'y avait pas de verre dépoli pour "développer" l'image, les rayons n'atteindraient pas l'oculaire.

C'est maintenant que cela devient interessant: remplaçons le centre du verre dépoli par un double prisme qui dévie les rayons vers l'oculaire.

Récapitulatif cours d'optique
L'image réelle est l'image qui peut être captée par un verre dépoli ou un capteur.
L'image virtuelle est ce que tu crois voir, c'est une illusion d'optique.
La loupe produit une image virtuelle: cette image n'existe pas en réalité.
Quand la mise au point n'est plus correcte, (dans notre exemple l'image se forme devant le double prisme), le prisme reçoit deux images décalées. Las rayons sont rendus parallèles et les images décalées sont envoyées à l'oculaire. Nous voyons l'effet typique du télémètre à champ coupé: un décalage des deux images. Nos yeux sont très sensibles à ce décalage. Voici le principe du stigmomètre expliqué.

Dans la pratique

Nous expliquons ici pourquoi une optique spéciale (avec ses deux ouvertures) n'est pas nécessaire. Nous nous concentrons uniquement sur les rayons issus de l'extrémité rouge. Les rayons magenta (qui traversent l'optique à d'autres endroits) se perdent et ne sont pas visibles à travers l'oculaire.

Comment cela se fait-il que l'image de l'extrémité bleue n'atteint que le prisme bleu et l'image de l'extrémité rouge le prisme rouge? Pour cela, nous regardons la situation du haut au lieu d'une vue latérale.

Les rayons du boût rouge ne frappent que le prisme rouge et inversément. Ce que nous avons pris comme fait accompli se passe en réalité, sans avoir besoin d'astuces.

Nous retournons à la vue latérale. En pratique, les deux prismes ont une forme ronde, mais cela ne change en rien le fonstionnement de l'ensemble.

Quand le système ne fonctionne-t-il pas?

le système du stigmomètre ne fonctionne plus quand l'optique utilisée n'a qu'une ouverture limitée. Les rayons déviés par le prisme se perdent et le champ coupé est noir. Cet effet se remarque avec un reflex manuel. Dès que le diaphragme est fermé à ƒ/4 ou moins, on ne voit plus rien dans le télémètre.

La mise au point s'effectue normalement avec le diaphragme ouvert au maximum. Ce n'est que lors de la prise de la photo que le diaphragme est réduit selon les besoins. Mais il existe aussi des optiques peu lumineuses (lentilles bon marché ou super-télé).

Pour éviter le trou noir, on peut réduire l'angle des prismes, qui seront en mesure de récolter l'image en provenance d'optiques à faible luminosité. Mais si l'angle est réduit, le décalage sera moindre, et la mise au point sera moins précise. Les reflex automatiques sont équipés de plusieurs couples de prismes: un couple à grande déviation, donnant une découpe bien visible dès la moindre erreur de mise au point (mais ne fonctionnant qu'avec des optiques très lumineuses) et un ou plusieurs couples produisant une déviation moindre et donc utilisables avec des optiques à faible rendement.

Les optiques ouvrant à du ƒ/2.8 ou mieux sont classées "lumineuses" et bénéficient du prisme précis. C'est (heureusement!) quand l'ouverture est maximale que la mise au point doit se faire le plus précisément (à cause de la profondeur de champ réduite). Les optiques ouvrant à moins de ƒ/5.6 ne permettent pas la mise au point automatique.

Les optiques catadioptriques (équipée de miroirs) fonctionnent comme s'il s'agissait d'un ƒ/5.6 au lieu d'un ƒ/8 (Sony SAL-500F80). Les rayons lumineux qui nous interessent (ceux qui seront utilisés pour la mise au point) passent par le pourtour de l'image. La mise au point automatique est donc possible (et fonctionne même très bien), même si les prismes de mise au point ne sont pas fait pour du ƒ/8.

Système à microprisme

En plus d'un prisme double (très sensible, mais qui ne fonctionne qu'avec des optiques lumineuses), les reflex à mise au point manuelle bénéficient d'un champ à microprismes qui entoure le double prisme principal. L'anneau circulaire des microprismes permet encore une mise au point alors que le prisme principal est noir. Les microprismes ont une déviation moindre et permettent l'emploi d'optiques moins lumineuses. Le fonctionnement est identique, mais l'évaluation de la mise au point est différente. Les microprismes sont si petits qu'ils ne permettent pas de voir le déplacement. Par contre, ils donnent une image instable tant que la mise au point n'est pas correcte. L'image vibre au plus petit déplacement de la caméra ou de l'objet. L'image est normale quand la mise au point est correcte. L'effet est assez particulier et se remarque tout de suite.

Le télémètre à champ coupé en autofocus

Le système de mise au point automatique (autofocus) utilise le même principe, mais ce sont des capteurs linéaires (indépendants du capteur principal) qui reçoivent l'image et un calculateur qui détermine le déplacement et donc le taux de correction a appliquer. La mise au point s'effectue d'un coup et il est même possible de déterminer la mise au point future (déplacement de bolides lors de courses). Il s'agit de la mise au point prédictive (tracking autofocus comme on dit en engliche). Aucun autre système d'autofocus ne permet de tels tours de magie.

Le plan focal contient des ouvertures microscopiques qui laissent passer la lumière vers le système d'autofocus. Le capteur principal est ici hors-fonction, l'image étant envoyée vers le verre dépoli lors de la mise au point. Une petite lentille concentre à nouveau les rayons (sans que cela n'ait d'influence sur le principe de fonctionnement) et les deux micro-prismes rendent les rayons à nouveau parallèles.

Il est à noter que l'optique fonctionne (en ce qui concerne la mise au point) comme une optique à faible ouverture (l'ouverture virtuelle verte). Cela est important, car cela implique une profondeur de champ accrue pour la mise au point uniquement. De plus cela élimine les rayons parasites.

Voici une vue détaillée. Les traits verts sont des canaux lumineux (une sorte de tube) qui évitent les interférences.

Quand la mise au point n'est pas correcte, l'image nette apparait devant ou derrière le capteur linéaire. Mais ce n'est pas cet effet que nous utilisons: le stigmomètre se base sur le déplacement latéral, qui est bien plus précis et permet de déterminer la position correcte. Comme l'ouverture virtuelle (voir plus haut) est petite, l'effet d'un défocus n'influence presque pas la netteté.

Et pour terminer une vue schématique des capteurs linéaires "bleus" et "rouges". En réalité, les capteurs se composent de milliers de photosites individuels. Quand la mise au point est correcte, les rayons frappent les deux capteurs à la même position relative. Quand la mise au point n'est pas bonne, les rayons sont déplacés par rapport au capteur (le rayon est aussi un peu moins net, mais cet effet n'a aucune influence en pratique). Un ordinateur détermine le déphasage et calcule la correction à effectuer.

Résumé

Cette représentation montre le fonctionnement général. L'image doit être nette sur le plan image (où se trouve le capteur). Pendant la mise au point un miroir renvoie les rayons vers les capteurs de mise au point (capteurs ligne). (Réalisation partique) Quand la mise au point n'est pas bonne, les deux images sont déphasées, comme avec un télémètre à champ coupé classique. L'image est aussi un peu moins nette, mais cet effet n'est pas utilisé.

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