Décentrements, bascules et règle de Scheimpflug en petits et moyens formats

Résumé :
Basculer et décentrer l’objectif photographique par rapport au film, c’était naguère, à de rares exceptions près, la «chasse gardée» des chambres grand format. La règle de Scheimpflug n’était connue que des grand-formistes professionnels. Aujourd’hui que les professionnels n’utilisent plus beaucoup la chambre, on peut se demander s’il y a toujours un intérêt à appliquer des bascules et des décentrements avec les appareils de petit et moyen format. Les récents matériels et accessoires proposés par les constructeurs ainsi que la pratique actuelle de certains professionnels nous prouvent, au contraire, que bascules et décentrements n’ont pas encore dit leur dernier mot.

Introduction

Les cours de formation photographique professionnelle classiques [1], [2], [3], [4], [5], devaient consacrer une partie importante de leur pagination à la question des mouvements de la chambre grand format : bascules et décentrements. Il y a donc, dans la photographie du siècle dernier, deux mondes distincts ; celui des petits et moyens formats, où sauf rares exceptions, le seul déplacement autorisé à l’objectif est, pour la mise au point, la translation suivant l’axe optique (axe orienté de façon intangible, bien perpendiculairement au film, bascule nulle), l’axe optique pointant toujours vers le centre du format (décentrement nul). Et puis il y a le monde de la chambre grand format, où, tout au contraire, toutes les possibilités de bascules et de décentrements sont non seulement possibles, mais sont absolument requises pour que l’image satisfasse les critères de la photographie professionnelle d’architecture ou d’objets en studio.

Certes, même après que l’appareil 24x36 à film ait conquis une position hégémonique, dans la deuxième moitié du XX siècle, il y avait bien quelques «oiseaux rares» en petit et moyen format, ces fameuses exceptions qui confirment la règle, comme les optiques à bascule et décentrement pour boîtiers reflex 24x36 ; ou bien, en moyen format, la bascule du Rolleiflex SL-66 ou celle du Fuji GX-680, l’adaptateur pour décentrement PC-Mutar du système Hasselblad-V, le Flex-Body et l’Arc Body du même fabricant, les dispositifs étranges de la firme Zörkendörfer, ou les optiques moyen format de Kiev remontées sur bascule & décentrement pour un usage en 24x36.

Aujourd’hui où, nous dit-on, la majorité des professionnels n’utilise pratiquement plus de film et encore moins de chambres grand format, sauf peut-être pour leurs activités personnelles ou de loisirs, il serait logique que bascules et décentrements n’aient plus aucun intérêt, sinon pour quelqu’amateur désireux de travailler «à l’ancienne» ; mais alors sans contrainte commerciale. Et les photographes conservateurs, nostalgiques de la vieille école, n’en finissent plus de se plaindre des prétendues photos d’architecture où les verticales convergent aujourd’hui abominablement, que ce soit sur les pages web ou dans les imprimés [6].

Car si les verticales convergent, hop, en un clic de souris en post-production, on remet, nous dit-on, tout cela d’aplomb en un clin d’œil. Plus besoin de décentrer, donc. Quant à la règle de Scheimpflug [7], c’était probablement un vieux truc du temps de Saint Ansel (Adams) [8] pour pallier le manque de profondeur de champ des longues focales du grand format : en petit et moyen format, et en numérique, ne dit-on pas souvent qu’on a trop de profondeur de champ ? Du coup, bascules et tout le «fatras» autour de Scheimpflug deviendraient, de ce fait, parfaitement inutiles.

Or, situation fort étrange de l’an 2010, voilà qu’une lecture régulière des annonces des nouveautés des fabricants nous porte à croire qu’il n’en est rien. Hasselblad met au catalogue un dispositif qui ressemble fort au PC-Mutar, pour son système H, avec une bascule couplée au calculateur interne à l’appareil ; Canon et Nikon remettent à jour leurs optiques à bascule et décentrement pour leurs boîtiers reflex 24x36, Carl Zeiss coopère (depuis quelques temps déjà) avec Hartblei pour offrir une monture basculante à ses optiques couvrant le 6x6, et à la Photokina 2010, Schneider-Kreuznach présente trois nouveaux objectifs à bascule et décentrement pour le petit et le moyen format. Sans compter divers dispositifs pas forcément très précis, mais probablement «créatifs», permettent d’expérimenter les bascules en petit format sur film ou silicium.

Et quant aux petites chambres de précision pour le format numérique 4,5x6 cm, on en dénombre peut-être une douzaine, en parallèle avec un effort considérable chez Schneider et Rodenstock pour proposer de nouvelles optiques de haute performance dédiées à ces matériels.

Contre toute attente, décentrements & bascules qui auraient dû succomber face à l’avancée irrésistible du progrès, les progrès de l’hydre numérique en silicium combinée à ceux du post-traitement logiciel, eh bien ces vieilleries mécaniques et optiques refusent de quitter la scène.

Nous proposons ici de voir pourquoi, et comment il est possible, moyennant quelques précautions de bon sens, d’extrapoler les méthodes des bascules et décentrements connues en grand format à l’usage du petit et du moyen format.

I Les décentrements

1) Les règles classiques

Traditionnellement, on utilisait le décentrement pour les photos d’architecture afin que les verticales de l’édifice photographié soient représentées par des verticales parallèles dans l’image. Que ce soit dans la Mission Héliographique [9] ou dans le Vieux Paris d’Atget [10], la règle ne souffre aucune exception ; Atget qui ne dispose pas d’objectifs à grande couverture angulaire préfère laisser visible un vignettage en haut de certaines de ses images qui atteignent la limite du cercle-image [11], plutôt que de laisser ses verticales converger. On peut voir dans cette règle une survivance datant des époques anciennes, parce que les peintres et les graveurs représentaient les édifices de cette façon. On peut aussi arguer d’un effet physiologique qui tend à remettre «d’apparence verticales» dans l’image rétinienne interprétée par l’observateur les lignes verticales du monde réel délimitant les façades des immeubles ; du moins tant qu’on ne penche pas trop la tête en arrière. Certains souhaitent s’affranchir de ces règles strictes qui sont bien antérieures au temps du Père Atget [6], comme on s’affranchit de la tutelle pesante des ancêtres qui, bien entendu, brident toujours la jeunesse dans sa créativité.

