Méthodes de mesure de la vitesse d’un obturateur

Préambule

Introduction

Suite à l’essor de la photographie numérique dans les années 2000, la photographie argentique a rapidement périclité et quasiment disparu en tant qu’industrie. La pratique de la photographie argentique subsiste à la marge toutefois en tant que loisir et pratique artistique, grâce à la persistance de la disponibilité de pellicules, dont la fabrication est en partie portée à bout de bras par l’industrie du cinéma.  

Depuis quelques années cette pratique voit même un regain d’intérêt auprès des jeunes générations, qui y voient une approche différente de la photographie. Un autre rendu, une autre approche, une autre démarche.  

L’offre en appareils photo argentiques neufs étant très restreinte, les adeptes de la pratique argentique se tournent majoritairement vers les appareils photographiques d’occasion. L’offre en appareils argentiques d’occasion est pléthorique, puisqu’il est possible de trouver sur le marché toutes les générations d’appareils photos.  

Ces appareils commencent cependant à afficher un âge vénérable. Le modèle Canon AE-1, par exemple, qui fait partie des appareils très prisés des nouvelles générations de photographes argentiques, a été produit de 1976 à 1984. Les exemplaires disponibles ont donc maintenant tous entre 40 et 50 ans.  

La question qui se pose est donc de savoir si l’appareil que l’on a entre les mains, ou qu’on est sur le point d’acheter, est toujours capable de prendre des photos. Les prises de vues que l’on va faire seront elles correctement exposées ? Ne risque-t-on pas de gâcher de la pellicule onéreuse dans un appareil dont on ne connaît pas l’état ?

Il est possible, pour vérifier l’état d’un appareil, de le charger en pellicule et de faire une série de prises de vue de test. Cette méthode a toutefois l’inconvénient d’être coûteuse en pellicule, longue à mettre en oeuvre et peut passer à coté de certains défauts.  

L’idéal est de pouvoir vérifier au préalables toutes les fonctions de l’appareil avant de le charger en pellicule, voir avant de l’acheter.  

Parmi les fonctions les plus critiques, il y a celle assurée par l’obturateur. Cette partie de l’appareil photo est une pièce d’horlogerie extrêmement délicate, dont la précision est fondamentale pour l’exposition de la pellicule. Comme c’est un système mécanique, il est soumis au phénomène d’usure, de frottement, de grippage qui peuvent altérer son fonctionnement. Le contrôle de son bon fonctionnement, à l’aide d’un testeur d’obturateur, fait partie des opérations indispensables avant toute utilisation d’un appareil argentique que l’on ne connait pas.

A la grande époque de l’argentique, les testeurs d’obturateurs étaient des appareils professionnels destinés aux fabricants et réparateurs d’appareils photo. Ils coûtaient extrêmement cher et les réparateurs indépendants s’endettaient lourdement pour acquérir un tel appareil indispensable à leur activité. Ils étaient complexes à utiliser et nécessitaient d’être calibrés régulièrement pour conserver leur fiabilité.

La question de leur précision ne se posait pas. Ils étaient fabriqués par des spécialistes du métier, et utilisés également par des professionnels. Si l’appareil était correctement calibré, le résultat était fiable. Il n’y avait pas de doute à cela. Les appareils de marque Kyoritsu notamment restent encore aujourd’hui des références, malgré leur âge.  

Il est toutefois possible de trouver différents modèles de testeurs d’obturateur neufs, dans une large gamme de prix. Cela va du petit montage open source à base d’Arduino à fabriquer soi-même pour quelques euros jusqu’à l’appareil pour professionnel à plusieurs centaines d’euros, en passant par des modèles commerciaux à quelques dizaines d’euros.  

Mais de nombreuses questions se posent face à cette offre très diverse : ces appareils donnent-ils tous des résultats fiables ? Comment fonctionnent-ils ? Permettent-ils de tester tout type d’obturateur et de format d’appareil photo ? Conviennent-ils à la fois pour les photographes amateurs et pour les réparateurs professionnels? Quelles sont les caractéristiques qui les distinguent, en dehors de celle du prix ?

