Mesure expérimentale de la vitesse d’un obturateur central

Introduction

Nous avions vu dans un précédent article que la mesure de vitesse des obturateurs ne présente pas de difficulté particulière à basse vitesse, mais que cela était une autre paire de manches aux vitesses rapides.  

Nous avions également vu qu’il est possible d’envisager deux méthodes pour mesurer la vitesse des obturateurs :

• La mesure par chronomètre
• La mesure par intégration

Nous avions abordé, sur la base de courbes abstraites d’ouverture d’un obturateur, les conséquences en termes de fiabilité du résultat de l’une et l’autre méthode.  

Dans cette seconde partie, je propose :

• d’identifier les deux familles d’obturateurs
• d’étudier le fonctionnement des obturateurs centraux et de son impact sur le profil d’ouverture
• d’étudier, à partir de mesures réelles, l’impact de la méthode de mesure sur la fiabilité du résultat .

Deux familles d’obturateurs

On peut classer les obturateurs en deux familles distinctes : les obturateurs centraux et les obturateurs plan focal.

• Un obturateur central est un obturateur placé proche du centre optique (généralement dans l’objectif).
• Un obturateur plan focal est un obturateur proche du plan focal (de la pellicule).  

Obturateurs centraux

Les obturateurs centraux sont présents principalement aux deux extrémités du spectre des appareils photo:

• Les moyens et grands formats
• Les appareils compacts

Ils ont pour avantages :

•  une illumination simultanée de l’ensemble de l’image,
• de permettre une synchronisation flash sur l’ensemble de la plage de vitesse (ceci est la conséquence du point précédent),
• d’être peu coûteux à fabriquer lorsqu’il sont de taille et de performance modeste (cas des appareils compacts)

Ils ont pour inconvénients :  

• d’avoir des vitesses maximales limitées (1/250 s ou 1/500 s le plus souvent), d’autant plus que l’ouverture est importante,
• lorsqu’ils sont intégrés dans l’objectif, renchérissent le coût de l’objectif.

Obturateurs Plan focal

Les obturateurs plan focal se rencontrent principalement sur les appareils photo de format 24×36, réflexes ou télémétriques.  

Ils ont pour avantages :  

• de permettre des vitesses élevées (1/1000s voir plus rapide)
• d’être intégrés dans l’appareil photo (pas de surcoût sur les objectifs)

Ils ont pour inconvénients :

• de ne pas exposer simultanément l’ensemble de l’image
• d’être limités en vitesse pour la synchro X du flash (conséquence du premier point)
• d’être relativement couteux à fabriquer et délicats à régler et entretenir

Les obturateurs plan focal seront étudiés dans les détails lors de prochains articles

Obturateur central, principe de fonctionnement et dispositif de mesure

Comme dit plus haut, un obturateur central est un obturateur situé proche du centre optique de l’appareil photo. Il est également appelé “leaf shutter” en anglais car souvent constitué de feuillets qui vont s’écarter ou se refermer pour laisser passer ou pas la lumière.

Leur vitesse est limitée par l’inertie mécanique des lamelles qui doivent s’ouvrir et se refermer sur toute la surface de l’obturateur.

Un obturateur central permet l’éclairement simultanée de l’ensemble de l’image. Cet éclairement est toutefois progressif.  Comme chaque élément de surface de l’obturateur est mis à contribution pour éclairer chaque point de l’image (principe de la lentille), l’éclairement augmente progressivement durant l’ouverture de l’obturateur, et diminue progressivement durant sa fermeture.

Pour rendre compte correctement de cela, et s’approcher de la situation réelle, pour tester un obturateur central il est donc impératif d’éclairer avec une source de lumière diffuse l’ensemble de sa surface afin de la prendre en compte dans son intégralité.  

Par ailleurs, toujours pour prendre en compte toute la surface de l’obturateur, le test devra être effectué à pleine ouverture du diaphragme.

Notons que si la source de lumière est diffuse et par ailleurs proche de l’obturateur, chaque point du plan focal est éclairé de façon égale, au vignetage près. La mesure de la courbe d’éclairement ne dépend donc pas de la taille du capteur.  

Courbes expérimentales et interprétations

Les courbes expérimentales présentées dans cet article ont été enregistrées à partir d’un oscilloscope numérique branché sur un Baby Shutter Tester mkII spécialement modifié pour ce branchement.  