Sans entrer dans ce débat esthétique, force est de constater qu’un certain nombre de photographes d’aujourd’hui trouvent tout de même avantage à continuer à décentrer à la prise de vue en petit et moyen format (numérique ou pas), même si ce n’est pas pour faire des photos d’architecture.

Figure 1: Le principe classique du décentrement : si le plan du film est parallèle à la façade de l’édifice ou à la face avant du meuble (a), les verticales se projettent verticales et parallèles dans l’image, la grandissement est constant sur toute l’image ; si le plan du film n’est pas parallèle au plan de la façade (b), l’image en projection centrale est affectée d’une très classique distorsion en trapèze, les verticales convergent, le rapport de grandissement pour une petite portion d’image varie du haut en bas de l’image

La règle classique énoncée dans les cours de photo à la chambre est très simple (figure 1 a) : pour que les verticales de l’édifice, ou les verticales du meuble que l’on photographie, soient parallèles et verticales sur la photo, il faut et suffit que le plan du film (ou du détecteur) soit gardé bien vertical et parallèle au plan de la façade de l’édifice ou à la face avant du meuble. Et si d’aventure le plan-objet n’est pas vertical, et si on souhaite en faire une image sans distorsion en trapèze, peu importe finalement la verticale et la gravité terrestre, il faut et suffit en général que le plan du film soit parallèle au plan de l’objet.

Si cette condition est respectée, du moment que la distorsion optique intrinsèque à l’objectif est faible, l’image d’un damier à mailles carrées reste un damier à mailles carrées, et l’image d’un cercle tracé sur le plan objet parallèle au plan du film reste un cercle. Dès que le plan objet n’est plus parallèle au plan image (figure1 b), l’image du damier carré devient affectée d��une distorsion en trapèze qui est inévitable même avec un objectif parfait, et l’image d’un cercle devient une ellipse.

Il y a en revanche un effet particulier de distorsion des sphères qui apparaît sur le bord des images prises au grand angulaire même si le plan sur lequel sont posées les sphères est parfaitement parallèle au film (voir figure 2). Là encore, cet effet est inévitable et devient très visible avec les ultra-grands angulaires. Cette déformation est gênante, par exemple, si on photographie un groupe de personnes au grand angulaire, les visages de ceux qui sont en bord de champ seront affectés d'un étirement peu esthétique.

Figure 2: Même si le plan objet est bien parallèle au plan image, l’image d’une sphère posée sur le plan objet est une ellipse d’autant plus allongée qu’on s’éloigne de l’axe optique. La raison en est que la ligne délimitant la partie visible de la sphère est un cercle de plus en plus incliné par rapport au plan d’appui de la sphère, d’où la déformation en ellipse de ce contour en projection dans l’image.

Ces règles de projection découlent directement des lois de la perspective centrale connues depuis la Renaissance [12]. Le point-clé de la construction géométrique étant qu’on peut simuler le rendu de perspective photographique par un tracé de rayons analogue à celui de la camera obscura des maîtres anciens, ou du sténopé des artistes contemporains, en ignorant dans la plupart des cas le fait que l’objectif est composé de verres, et qu’il n’est pas une lentille mince. Dans l’objectif photographique, c’est la pupille d’entrée de l’objectif, c’est à dire l’image du diaphragme donnée par la partie antérieure de l’objectif, qui joue le rôle du sténopé dans la détermination des parties vues et cachées du sujet, et des alignements dans l’espace objet rendus dans l’image projetée par un seul et même point ; le rendu de perspective ne dépend que de la position de cette pupille d’entrée par rapport à la scène photographiée et ne dépend en aucun cas de la focale. Bien entendu, différentes focales donnent des images plus ou moins grandes, des cadrages plus ou moins serrés, mais à l’intérieur de l’image, les proportions relatives des objets projetés, le rendu des alignements, sont les mêmes, à un facteur d’agrandissement près, proportionnel à la focale de l’objectif utilisé.

On peut même étendre, sous certaines conditions expliquées dans l’annexe 1, cette construction traditionnelle de la camera obscura au cas où les images sont défocalisées, les formules de conjugaison de l’optique géométrique n’étant pas une contrainte forte tant que le niveau de flou reste faible.

2) Applications aux petits et moyens formats

En principe, le fait de travailler en petit et moyen format avec des objectifs à décentrement prévus pour les reflex ne devrait pas changer en quoi que ce soit cette règle classique. Nous dirons simplement que c’est presque toujours vrai (voir annexe 1) et qu’il n’y a pas lieu dans un premier temps de remettre en cause cette règle héritée de la photo en grand format, elle-même héritée des règles de la perspective centrale.

On pourrait arguer que sur le terrain en quelques secondes le rendu de perspective «correct» est obtenu par l’action d’une glissière, ce qui à l’ère de l’image numérique épargne du temps de post-production [13]. Il est vrai que réaliser en post-production l’exact équivalent du décentrement classique ne se ramène pas à remettre simplement les verticales convergentes parallèles entre elles, il faut également modifier les dimensions de l’objet dans le sens vertical par un étirement (figure 3). Pour un détail pris avec une focale normale ou une longue focale, une simple dilatation après correction du trapèze donne une image acceptable, mais pour une image au grand angulaire, il faudrait que le coefficient de dilatation soit variable du haut en bas de l’image, ce qui est difficilement accessible à un post-traitement manuel avec les outils ordinaires du traitement d’image.

Figure 3: Il semble facile par post-traitement numérique de remettre verticales les fuyantes d’une façade prise en contre-plongée sans décentrement. En principe, avec une chambre à décentrement au même point de vue, le rendu de perspective, les alignements et les parties cachées seront rendus dans l’image projetée de la même façon qu’avec un appareil dépourvu de mouvements dont on incline l’axe optique et dont l’image subit la distorsion en trapèze. Il n’est pas facile, en revanche, sans avoir noté précisément l’inclinaison de l’appareil, de déterminer après coup le dosage de la dilatation verticale nécessaire à redonner à la façade (par distorsion inverse) ses véritables proportions d’origine, comme dans un plan en élévation, d’autant plus que le coefficient de dilatation à appliquer, pour une grande façade prise au grand angulaire, devrait être variable du haut en bas de l’image à traiter.