C’est précisément pour répondre à ces questions que j’ai rédigé cet article. Nous verrons dans un premier temps un rappel du rôle de l’obturateur, des différentes familles d’obturateurs et de leurs caractéristiques, puis nous passerons en revue les différentes méthodes permettant de tester leur fonctionnement.

Rôle de l’obturateur

Une pellicule argentique permet de retranscrire une large gamme de nuances de luminosité, à condition d’être correctement exposée. Il y a une quantité idéale de lumière qui permet d’obtenir la meilleure dynamique de la pellicule, c’est à dire le plus de nuances à la fois dans les ombres et les basses lumières. Cette quantité idéale de lumière dépend uniquement de la sensibilité “nominale” de la pellicule. Si la scène est peu lumineuse, le photographe devra faire rentre beaucoup de cette faible lumière dans l’appareil pour éviter la sous-exposition. Si la scène est très lumineuse le photographe devra restreindre la quantité de lumière rentrant dans son appareil pour éviter la sur-exposition.

Il dispose pour cela de deux paramètres : l’ouverture du diaphragme et la durée d’exposition.  

L’ouverture du diaphragme agit sur l’éclairement qui frappe la pellicule.  

L’obturateur agit sur sa durée.  

L’exposition de la pellicule est le produit de l’éclairement par la durée d’exposition (voir figure 1). C’est l’aire du rectangle H.  

Le but du photographe (ou de l’appareil photo s’il dispose d’automatismes) est que cette aire soit toujours la même : si l’éclairement est faible il faut que le temps soit long (figure 2).  

Si l’éclairement est fort, il faut que le temps soit court (figure 3).  

Afin de permettre la plus grande souplesse d’utilisation possible dans des conditions d’illumination très variées, les fabricants d’obturateurs se sont attachés à pouvoir permettre à la fois des vitesses lentes, de l’ordre de la seconde, et des vitesses très rapides, de l’ordre du millième de seconde. C’est ces vitesses élevées (c’est à dire les temps d’exposition courts) qui représentent le plus grand challenge technique pour les fabricants d’obturateurs. Nous verrons également que c’est à ces vitesses élevées que les testeurs d’obturateurs sont le plus en difficulté.

Méthodes de mesure disponibles

Méthode du chronomètre

La première méthode de mesure qui vient à l’esprit est la méthode du chronomètre. C’est très simple, il suffit de déclencher un chronomètre à l’ouverture de l’obturateur et d’arrêter ce chronomètre à la fermeture de l’obturateur.  

L’appareil à construire est donc un appareil qui sache successivement : détecter l’ouverture de l’obturateur, déclencher un chronomètre, détecter la fermeture, arrêter le chronomètre.

Un tel appareil est très simple à concevoir à l’aide de photodiodes (ou phototransistors), qui conduisent le courant électrique lorsqu’elles sont illuminées.  Il faut placer une source de lumière d’un coté de l’obturateur, une photodiode et son circuit électronique de détection ainsi que son chronomètre de l’autre coté, et le tour est joué.  

On trouve en open-source des montages à base de microcontroleur Arduino qui font cela pour un investissement de quelques euros.  

On trouve également des appareil commerciaux construits sur ce principe pour quelques dizaines à quelques centaines d’euros, selon leur qualité et la présence ou non de fonctions annexes.

Méthode par intégration

Il est possible d’imaginer une autre façon de mesurer la vitesse d’obturation, qui se passe totalement de chronomètre. En effet, nous avons vu que l’exposition est le produit de l’éclairement et de la durée d’exposition.

$H = E_0 \times t$  

Et donc mathématiquement, si l’on divise les deux membres de l’égalité par l’intensité, on a :

 $t = H / E_0$.  

Si l’on dispose d’un appareil qui soit capable de mesurer à la fois l’exposition H et l’éclairement maximal E₀, on peut en déduire directement le temps par la formule ci dessus. C’est ce que j’appelle la méthode par intégration, car elle nécessite de mesurer l’intégrale (la quantité totale) de lumière qui a frappé son détecteur.

