Téléobjectif et grand-angle rétrofocus : pourquoi si gros ?

Les téléobjectifs sont encombrants, c’est entendu et logique : la longueur de l’objectif est liée à sa focale. Mais en deçà d’une certaine focale, les optiques redeviennent de plus en plus volumineuses. Pourquoi ? Et pourquoi les grands-angles pour hybrides sont-ils plus compacts que ceux des reflex, alors que les téléobjectifs gardent sensiblement le même volume ?

La longueur focale d’un objectif

Commençons par définir la longueur focale. Le but d’un objectif est de créer une image. Pour cela, il doit focaliser des rayons lumineux : l’image, c’est l’endroit où des rayons partis du même objet se recroisent. La longueur focale d’une lentille simple est la distance qui sépare son centre de l’image d’un objet situé à l’infini, tel qu’une étoile.

Prenons par exemple une lentille de 300 mm de focale. En la braquant sur une étoile (rayons rouges), l’image de celle-ci est projetée 300 mm derrière la lentille. Si nous plaçons un capteur à cet endroit (en vert), il voit une image nette de cette étoile. Si une seconde étoile se trouve à 3° à droite de la première (rayons violets), son image est toujours projetée à 300 mm de distance, mais aussi à 18 mm à gauche. Ainsi, sur un capteur 24 × 36 mm, un 300 mm voit un champ de 6° (3° de chaque côté).

Avec une focale de 100 mm, ce sont les rayons inclinés à 8° qui arrivent au bord du capteur. Un 100 mm a donc un champ de 16°. Il voit plus large qu’un 300 mm.

En réalité, les objectifs ont des formules plus complexes : des lentilles supplémentaires corrigent les aberrations. Mais en observant le fonctionnement d’une lentille simple, nous comprenons qu’une longue focale impose un objectif plus long.

Le téléobjectif : l’objectif de longue focale raccourci

Comment réduire le volume d’une longue focale ? C’est en fait assez simple : il suffit d’ajouter une lentille particulière, divergente. Au sens strict, c’est cette formule convergent-divergent qui est appelée « téléobjectif ».

Quelle est la focale de ce téléobjectif ? Comparons-le à une lentille unique.

Même s’il ne fait que 20 cm de longueur, cet objectif couvre le même champ qu’un 300 mm. Donc, sa focale est elle aussi 300 mm. Les spécialistes des assemblages panoramiques noteront d’ailleurs que pour éviter tout problème de parallaxe, il faut le faire tourner autour d’un pivot situé… en avant de sa lentille frontale, à 300 mm du capteur !

Un objectif complexe

Bien entendu, l’ajout du bloc divergent entraîne des aberrations. Il faut donc installer encore plus de lentilles correctrices : les formules de téléobjectifs deviennent donc vite très complexes.

Le Pentax 560 mm f/5,6 fait 52 cm de longueur, auxquels il faut ajouter les 4,5 cm qui séparent la monture du capteur : c’est une longue focale très simple, qui fait sa longueur naturelle. Il se contente ainsi de 7 éléments tout en offrant une excellente qualité optique.

Le Sony FE 600 mm f/4, malgré sa focale plus longue, est sensiblement plus court. Il utilise une formule en téléobjectif marquée, avec plusieurs groupes convergents à l’avant et plusieurs divergents à l’arrière. Malgré l’utilisation massive de verres limitant les aberrations, il compte 24 éléments ! S’il est plus équilibré que le Pentax (son poids est recentré vers l’arrière), il est aussi beaucoup plus complexe… et plus coûteux.

Les téléobjectifs sur les hybrides : toujours encombrants

Lorsque les hybrides sont apparus, ils promettaient généralement de décharger le sac du photographe. Si la promesse a été tenue pour les zooms transstandards, les amateurs de téléobjectifs ont plutôt été déçus.