En petit et moyen format, le décentrement s’obtient comme en grand format par l’usage d’un objectif qui couvre nettement plus que le format de film ou de capteur où l’image s’enregistre. Le décentrement, comme en grand format, revient donc à un recadrage par le détecteur d’une image qui se forme excentrée par rapport à l’axe optique. Comme les focales et les formats sont plus courts, le déplacement mécanique nécessaire au décentrement est en proportion du format ; il faut donc une glissière de précision.

Quel que soit le format, pour réaliser par décentrement le cadrage classique 1/3 - 2/3 à partir d’une vue où l’axe optique est centré au milieu du film ou du capteur, il faut décentrer de 1/6 du côté du format.

Cette valeur de 1/6 qui semble modérée et réalisable mécaniquement sans difficultés (par exemple 4 mm pour un petit côté de 24 mm), atteint en fait immédiatement les limites du cercle-image d’une formule optique comme un Tessar-Xenar-Planar-Xenotar couvrant 55°-60°. En effet, sachant qu’une focale normale est égale à la diagonale du format, pour couvrir tout le format il faut au moins 53° d’angle de champ. Les formules optiques fameuses que nous venons de nommer, utilisées comme focales normales, n’ont donc qu’une faible marge de couverture, en décentrant de 1/6 du côté, on atteint déjà la limite du cercle-image de l’objectif.

La plupart des adaptations permettant de décentrer un objectif qui, au départ, n’était pas prévu pour cela, se heurtent rapidement à cette limite de cercle-image, ce qui réduit considérablement l’intérêt de ces dispositifs. C’est le problème qu’on rencontre, par exemple, avec les optiques Hasselblad standard montées sur le FlexBody, d’où l’introduction de l’ArcBody équipé d’optiques de chambre à grande couverture angulaire (100° à 120°). Aujourd’hui, les optiques de chambre considérées comme étant «de focale normale», c’est à dire de focale égale à la diagonale du format, couvrent entre 70° et 75° ; cet angle de champ, par comparaison, est celui d’un 28 mm couvrant toute la diagonale du format 24x36, ou d’un 50 mm pour le 6x6.

D’où la demande pour des angles de champ plus élevés que 60°, imposant l’utilisation de formules rétrofocus [14] devant un boîtier reflex. Certes le rétrofocus de Pierre Angénieux [15] date de 1950, donc ce n’est pas vraiment une nouveauté, néanmoins il était difficile techniquement de concevoir dans les années 1950-60 une optique rétrofocus pour appareil reflex, qui soit de grande couverture angulaire avec une faible distorsion, alors qu’on sait faire des optiques symétriques ou quasi-symétriques couvrant 120° depuis le début du XX-ième siècle [16], De plus la formule symétrique permet de corriger bien plus facilement la distorsion, mais on ne peut pas monter de tels objectifs devant un reflex parce qu’en focales plus courtes que la diagonale du format, le miroir en percuterait la lentille de sortie.

Figure 5: Une optique grand angulaire de type rétrofocus a sa dernière lentille nettement plus loin du film que sa focale, ce qui permet le passage du miroir reflex. Une telle combinaison optique est nécessairement dissymétrique, elle est plus difficile à corriger des aberrations (en particulier le chromatisme transversal, assez gênant sur capteur couleur de type Bayer) et de la distorsion.

Les difficultés de conception optique des rétrofocus sont aujourd’hui surmontées lorsqu’on voit, par exemple, le dernier modèle de Distagon Carl Zeiss 40 mm IF-CFE pour le 6x6, ou le modèle TS-E de 17mm à bascule et décentrement chez Canon, ce dernier couvrant une surface nettement plus grande que le 24x36. Il reste néanmoins que la conception même du boîtier reflex limite de façon ultime les grands décentrements aux possibilités de déplacer la pupille de sortie de l’objectif à l’intérieur de l’ouverture de la baïonnette, de plus certains rayons de bord peuvent être occultés dans la chambre reflex elle-même. Ces limitations qui n’empêchent pas de décentrer les rétrofocus de façon utilisable dans la pratique, sous réserve de cercle-image suffisant, n’existent évidemment pas avec une chambre non reflex. Mais il faut toujours se rappeler qu’en montant un reflex derrière un soufflet ou derrière une chambre en vue de décentrer et basculer, on ne pourra jamais atteindre les possibilités d’une chambre, sauf avec des longues focales, ou en proxiphoto où les tirages de soufflet sont toujours plus longs que la focale. C’est à dire pour des types de prises de vues où, traditionnellement, le décentrement n’est pas une priorité comme il peut l’être en photo d’architecture au grand angulaire.

II Les bascules

1) Les bascules classiques du grand format

Pour voir ce qui se passe lorsqu’on bascule en petit et moyen format, il est utile de repartir d’un exemple classique de la photo de paysage à la chambre, qu’on appellera par commodité le Scheimpflug dans un coin.

La règle de Scheimpflug en général dit que pour que l’image soit nette après application d’une bascule il faut réaliser les deux conditions successives :

Remarquons qu’il n’est pas toujours facile, après avoir commencé à cadrer et fait la mise au point sur le sujet principal (condition N°1), de régler les bascules (condition N°2) sans perdre le réglage de netteté qu’on pensait bon.

La figure suivante (figure 6) résume la situation finale, sans expliquer l’enchaînement des opérations permettant d’y arriver (chaque type de chambre ou d’optique à décentrement ayant ses particularités).

Une application pratique de ce genre de bascule est celle de la photo de paysage avec premier plan au sol, un grand classique de l’école nord-américaine en photographie de paysage [8]. Si on maintient le dos bien vertical, par exemple pour que les sapins de l’arrière plan soient bien verticaux et parallèles sur la photo, on doit respecter une construction géométrique qui est la suivante (figure 7).

Si on impose que l’image du sol se forme sur un plan vertical fixé à l’avance, alors la seule possibilité de réglage restante en plus de la mise au point est l’inclinaison de l’objectif, qui doit être parfaitement ajustée à la distance à l’objet et au tirage de soufflet, afin de respecter la règle des trois plans concourants en P, bien entendu sans perdre la conjugaison optique entre A et A’ qui conditionne la netteté sur le sujet principal, par exemple le point A.

L'ensemble des positions possibles pour l’objectif, plus précisément pour le « centre» O, point de l’axe optique au niveau des plans principaux (en négligeant l’écart HH’ entre plans principaux comme dans une lentille mince) est donnée par la courbe en pointillé noir sur la figure 8. Cette courbe ressemble un peu à une hyperbole et, aux faibles angles de bascule, c’est à dire lorsque l’appareil est placé au-dessus du sol plus haut que 4-5 fois la focale, elle est très proche d'un simple plan vertical. Ce plan vertical est situé environ à une fois la focale en avant du plan du film.