Cette méthode peut sembler particulièrement tordue. Elle est objectivement plus complexe à mettre en oeuvre car mesurer de façon fiable une exposition et une intensité est bien plus difficile techniquement que mesurer simplement la présence ou l’absence de lumière. Mais nous verrons par la suite que si un appareil réussit à résoudre techniquement ces difficultés, il est capable de réaliser des mesures bien plus fiables qu’un appareil à chronomètre.

Méthodes graphiques

Il existe également d’autres méthodes de mesure, basées sur des analyses graphiques.  

Le document iso:516-2019 décrit une méthode utilisant un tambour rotatif, qui permet d’évaluer les caractéristiques des obturateurs plan focal.  

Une autre méthode est celle utilisant un oscilloscope : en branchant un oscilloscope à la sortie d’un circuit de détection, il est possible de visualiser la courbe d’ouverture et de fermeture de l’obturateur et d’évaluer sur le graphique le temps effectif.  

Pour que cette technique soit fiable il faut que le circuit de détection présente des caractéristiques d’autant plus exigeantes que la vitesse que l’on veut mesurer est élevée:

• photodiode suffisamment linéaire
• amplificateur linéaire
• bande passante suffisante
• absence de saturation
• réponse spectrale connue
• source lumineuse stable
• absence de lumière parasite
• dynamique suffisante de l’ADC ;
• intégration suffisamment précise.

Certaines de ces caractéristiques sont décrites dans le document normatif iso-516:2019.  

Le testeur Baby Shutter Tester mkII est conforme à la norme pour des vitesses allant jusqu’au 1/2000 s. En pratique, ses caractéristiques permettent de mesurer de façon tout à fait satisfaisante des vitesses au 1/4000 s.

Note : Brancher un oscilloscope sur un Baby Shutter Tester mkII nécessite une légère modification de celui-ci. Si vous êtes intéressés par une telle modification, adressez-vous à son fabricant.

Obturateur parfait et obturateur réel

Un obturateur parfait est soit totalement ouvert, soit totalement fermé. Aux basses vitesses (temps de pause élevés), les obturateurs peuvent être considérés comme parfaits, car ce qu’il se passe durant la transition entre ouvert et fermé est négligeable par rapport au reste.

Dans le cas d’un obturateur parfait les deux méthodes de mesure donnent également des résultats parfaitement justes, aux imperfections instrumentales près.

Toutefois, les obturateurs ne sont pas des objets parfaits. En particulier ils mettent un certain temps à s’ouvrir et à se refermer. La vitesse maximale d’un obturateur est justement conditionnée par ces phénomènes transitoires. Au point qu’à la vitesse maximale, on observe que le phénomène transitoire est prépondérant.

Aux vitesses maximales, la courbe d’illumination d’un obturateur ressemble plus à un trapèze ou à une gaussienne qu’à un rectangle.  

Dans ce cas il n’existe pas un temps d’obturation, mais un ensemble de valeurs possibles, selon la valeur de seuil choisie, c’est à dire selon la valeur d’illumination qui déclenchera le chronomètre.  

On peut toutefois définir le temps effectif comme le temps moyen pondéré par l’éclairement. Il est facile de démontrer mathématiquement que $t_e = H / E_0$. Il est effectif, car cela va correspondre à l’exposition effective de la pellicule, qui ne se soucie pas de l’allure de la courbe d’éclairement mais qui est influencée uniquement par la quantité totale de lumière. Mathématiquement, le temps effectif d’une courbe d’éclairement correspond à la largeur d’un rectangle de hauteur E₀ et de surface égale à celle de la courbe considérée.  

On a :

• $E(t)$ : éclairement mesuré au cours du temps pendant le mouvement de l’obturateur
• $E_0$ : niveau maximal de référence, obtenu lorsque l’obturateur est complètement ouvert
• L’exposition totale reçue est égale à $H = \int E(t) dt$
• Le temps effectif est défini par $t_e = H / E_0$

Le temps effectif correspond donc à un rectangle de même surface que la courbe réelle et de dimension $t_e$ par $E_0$

Dans le cas d’un obturateur réel, la mesure par chronomètre donne des résultats qui ne correspondent pas au temps effectif : selon le seuil de déclenchement du chronomètre,  le temps mesuré sera différent.