On le comprend sur le schéma : un téléobjectif est déjà plus court qu’il ne devrait l’être, mais il reste très loin du capteur ! Affiner le boîtier ne change donc rien : c’est la formule optique qui détermine l’encombrement global. Ainsi, les 70-200 mm f/2,8 en montures Sony E (hybride), Canon EF, Nikon F et Pentax K (reflex) font tous la même longueur, à 4 mm près !

Le grand-angle rétrofocus : le téléobjectif inversé

Nous l’avons vu, la longueur de l’objectif le plus simple (une seule lentille) dépend de sa focale. Plus celle-ci est courte, plus la lentille doit être près du capteur. Mais il n’est pas possible de la rapprocher à l’infini : l’obturateur, la monture, les miroirs des reflex prennent de la place.

Pour faire un objectif de moins de 50 mm destiné à un reflex, il faut donc trouver un moyen de le construire plus long que sa focale. Pour faire un téléobjectif, nous avions ajouté une lentille divergente à l’arrière ; ajoutons-la cette fois-ci à l’avant. C’est ce que l’opticien français Pierre Angénieux a baptisé « rétrofocus » : le plan focal est « en arrière » de là où il devrait être.

Grâce à cette construction, il est possible de faire des objectifs grand-angle pour reflex. Mais cela a un coût : les aberrations sont accrues, ce qui oblige à augmenter encore le nombre d’éléments. En outre, la lentille frontale doit être énorme afin de capturer les rayons du bord de la scène cadrée. Les rétrofocus sont donc complexes, encombrants, lourds et coûteux, surtout s’ils doivent offrir une grande ouverture.

Les grands-angles : le vrai avantage des appareils hybrides

Faisons maintenant un 28 mm pour un appareil hybride. En supprimant le miroir, il est possible de rapprocher l’objectif. Si, comme dans notre exemple, la monture est à 21 mm du capteur, c’est gagné ! Le 28 mm peut rester simple, sans avoir besoin d’une formule rétrofocus.

Nous avons dessiné des focales fixes pour rester simple, mais les zooms sont également concernés, en particulier s’ils ont une grande ouverture. Par exemple, comparons le Tamron 15-30 mm f/2,8 (pour reflex) et le Canon 15-35 mm f/2,8 (pour hybride). Celui-ci est 250 g plus léger, 2 cm plus court (presque 5 cm si l’on compte l’ensemble boîtier-objectif), 1 cm plus fin, tout en zoomant 5 mm de plus et en offrant une meilleure qualité d’image…

L’encombrement des objectifs extrêmes

Ainsi, quel que soit le type d’appareil, les objectifs les plus naturellement compacts ont une focale légèrement supérieure à l’espace qui sépare la monture du capteur. Ils sont plus simples, construits pour la qualité avec une petite dizaine de lentilles, sans s’inquiéter de leur volume. Sur un reflex, ce sont ceux de 35 à 70 mm ; sur un hybride, ils vont plutôt de 24 à 50 mm.

Les longues focales sont naturellement encombrantes. Réduire leur longueur, c’est le but de la formule du téléobjectif. Plus complexe, elle demande plus de corrections : les téléobjectifs modernes comptent couramment une vingtaine de lentilles.

À l’inverse, les focales plus courtes que la monture imposent des formules rétrofocus. Elles aussi sont plus complexes et sujettes aux aberrations. Elles demandent en outre d’imposantes lentilles frontales, presque aussi larges que celles des téléobjectifs. Aussi, sur les reflex, le volume des grands-angles augmente très rapidement.

Cela peut influencer votre choix de système. Si vous photographiez surtout des animaux ou du sport, un équipement reflex ne sera guère plus encombrant qu’un matériel « sans miroir ». Si votre passion est la photo de rue ou familiale, vous gagnerez beaucoup de poids et de volume en optant pour un hybride.

Notez toutefois que cette théorie est parfois mise en défaut : certains fabricants choisissent de faire des grands-angles imposants pour des raisons ergonomiques… et pour que le photographe ait l’impression d’en avoir pour son argent !