Figure 8: Diagramme universel du Scheimpflug dans un coin à angle droit avec visée au sol d’un objet éloigné ; un carreau représente une fois la distance focale f de l’objectif, ce tracé symbolique est totalement indépendant du format couvert ; la hauteur de l’appareil et la focale déterminent seules l’angle de bascule correct.

On peut généraliser ce diagramme au cas d’une bascule arrière (figure 9), l’esprit reste le même, le lieu géométrique donnant toutes les positions possibles pour le centre de l’objectif est parallèle au coin, à une distance proche de une fois la focale, avec un léger arrondi pour la position correspondant au rapport 1:1. L’inclinaison de la planchette est imposée par le pivot de Scheimpflug P et la distance entre l’objectif et le film devient très proche de une fois la focale f dès que la hauteur au-dessus du sujet dépasse 4-5 fois la focale.

L’universalité du diagramme, où la focale donne l’échelle de la figure indépendamment du format, nous permet de déterminer facilement et sans calcul compliqué, l’angle de bascule relatif entre la planchette et le film qui fait passer le plan de netteté de la «verticale» (ou proche de la verticale dans le cas de la bascule arrière en paysage) à l’horizontale, au sol.

Sur les figures 7 et 9, dans le triangle OPA’ formé par la ligne prolongeant la planchette d’objectif et la ligne prolongeant le plan du film ou du détecteur, le petit côté du triangle OA’ a une longueur très proche de la focale dès qu’on place le point O à quelques distances focales au-dessus du sol ; les deux grands côtés de ce triangle ont des longueurs très proches de la hauteur de l’appareil au-dessus du sol. Si on appelle D cette hauteur au-dessus du sol, connaissant la focale f, il suffit de calculer le rapport f/D de façon approchée et de convertir ce rapport en valeur d’angle. La conversion s’effectue comme suit pour les petits angles inférieurs à 20° environ : angle en degré voisin de 60°× f/D

Dans les situations photographiques courantes en paysage, ce rapport (f/D) dépasse rarement 1/4, pour f/D=1/4 l’angle de bascule est donc de 60°/4 = 15°.

Prenons par exemple une chambre 4x5 pouces munie de son objectif «normal» de 150 mm de focale, et plaçons la chambre à 1m50 du sol ; le rapport f/D dans ces conditions sera de 1/10, pour un angle de bascule de l’ordre de 6°, c’est cet angle, finalement assez faible, qui suffit à faire passer le plan de netteté (au niveau du sujet) de la verticale à l’horizontale. Notons bien que cet angle de bascule est l’angle total formé entre la planchette et le film, on peut l’obtenir par différentes combinaisons de mouvements sur les corps de la chambre.

Prenons maintenant un 75 mm de focale placé à la même hauteur (que ce soit un grand angle de chambre, ou une focale normale pour le 6x6, ou encore un «petit télé» pour le 24x35, le problème ne dépend que de la focale et pas du format couvert), dans ces conditions l’angle de bascule qui fait «descendre» le plan de netteté au sol n’est plus que de trois degrés, il serait de 6 degrés si l’appareil était placé à 75 cm du sol.

2) Les bascules en petit et moyen format

Dans ce raisonnement, à aucun moment nous n’avons évoqué le format couvert qui n’intervient en aucune façon. Rappelons que le rendu de perspective, la façon dont les projections du sujet sont rendues sur le plan du détecteur, ne dépendent que de la position de la chambre, très précisément, de la position de la pupille d’entrée de l’objectif. La conséquence est donc très forte et très directe pour le photographe, habitué à travailler à la chambre, qui veut faire des photo similaires, donc avec le même rendu de perspective, en utilisant un appareil de petit ou de moyen format avec le même point de vue sur le sujet et la même position de pupille d’entrée pour conserver le même rendu de perspective ; dans ces conditions, donc à hauteur inchangée au-dessus du plan du sujet, les angles de bascules se réduisent irrévocablement en proportion directe des focales, et donc des formats couverts si on travaille à angle de champ identique.

Autrement dit, si on travaille toujours à 1m50 du sol, mais cette fois avec un 28 mm de chambre sur capteur moyen format, ou avec un 17 mm en 24x36, l’angle de bascule qui abaisse le plan de netteté à l’horizontale ne sera plus que de 1 pour 50 environ avec le 28 mm, soit à peine plus de 1 degré, et 0,6 degré seulement avec le 17 mm !!

Sur le plan pratique, les conséquences sont immédiates : seul un dispositif de bascule très doux et très précis permet de conserver l’effet qu’on pouvait obtenir à la chambre. De plus, se pose le problème d’être capable d’apprécier dans l’image l’effet de cette bascule.

Une objection qui peut venir à l’esprit à ce point de la discussion est la suivante : sachant que les optiques dont nous parlons sont des systèmes épais, et qu’en moyen format ou en 24x36 on aura souvent affaire à des rétrofocus dont les plans principaux sont espacés de façon non négligeable par rapport à la valeur de leur focale, le diagramme classique des figures 7, 8 et 9, qui néglige cette «épaisseur optique», est-il toujours valable ? Nous renvoyons le lecteur scrupuleux à l’annexe 2 ; de fait, le schéma est à peine modifié par une translation séparant l’espace objet de l’espace image d’une distance égale à l’interstice HH’ entre les plans principaux, mais en aucune façon cette translation ne modifie les angles de bascule,

Il faut donc toujours avoir en tête cet ordre de grandeur ; en photo de paysage à 1m50 du plan du sujet au sol, avec un 150 mm de focale, l’angle de bascule dont on aura besoin ne dépassera sans doute jamais 6°, ce sera 3° avec un 75 mm et environ 1° avec un 28 mm.

3) Mais en photo rapprochée, proxi- et macrophoto, les angles peuvent rester grands

Nous avons illustré notre propos par un exemple classique en photo de paysage, mais qu’en est-il en photo d’objets en studio, ou en photo rapprochée ? Michel Guigue sur galerie-photo nous a offert un exemple extrême à la chambre 13x18 avec une bascule combinée (avant / arrière) de presque 60° [17].