Et vice versa : pour un seuil de déclenchement donné, le temps mesuré sera différent selon l’intensité de la source lumineuse.

Il existe toutefois un cas pour lequel la méthode est juste:

Si l’on fait l’hypothèse que les courbes d’illumination à l’ouverture et à la fermeture sont symétriques en leur milieu, le temps effectif est identique à celui mesuré à $E_0 / 2$ (figure 7).

Pour qu’une mesure par chronomètre soit juste il faut donc:  

• que les courbes d’illumination à l’ouverture et à la fermeture de l’obturateur soient symétriques en leur milieu (cas d’un trapèze ou d’une gaussienne par exemple)
• que le seuil de déclenchement du chronomètre soit $E_0 / 2$.

A contrario, la mesure par intégration est juste même dans le cas d’un obturateur réel, et quelque soit le profil d’ouverture et de fermeture de l’obturateur. Ce qu’elle mesure étant par construction le temps effectif, la valeur mesurée est représentative de l’exposition de la pellicule à cette vitesse-là.  

A noter que la mesure par intégration est parfaitement indépendante de l’intensité de la source lumineuse et de la réponse spectrale du dispositif.

En effet, nous avons vu que

$H = \int E(t)dt$

et

$t_e = H / E_0$

Donc

$t_e = \frac{\int E(t) dt}{E_0}$

Si toutes les caractéristiques nécessaires du circuit électrique sont remplies, la tension mesurée U(t) est proportionnelle à la sensibilité spectrale $k$ et à l’intensité lumineuse $I$ de la source, et donc

$t_e = \frac{\int k \times I_0 \times U(t) dt}{ k \times I_0 \times U_0}$

Ces facteurs s’éliminent dans la formule de calcul et le résultat final n’est influencé ni par la sensibilité spectrale du capteur ni par l’intensité de la source lumineuse :

$t_e = \frac{\int U(t) dt}{U_0}$  

Le résultat de la mesure ne nécessite donc pas de calibration par rapport à la sensibilité spectrale du capteur ni par rapport à l’intensité lumineuse de la source.

Mesure des obturateurs réels

Nous verrons dans un prochain article des cas pratiques de mesure des obturateurs réels.  

Conclusions

Nous avons vu dans cette analyse les éléments suivants:  

• Aux vitesses lentes, les obturateurs peuvent être considérés comme parfaits, toutes les méthodes de mesure donnent des résultats acceptables.
• Aux vitesses rapides, la mesure par chronomètre donne des résultats qui dépendent fortement de la valeur de seuil de déclenchement du chronomètre.
• Un chronométrage au seuil $E_0 / 2$ donne un résultat correct dans certains cas, mais cela nécessite de pouvoir calibrer ce seuil de déclenchement.
• Une mesure par intégration donne directement le temps d’exposition effectif, quelle que soit l’allure de la courbe d’ouverture.
• En outre, aucune étape de calibration de la sensibilité spectrale ni de l’intensité lumineuse n’est nécessaire pour une mesure par intégration.  

	Mesure par seuil	Mesure par intégration
Dépend du seuil	Oui	Non
Dépend de la forme de la transition	Oui	Non, par définition
Nécessite E0	Non	Oui
Nécessite une chaîne linéaire	Moins critique	Oui
Représente directement l’exposition	Non	Oui
Adapté aux hautes vitesses	Limitée	Très adaptée

Articles à venir

Pour compléter cet article très théorique, nous verrons par la suite

• Des profils d’ouverture d’obturateur mesurés à l’oscilloscope
• Les 2 familles d’obturateurs : centraux et plan focal
• Leurs spécificités
• Comment se comportent les différentes méthodes de mesure avec les obturateurs réels