Le branchement est fait à la sortie de l’étage analogique du testeur.  

Sauf indication contraire, les mesures sont faites avec la source de lumière diffuse proposée par le constructeur.  

Cet étage analogique et la source lumineuse, ont été conçus afin de présenter les qualités techniques en rapport aux grandeurs mesurées :

• uniformité
• stabilité
• linéarité de la réponse
• réponse en fréquence
• valeur de saturation

Mesure à la vitesse maximale d’un Rolleiflex biobjectif

La figure 11 représente la mesure du signal obtenu dans les conditions suivantes :

• Appareil bi-objectif Rolleiflex Tessar f3.5 / obturateur Synchro-Compur (année de fabricaytion autour de 1950),
• ouverture 3.5,
• vitesse indiquée 1/500s.

L’oscilloscope est réglé sur une échelle de temps de 500µs / division.  Une division correspond à une ligne pointillée du cadrillage.  

Le zéro du signal est décalé par rapport au zéro du graphique pour offrir une plus grande plage d’affichage.

Une première lecture qualitative de la courbe fait apparaître les éléments suivants :

• La courbe présente 5 parties distinctes
  • diaphragme fermé
  • l’ouverture
  • la pleine ouverture
  • la fermeture
  • diaphragme fermé
• La phase de pleine ouverture est minoritaire dans la séquence globale
• La phase d’ouverture est quasi linéaire sur cet obturateur
• La phase de fermeture est plus “arrondie” et légèrement plus rapide que la phase d’ouverture

A noter qu’une partie du bruit électronique est dû aux perturbations électromagnétiques enregistrées par le câble reliant le testeur à la sonde de l’oscilloscope.

La figure 12 présente une lecture quantitative du même graphe :

Pour mesurer une durée, il suffit de compter le nombre de divisions et de multiplier par la valeur de la division.  

Le tableau suivant fait un récapitulatif des mesures sur ce graphique (l’écart noté en colonne de droite est celui par rapport à la durée effective mesurée par l’appareil):

	durée (ms)	vitesse (1/s)	écart (EV)
vitesse de consigne	2,0	1/500	– 0,33
durée effective (par le testeur)	2,53	1/396	–
durée totale	3,9	1/256	+ 0,62
durée pleine ouverture	0,9	1/1111	– 1,5
durée E0/2	2,4	1/417	-0,08

Interprétations :

• Il y a 1/3 de diaphragme d’écart entre la vitesse de consigne et la vitesse effective. Cela peut sembler beaucoup, mais c’est un classique sur la vitesse la plus rapide des obturateurs centraux
• Selon le seuil auquel on définit le début et la fin de l’exposition, une mesure par chronomètre peut ici donner des valeurs comprises entre 1/256 s et 1/1111 s, soit plus de 2 EV d’écart.
• Une mesure au seuil de E0/2 donne un résultat très proche de la valeur effective (0,08 EV d’écart). Ce faible écart est le résultat du profil d’ouverture très proche d’un parallélogramme (et dont les côtés sont symétriques en leur milieu).  

Mesures à d’autres vitesses

La figure 13 permet la comparaison entre durée effective et durée totale pour des vitesses de consigne de 1/250s et 1/125s.

Les données sur 3 vitesses sont récapitulées dans le tableau suivant:

	1/500	1/250	1/125
temps effectif	2,53	4,65	8,93
temps total	3,9	6,2	10,8
Efficacité	65%	75%	83%

L’efficacité est le rapport entre le temps effectif et le temps total.

Nous constatons que sur obturateur central, la part de la partie transitoire est particulièrement importante, puisqu’à 2 diaphragmes sous la vitesse maximale, il y a encore 17% d’écart entre la durée totale et la durée effective.

Mesures à diaphragme partiellement fermé

La figure 14 représente la courbe d’éclairement à une vitesse de consigne de 1/500, mais avec un diaphragme fermé à f5.6. Attention l’échelle en éclairement a changé.