Reprenons le diagramme de la figure 8, toujours dans un coin à 90° et plaçons nous en position 2f-2f au rapport 1:1 : dans ces conditions, quelle que soit la focale, l’angle de bascule sera de 45° ; et plus généralement, en position 2f-2f dans un coin, au rapport 1:1, l’angle de bascule sera toujours égal à la moitié de l’angle du coin (figure 10).

Figure 10: En position 2f-2f, soit au rapport 1:1, dans un coin, l’angle de bascule est toujours égal à la moitié de l’angle du coin quelle que soit la focale. Dans cet exemple où le coin forme un angle de 60°, l’angle de bascule entre la planchette et le détecteur est de 30°. On remarque que l’objet AB donne une image comprimée A’B’ et que l’objet AC est fortement dilaté en A’C’.

On remarque également la très forte compression ou dilatation de l’objet dans le cas des grands angles de bascule en proxiphoto. La règle de Scheimpflug concerne la netteté, mais ne dit rien de la manière dont les objets vont être dilatés ou comprimés, c’est au photographe de contrôler son image et de décider si le rendu est acceptable ou pas.

En pratique, l’utilisation de bascules en petit ou moyen format demande en proxiphoto des angles de bascules nettement plus grands qu’en paysage, il n’y aura donc pas a priori trop de problèmes mécaniques dûs à la finesse du réglage, mais il faudra contrôler le vignettage éventuel (dans le cas d’un appareil reflex) et surtout, bien vérifier le rendu de perspective.

4) Pourquoi des objectifs à bascule sur berceau ?

Les utilisateurs des objectifs à bascule en petit et moyen format reflex ont sans doute remarqué que la plupart du temps la bascule s’effectue sur un berceau (figure 11).

La raison en est que ce type de montage permet de faire rentrer l’axe de rotation de la bascule à l’intérieur de la chambre reflex. De ce fait, on peut rapprocher et même idéalement faire coïncider utilement l’axe de rotation de la bascule avec le point nodal image N’ (ou point principal H’) situé à une fois la distance focale en avant du foyer. Lorsqu’on bascule l’objectif autour du point N’, les images des objets lointains se déplacent très peu dans le plan du détecteur [18], cette façon de procéder facilite le cadrage et la mise au point.

5) Et la profondeur de champ avec bascules ?

Les bascules en grand format sont le plus souvent utilisées pour étendre la profondeur de champ d’un sujet incliné par rapport à l’axe optique, il est donc important de savoir ce qu’on peut en attendre en petit et moyen format. Nous terminerons donc par une question des plus délicates, et qui est toujours âprement discutée entre photographes, celle de savoir si la profondeur de champ est plus grande en petit et moyen format en comparaison de ce qu’on obtient avec une chambre grand format. Nous nous intéresserons pour commencer au cas de bascules appliquées à une prise de vue d’objets à grande distance, à 10 fois la focale et au-delà. On discutera ensuite brièvement des comparaisons de profondeur de champ en proxiphoto et macrophoto.

a) Les difficiles comparaisons de profondeur de champ d’un format à l’autre

L’une des raisons des malentendus sur la profondeur de champ provient de ce que les différents contradicteurs ne considèrent pas les mêmes critères de netteté ramenés à un même tirage final dans les mêmes conditions d’observation lorsqu’ils cherchent à comparer les résultats obtenus en grand format ou en petit format. À l’époque du film, on réservait souvent les travaux à la chambre à des images de haute qualité qui pouvaient être agrandies sous forme de grands tirages, et plus le format était petit, plus la dimension de l’image finale était réduite. En particulier, l’apparition du grain du film aux forts rapports d’agrandissement limitait, en général, l’utilisation des petits formats en vue de faire de grands tirages.

Aujourd’hui que les images numériques présentent la caractéristique extraordinaire de pouvoir être agrandies à volonté par interpolation sans faire apparaître de grain dans les zones unies comme les ciels, la tentation est grande de pousser les rapports d’agrandissements au-delà de la limite traditionnelle du «grain devenant visible et gênant».

De plus, des techniques de renforcement de la netteté des images, soit par des algorithmes secrets appliqués dans l’appareil entre la détection des photons et la livraison du fichier au photographe, soit par des post-traitements d’accentuation appliqués par le photographe lui-même, permettent d’envisager des tirages de très grandes dimensions à partir de petits morceaux de silicium de surface minuscule en regard des bons vieux plan-films.

Pour que la comparaison de profondeur de champ que nous proposons ici ait un sens, il faut donc bien préciser les règles du jeu dans ce face à face des différents formats :

La première condition implique que les critères de netteté de l’image, ramenés au niveau du détecteur, devront être d’autant plus serrés que le format du détecteur est petit. La deuxième condition est encore plus sévère, elle suppose qu’on n’aura pas de flou de bougé, et qu’on va utiliser les objectifs dans les conditions où ils donnent leur qualité d’image maximale.

En revanche on ne va prendre en compte que les défauts de mise au point optiques classiques qui conduisent aux limites de profondeur de champ, sans faire intervenir ni le grain du film, ni l'application éventuelle d'un traitement renforçateur de netteté (pour une analyse détaillée de ces problèmes, nous renvoyons à l’article de H.H. Nasse chez Carl Zeiss [19]).

b) À grande distance, l’hyperfocale détermine à peu près tout

Les calculs de profondeur de champ habituels sont basés sur un tracé de rayons de l’optique géométrique et la détermination de la distance hyperfocale classique H [20] définie par :

où f est la focale de l’objectif, a est le diamètre de pupille d’entrée, N est le nombre d’ouverture défini comme N=f/a (par exemple N = 2,8 - 4 - 5,6 - 8 - 11 - 16 - 22 - 32 …) et c est le diamètre du cercle de confusion qui détermine le critère de netteté. Cette distance hyperfocale H n’est pas dépendante directement du format, mais elle en dépend indirectement via le paramètre du cercle de confusion c en fonction du degré d’agrandissement nécessaire à l’obtention de l’image finale.

Par exemple, sans rentrer dans les détails, si on met au point sur la distance hyperfocale H à bascule nulle, tout sera acceptablement net entre l’infini et la distance H/2, pour toutes les combinaisons de focales, de nombre d’ouvertures et de cercles de confusion qui donnent la même valeur de H.

Cette valeur de l’hyperfocale H, une fois connue, permet dans le cas général de déterminer à partir de la distance de mise au point et de la focale de l’objectif les limites de profondeur de champ soit en prise de vue classique à bascule nulle (voir ces articles sur galerie-photo.com [21], [22]), mais permet également de déterminer les zones de netteté limite lors de l’application d’une bascule [23]. Autrement dit, une fois la valeur de l’hyperfocale déterminée, les zones de netteté, pour un point de vue donné, sont déterminées indépendamment du format.

De plus, à grande distance, les zones de profondeur de champ ne dépendent pratiquement plus de la focale de l’objectif (voir l’annexe 3), seul importe la distance de mise au point et la valeur de l’hyperfocale H.

Le tableau ci-dessous donne les valeurs traditionnelles pour c, choisies pour qu’un tirage agrandi à la même dimension finale d’environ 20x25 cm pour les différents formats de film ou de détecteur qu’on veut comparer, et observés à 30 cm de distance, satisfasse les critères de haute résolution.

Traditionnellement, pour des raison physiologiques, on choisit comme dimension angulaire pour le plus petit détail discernable un angle de 2 minutes d’arc ; ces deux minutes d’arc correspondent en radians à 2/(60x57), la valeur de c est donc de l’ordre de (diagonale du format)/1720 pour 2 minutes d’arc vues à 30 cm).

Table des valeurs traditionnelles du cercle de confusion, pour une observation visuelle d’un tirage de dimensions 20x25 cm à 30 cm de distance et une limite angulaire de résolution de 2 minutes d’arc

		valeur c du cercle de confusion
		pour une limite angulaire
format initial	diagonale	de deux minutes d’arc
film ou capteur	du format (mm)	en observation visuelle à 30 cm
		pour un tirage de dimensions 20x25 cm

20x25 cm	300 mm	170 microns (tirage-contact)
4x5 pouces (10x12,7 cm)	150	85 microns (agrandir 2x)
6x9 cm (56x82 mm)	100	58 microns (agrandir 3x)
6x6 cm (56x56 mm)	80	46 microns (agrandir environ 3x-4x)
24x36 mm	43	25 microns (agrandir 6,5x)
18x24 mm ou APS-C	≃ 30	17 microns (agrandir 10x)
four-thirds	21	12 microns (agrandir 14x)

Dans cette approche, on voit tout d’abord que les valeurs de cercle de confusion sont totalement dépendantes des règles d’observation ; pour chaque application photographique, il faut donc, en principe, recalculer cette table en fonction du mode d’observation final choisi. Si une règle du jeu supplémentaire précise que les tirages devront être de dimension 40x50 cm observés à 30 cm (ce qui rend difficile la vision globale du tirage), alors il faudra diviser par deux toutes les valeurs du tableau précédent ; et si c’est un tirage d’album de famille dans le genre 10x15 cm qui est le but recherché, on pourra à l’inverse multiplier par deux toutes les valeurs. Si la règle dit : tirages 40x50 cm, mais pour une exposition où le public ne devra pas s’approcher à moins de 60 cm du tirage, alors on conservera les valeurs inchangées.

Dans tous les cas, la dimension effective du diamètre de cercle de confusion c est en proportion directe de la diagonale du format, une fois appliquée la règle n°1 de notre jeu comparatif ; à angle de champ constant d’un format à l’autre, cette valeur de c sera donc proportionnelle à la focale utilisée. La conséquence est que dans la comparaison entre formats, si on applique le critère de netteté sur la même image finale, le rapport (f/c) ne change plus dans le calcul de l’hyperfocale H=(f²)/N.c) =(f/c).(f/N), il ne reste qu’un changement éventuel du rapport (f/N).

Appliquons alors la règle du jeu N°2 : recherche de la meilleure qualité de l’image optique. Il se trouve que tous les objectifs de haute performance utilisés en petit format, moyen format et à la chambre possèdent un meilleur diaphragme en-deçà duquel la qualité d’image s’améliore en diaphragmant (par réduction progressive des aberrations géométriques résiduelles), mais au-delà duquel la qualité d’image se dégrade à nouveau par effet de diffraction. Ce meilleur diaphragme, pour les optiques classiques de l’époque du film c’est par exemple : f/5,6 pour le 50 mm normal du 24x36, f/8-f11 pour une optique standard 75-80 mm du 6x6, f/11-f/16 pour un 100 mm standard du 6x9, f/22 pour un 150 mm standard du 4x5 pouces, f/32-f/45 pour un 300 mm standard du 20x25 cm, etc …

Figure 12: Compilation des meilleurs diaphragmes pour les optiques de focale normale fixe, de petit, moyen et grand format, couvrant entre 50° et 75° d’angle de champ ; les optiques classiques ont un meilleur diaphragme qui suit approximativement la loi : meilleur diaph = focale (en mm) / 8 mm ; pour les optiques de très haut de gamme les plus récentes, ce serait plutôt : meilleur diaph = focale (en mm) / 11 mm.

Optiques classiques de focale normale ;
N_opt = meilleur nombre d’ouverture = focale en mm/8 mm

Optiques de focale normale les plus modernes ;
N_opt = meilleur nombre d’ouverture = focale en mm/11 mm

Cette compilation montre que le meilleur diaphragme, l’optimum, N_opt, pour des optiques standard d’angles de champ comparables, du format 24x36 mm au 20x25 cm, est donné par un rapport (f/N_opt) = constante, entre 8 et 11 mm. Utilisées au meilleur diaphragme N_opt, les optiques comparables d’un format à l’autre vont donc travailler dans des conditions où le rapport (f/N_opt) est constant ; cette condition, jointe à la condition de proportionnalité du cercle de confusion c à la focale, ont pour conséquence que les différentes prises de vue et agrandissements vont s’effectuer à hyperfocale constante.

Autrement dit, utilisés au meilleur diaphragme, tous les objectifs standard d’angles de champ comparables donnent la même distance hyperfocale, donc pour un objet pris du même point de vue, donneront la même profondeur de champ si l’observation visuelle s’effectue sur un tirage final de mêmes dimensions.

c) Et si on bascule ?