Le tableau suivant fait la comparaison avec les résultats mesurés à f3.5

	f3.5	f5.6
t0	3,9	3,9
te	2,53	3,26
ve (consigne 1/500)	1/395	1/306
Eclairement mesuré (mV)	76	30

Nombre de diaphragme d’écart (f4 – f5.6) : 1,36  

Nombre de diaphragmes d’écart (Eclairement mesuré) : 1,34

La mesure à f5.6 montre une courbe de profil tronquée. Sa durée totale est inchangée (3,9 ms), mais elle est tronquée à 30mV au lieu de 76mV à f3.5. Cela est dû au fait que seule la partie central de l’objectif et de l’obturateur contribuent à l’éclairement.  

En conséquence le temps effectif est déterminé sur la partie basse du profil d’ouverture, ce qui donne une vitesse effective plus lente. Au final, à f5.6, il y a presque un 1 Ev d’écart entre la vitesse de consigne (1/500s) et la vitesse effective (1/300s).  

Cela montre expérimentalement que le temps effectif n’est pas une propriété uniquement mécanique de l’obturateur. Il dépend aussi de la géométrie optique dans laquelle l’obturateur est utilisé.

Cette diminution de la vitesse avec la fermeture du diaphragme aux vitesses rapides est un phénomène qui doit être pris en compte par le photographe dans son calcul d’exposition. La convention est d’effectuer le contrôle de vitesse de l’obturateur à pleine ouverture.  

A noter que l’écart d’éclairement mesuré (1,34 EV) correspond quasi parfaitement avec l’écart de diaphragme sur l’appareil photo (1,36 EV).

Cette concordance constitue une vérification expérimentale de la linéarité de la chaîne de mesure : une diminution connue de l’ouverture du diaphragme produit une diminution correspondante du signal mesuré.

Mesure avec une source de lumière pontuelle

La figure 15 représente la courbe d’éclairement effectué avec une source de lumière ponctuelle à la place de la lumière diffuse (LED intégrée du Baby Shutter Tester mkII).

La courbe d’éclairement a une allure tronquée, de façon encore plus prononcée que lorsque le diaphragme est fermé à f5.6. Ceci s’explique aisément par le fait que la source ponctuelle n’éclaire que le centre de l’obturateur, ceci produit un effet comparable à une fermeture du diaphragme.  

Le temps effectif mesuré (3,96 ms) est très éloigné (0,7 EV d’écart) du temps effectif mesuré dans les mêmes conditions avec une lumière diffuse qui couvre tout l’objectif (2,4 ms)

L’utilisation d’une source de lumière qui n’est pas diffuse et uniforme est donc clairement une source d’erreur de mesure.

Comparaison de plusieurs modèles d’obturateurs

La figure 16 compare le profil d’ouverture de plusieurs modèles d’obturateurs a leur vitesse maximale

• Rolleiflex Synchro-Compur f3.5 (~1965)
• Lubitel 166 T-22 f4,5 (~1990?)
• Kodak 620 f6.3 (~1950)

Les courbes de ces différents obturateurs, bien qu’ils soient d’âges et de niveaux de qualité très différents, présentent de fortes similarités.

• Transitoires très prononcées
• Forme proche d’un parallélogramme

Les observations faites sur l’obturateur du Rolleiflex sont donc tout à fait transposables aux autres modèles d’obturateurs centraux.

Conclusions

Les différentes mesures présentées permettent d’établir les conclusions suivantes :

• Les obturateurs centraux ont des profils présentant des transitoires très prononcés
• Une mesure de vitesse par la méthode du chronomètre peut présenter des écarts de plus d’un EV par rapport au temps effectif, selon le seuil utilisé.
• Une mesure au chronomètre au seuil de E₀/2 donne un résultat très proche du temps effectif.
• Cela nécessite de recalibrer cette valeur de seuil à chaque nouvel obturateur si ses caractéristiques (ouverture, focale de l’objectif associé, …) sont différentes
• La mesure par intégration ne nécessite aucune procédure de calibration puisqu’elle donne par construction le temps effectif (voir article précédent).
• Une source de lumière diffuse, uniforme sur toute la surface de l’obturateur est nécessaire pour obtenir des résultats fiables
• La vitesse effective diminue lorsque l’on ferme le diaphragme, mais par convention la vitesse est contrôlée à pleine ouverture.
• La tension mesurée à différentes valeurs de diaphragme indique une très bonne linéarité des circuits électroniques du Baby Shutter Tester mk II.