Si on bascule, la zone de netteté acceptable côté objet, autour d’un point de visée (A) ou (C) dont les images nettes sont (A’) et (C’) est comprise entre deux plans-limites (L₁ PF) et (L₂ PF) formant un coin. Ce coin est déterminé par les règles suivantes (figure 13) :

Comme la distance hyperfocale est toujours très grande devant la focale (ce qui équivaut à dire que le diamètre de pupille d’entrée est toujours très grand devant le diamètre du cercle de confusion, par exemple avec un 150 mm de chambre à f/16, la pupille d’entrée a un diamètre de l’ordre du centimètre, pour un cercle de confusion de l’ordre de 0,1 mm, soit un facteur 100), la figure 13 ne change pratiquement pas si la focale f varie à distance hyperfocale H constante; donc la profondeur de champ à hyperfocale constante est inchangée, même avec bascules.

La figure 14 explique la situation : si la focale est, par exemple, divisée par deux, le point (A’) image de A se rapproche de l’objectif, à peu près deux fois plus proche si (A) est au-delà de 10 fois la focale ; l’angle de bascule diminue, à peu près d’un facteur 2 ; mais si on suppose que ni la hauteur h où on place la chambre ni l’hyperfocale H ne changent, le seul changement est une toute petite modification du coin par suite du petit déplacement du pivot de profondeur de champ (PF) qui se rapproche de l’objectif.

Figure 14: Lorsqu’on conserve le même point de vue pour le point (O), donc la même distance AO à l’objet, la même inclinaison du plan-objet (L A PF P), la même hauteur OP = h au-dessus de ce plan, à distance hyperfocale H constante, le changement de la focale f ne modifie pratiquement pas la zone de netteté ; en revanche l’angle de bascule côté image se réduit en proportion directe de la focale.

d) Quelques mots sur la proxiphoto et la macrophoto

En proxiphoto et en macrophoto, avec un appareil ordinaire à bascule nulle, la profondeur de champ à diaphragme donné ne dépend pratiquement que du grandissement (voir annexe 3). On n’a donc aucun gain en profondeur de champ à utiliser des courtes focales dans ces conditions. Classiquement en 24x36, bien qu’il existe d’excellents objectifs dont la focale est proche du 50 mm standard, on utilise également des focales «macro» nettement plus longues entre 100 et 200 mm. Avec de telles focales, en ajoutant le tirage de soufflet nécessaire à faire la mise au point pour des grandissements se rapprochant de l’unité, l’usage des bascules en montant un boîtier reflex sur un soufflet ou sur une chambre ne posera pas de problème mécanique particulier. Nous ne discuterons pas en détail du tracé de la zone de profondeur de champ, qui obéit au règles énoncées précédemment, mais dont il n’est pas facile de tirer des conclusions simples.

Il faut tout de même se rappeler que lorsqu’on est au rapport 1:1, G=1, le nombre d’ouverture effectif N_eff = N_∞(1+G) double par rapport à la position infini-foyer. La conséquence sur le temps de pose est bien connue, le facteur de soufflet correcteur de pose est (1+G)² ; par exemple au rapport 1:1, G=1, G+1=2, le coefficient prolongateur de pose est de 4x, équivalent à ouvrir de 2 crans de diaphragme. Mais ce doublement du nombre d’ouverture effectif a une conséquence analogue sur la limite de résolution dans l’image, due à la diffraction ; la dimension de la tache-image de diffraction étant de l’ordre de N_eff microns. Autrement dit, si on ferme à f/11, au rapport 1:1 on aura un effet de diffraction analogue à celui qu’on aurait à l’infini à f/22. Maintenir une très haute qualité d’image, indépendamment des problèmes de stabilité mécanique et de vibrations, impose un compromis sévère entre la profondeur de champ et le piqué de l’image ; une bascule est donc très utile pour rattraper la netteté sur un objet incliné, mais quasi-plat.

Une solution par post-traitement numérique, qui balaye d’une certaine façon toute la discussion procédente sur les zones de netteté entre plans inclinés, consiste à réaliser une fusion d’images enregistrées à différentes distances de mise au point, en ne retenant que le plus net de chaque prise. Comme toutes les techniques numériques qui apparaissent à première vue comme des «méthodes de force brute», l’évolution de l’informatique depuis l’époque des élégantes cartes perforées 80 colonnes et des superbes bandes magnétiques demi-pouce nous incite à accepter que bien souvent, au détriment de l’élégance, la force brute finit par s’imposer.

Résumé et Conclusions

Remerciements

Cet article n’existerait pas sans les très nombreuses discussions du forum http://galerie-photo.info qui ont accompagné la mutation de la prise de vue depuis ces 10 dernières années. On a beaucoup parlé de la quête de la netteté et de la profondeur de champ ultimes, ainsi que des possibilites réelles ou rêvées de monter un boîtier reflex 24x36 sur une chambre.

Parmi les contributeurs réguliers du forum, merci à Jean-Paul Planchon pour avoir fait partager sa découverte de l’étrange distorsion en trapèze des objectifs rétrofocus, qui font mentir les cours classiques de photo à la chambre, et merci à Fabrice pour avoir donné l’explication et la simulation du phénomène.

Annexe 1 : Lorsque les rétrofocus distordent en trapèze !

La règle classique permettant de conserver verticales et parallèles les lignes d’un édifice lorsqu’on travaille à la chambre ne met pas a priori de condition très stricte sur l’orientation de l’objectif. La règle de Scheimpflug oblige à ce que le plan de l’objet, la planchette d’objectif et le film soient parallèles pour que l’image soit nette. On est cependant libre de basculer un peu l’objectif sans avoir de la distorsion en trapèze, mais en perdant la netteté parfaite, lorsqu’on veut absolument basculer l’objectif entre un plan objet et un plan image parallèles entre eux. Par exemple pour pointer l’appareil vers le haut de l’édifice.

De fait, et c’est très subtil, cette tolérance sur l’inclinaison de l’objectif n’est applicable qu’avec les objectifs de chambre qui sont presque tous de construction quasi-symétrique. Avec les grands angulaires rétrofocus pour petit et moyen format reflex, même si le plan de l’objet et le plan du détecteur sont parallèles, le fait de basculer l’axe optique fait non seulement perdre la netteté (effet classique) mais introduit une distorsion en trapèze supplémentaire qui n’existe pas avec les optiques symétriques ou quasi-symétriques. La raison en est subtile ; lorsqu’on bascule l’objectif entre des plans objet et film qui sont parallèles, l’image qui se forme n’est plus une image nette mais une pseudo-image issue de la projection défocalisée du diaphragme sur le détecteur. Or les optiques grand angulaires rétrofocus ont la particularité d’avoir leurs pupilles qui ne sont plus situées au voisinage des points nodaux (ou principaux) comme dans les optiques de chambre. Cette particularité induit une distorsion supplémentaire en trapèze qu’il est très difficile d’appréhender sans faire une simulation par un tracé de rayons. Dans la pratique cet effet n’apparaît que très rarement, car il est rare de décentrer et de basculer simultanément avec les objectifs spéciaux prévus pour le 24x36.

Annexe 2 : Règle de Scheimpflug avec une optique épaisse

Pour se représenter ce qui se passe dans une optique épaisse, il suffit, en repartant de la figure 7 d’imaginer qu’on écarte l’espace objet de l’espace image en coulissant l’espace image le long de l’axe optique d’une quantité égale à l’interstice HH’, qui est la distance entre les plans principaux (pour plus de détails sur les tracés de rayons dans une optique épaisse, nous renvoyons à l’article [18] sur galerie-photo.com).

L’angle de bascule est inchangé puisqu’on déplace l’espace image parallèlement à l’axe optique sans aucune rotation. La construction se complique un peu puisqu’au lieu d’un seul pivot de Scheimpflug P, on doit tracer trois points PH, PH’ et P et prendre en compte le triangle (H’ PH’ P ). Pour déterminer le point PH’, il suffit d’imaginer un hypothétique rayon lumineux cheminant le long plan objet et qui doit sortir le long du plan image ; le segment PH PH’ est parallèle à l’axe optique et il est égal au segment HH’.

Comme l’interstice HH’ est en général très faible devant la distance focale f, la construction simplifiée de la figure 7 suffit presque toujours.

Annexe 3 : Formules de profondeur de champ à grande distance et en proxi ou macrophoto

Les formules classiques de la profondeur de champ entre plans (objet/image) parallèles sont les suivantes. Après avoir déterminé la valeur de la distance hyperfocale H=f²/N c = f a/c , où f est la focale de l’objectif, a est le diamètre de pupille d’entrée, N est le nombre d’ouverture défini comme N=f/a et c la valeur du diamètre du cercle de confusion, on choisit la distance de mise au point p. Dans les formules ci-dessous, la distance p n’est pas mesurée par réf��rence au plan du film, comme c’est souvent le cas sur les bagues de mise au point des appareils classiques, p est mesurée à partir de la position du plan principal objet H de l’objectif. Dans la pratique, H se situe au milieu de l’objectif dans les formules quasi-symétriques. On détermine alors la distance la plus proche donnant une netteté acceptable, p₁ ; et on détermine p₂ la distance la plus lointaine donnant une netteté acceptable. Tout ce qui se situe entre p₁ et p₂ dans l’espace objet sera rendu acceptablement net sur la photo.

À grande distance

Lorsque la distance p devient grande devant la focale, par exemple p>10f, le terme supplémentaire en f/p devient négligeable, et les formules se simplifient :

Dans ces conditions, la profondeur de champ ne dépend plus que de la distance de mise au point p et de la valeur de l’hyperfocale H. La dépendance vis à vis du format ou la dépendance directe à la focale disparaissent.

En proxi et en macrophoto

Il est possible de récrire les équations (2) et (3) en remplaçant p en fonction du grandissement G :

Rappelons tout d’abord une formule très utile en proxi et macro-photo qui relie le grandissement G à l’extension «ext» de tube, de rampe hélicoïdale ou de soufflet au-delà du foyer, pour une focale f :

Cette expression est générale quelle que soit la combinaison optique, en particulier même si on a affaire un un télé-objectif ou un rétrofocus. Cette expression (7) est à associer avec celle reliant la distance p entre l’objet et l’objectif (de fait, c’est la distance au plan principal H) avec le grandissement G, qui est une autre façon d’exprimer la formule de conjugaison de Descartes, du moins la version «photographique» avec objet réel et image réelle, dans laquelle toutes les quantités p,p′,f,G sont positives :

La distance totale D_tot entre l’objet et l’image s’écrit, dans le cas général, en tenant compte de la distance HH′ entre plans principaux :

Dans la plupart des cas, on peut, en valeur relative vis à vis de la focale, négliger l’interstice HH′ ce qui simplifie l’expression précédente (9) :

Par exemple, si G=0,1, on est au grandissement 1:10, l’objet se trouve à (1+10) = 11 fois la focale en avant de l’objectif, l’extension de tirage au-delà du foyer est de 0,1 fois la focale, la distance totale (objet-film) est de l’ordre de 12,1 fois la focale.

Exprimées en fonction du grandissement G, les formules de profondeur de champ (2) et (3) se mettent sous la forme suivante ;

Si le terme N c/G f devient très petit, c’est à dire si G ~ N c/f, les expressions (11) et (12) permettent, en remplaçant 1/(1 ± N c/G f) par une valeur approchée (1 ± N c/G f), de trouver une expression très simple de la profondeur de champ valable en proxi et macrophoto, qui ne dépend plus explicitement ni de la focale ni des distances au sujet ou à l’objet :

En particulier si G=1 au rapport 1:1, on retrouve l’expression classique de la profondeur de champ totale dans cette situation : p₂ − p₁ = 4 N c = 2 N_eff c.

Examinons rapidement le domaine de validité de la formule (13).
Prenons N=16, c=50 µm comme traditionnellement en 6x6, f=120 mm, la condition G ≫ N c/f implique 1/G ≪ 120/16 × 0,05 = 150 ; prenons par exemple G<1/10, la condition est largement réalisée, ce qui veut dire en pratique que dès qu’on doit utiliser une allonge de soufflet dépassant le dixième de la focale, l’expression (13) est la bonne et que la focale n’intervient plus dans la profondeur de champ à diaphragme donné, c’est le grandissement G qui l’impose.

Il n’y a donc aucun gain en profondeur de champ à vouloir utiliser des courtes focales en macrophoto. L’usage de focales longues donne plus de distance au sujet ce qui facilite les éclairages ; on a également des distances à l’objet plus grandes, ce qui facilite l’application éventuelle de bascules. Des focales trop longues conduisent en revanche à des montages moins compacts et plus sujets aux vibrations, l’un des problèmes majeurs de perte de netteté surtout pour G>1.

l'auteur

Décentrements, bascules et règle de Scheimpflug
en petits et moyens formats