Photographie au sténopé : calcul du diamètre du sténopé, conversion du temps d'exposition et plage de champ d'image

1. La nature physique et les limites optiques géométriques de l'imagerie par sténopé

La photographie au sténopé abandonne complètement toutes les lentilles en verre compliquées et épaisses et s'appuie uniquement sur le principe le plus ancien de propagation linéaire de la lumière en optique géométrique pour l'imagerie :

1. Profondeur de champ optique infinie contre-intuitive :

• Puisqu'il n'y a pas de lentille réfractive pour focaliser, la lumière passe directement à travers le minuscule trou d'épingle et est projetée sur le film photosensible ;
• Les caméras sténopé n'ont pas de distance focale physique ni de mécanisme de mise au point ! Depuis un objet surface à surface situé à 1 centimètre du trou d'épingle jusqu'à une galaxie lointaine à des dizaines de millions de kilomètres, l'ensemble du panorama présente une netteté absolument égale.

2. Dilemme : Dispersion géométrique vs diffraction optique :

• Le trou d'épingle est trop épais (par exemple 2 mm) : le point lumineux géométrique est trop grand, le chevauchement de la lumière est important et l'image est floue comme un grand verre dépoli ;
• Le trou d'épingle est trop fin (par exemple 0,05 mm) : selon la théorie ondulatoire de la lumière, les ondes lumineuses subissent une violente diffraction de Fraunhofer au bord d'ouvertures extrêmement petites. La lumière est dispersée et dispersée, et l'image est également violemment floue et le temps d'exposition peut atteindre plusieurs heures.

2. Formule de calcul optimale du diamètre du trou d'épingle selon le critère de Rayleigh (Rayleigh Optimum)

Le physicien John William Strutt (3e baron Rayleigh) a donné une formule mathématique pour l'ouverture optimale qui prend en compte la clarté géométrique et la diffraction minimale :
$$D = c \times \sqrt{\lambda \times f}$$
Parmi eux :

• $D$ : diamètre optimal du trou d'épingle (mm mm) ;
• $f$ : la distance physique du sténopé au film photosensible (focale équivalente, mm) ;
• $\lambda$ : longueur d'onde centrale de la lumière visible (généralement une lumière jaune-verte $\lambda \environ 0,00055 \text{ mm}$, soit 550 nm) ;
• $c$ : constante constante (généralement $c \environ 1,9$ recommandé par Lord Rayleigh ou $1,41$ recommandé par Petzval).

Tableau de recherche rapide pour les diamètres de sténopé optimaux pour les focales courantes :

• Extrémité ultra grand angle (focale 35 mm) : Le diamètre optimal du sténopé est de 0,26 mm ; la valeur d'ouverture est d'environ f/135.
• Extrémité standard (distance focale 50 mm) : Le diamètre optimal du trou d'épingle est de 0,31 mm ; la valeur d'ouverture est d'environ f/160.
• Extrémité du téléobjectif (distance focale 100 mm) : Le diamètre optimal du sténopé est de 0,44 mm ; la valeur d'ouverture est d'environ f/227.

3. Trous d'épingle de qualité laser de très haute précision fabriqués à la main (méthode de meulage de la feuille de laiton)

Les aiguilles à coudre ordinaires perforent directement les canettes de Coca-Cola, et les parois des trous auront des bavures et des ombres épaisses, ce qui entraînera des bords noirs et une forte dispersion :

1. Sélection des matériaux (feuille de cuivre/laiton ultra-mince de 0,05 mm) :

• Plus c'est fin, mieux c'est, pour éviter que le trou d'épingle ne se transforme en "micro-tuyau" et bloque la lumière inclinée du bord.

2. Méthode de rotation de l'aiguille à coudre et de gravure par rotation :

• Placer une fine feuille de cuivre sur une planche dure ;
• Utilisez la plus fine aiguille à insectes n° 00 ou une aiguille à coudre très fine, appuyez dessus verticalement au centre de la pièce en cuivre, faites tourner doucement le corps de l'aiguille avec les deux mains et appuyez sur un petit renflement au dos de la pièce en cuivre ;
• Retournez la feuille de cuivre et utilisez du papier de verre ultra-fin résistant à l'eau de 1 500 mesh ~ 2 000 mesh pour meuler les zones surélevées horizontalement afin d'amincir la feuille de cuivre ;
• Tournez à nouveau doucement la pointe de l'aiguille pour pénétrer dans le cuivre.

3. Élimine les bavures et le noircissement optique :

• Vérifier à la loupe ou au microscope à forte puissance : le trou d'épingle doit présenter une rondeur parfaite sans aucune bavure métallique sur le bord ;
• Utilisez des allumettes pour fumer ou pulvériser de la peinture noire mate mate résistante aux hautes températures pour noircir les trous de cuivre afin d'éliminer complètement le reflet sur la surface métallique.

4. Calcul d'exposition à très petite ouverture f/200 et compensation de défaillance de la loi de réciprocité

Étant donné que l’ouverture du sténopé est généralement aussi petite que f/180 ou f/250, elle ne peut être lue par aucun posemètre automatique intégré à l’appareil photo :

1. Méthode de conversion de base (convertir le photomètre f/22 en f/180) :

• Utilisez d'abord un appareil photo numérique ordinaire ou un posemètre portatif pour mesurer le temps d'obturation requis pour l'ouverture f/22 à 100 ISO (par exemple, f/22 correspond à 1/4 seconde sous la lumière du jour).
• Passer de f/22 à f/180 équivaut à un 6 arrêts EV complets (2^6 $ = 64$ fois).
• Temps d'exposition théorique au sténopé : $1/4 \text{s} \times 64 = 16 \text{ seconds}$.

2. Échec de réciprocité de l'exposition longue du film superposé :

• L'efficacité d'émulsion du film chute fortement sous une exposition extrêmement lente de plus d'1 seconde, et une grande quantité de compensation d'exposition doit être ajoutée !
• En utilisant un film Kodak Tri-X 400 ordinaire comme exemple :
• Temps de calcul théorique 16 secondes $\to$ l'exposition réelle doit durer entre 45 secondes et 60 secondes !

3. Poésie visuelle du film fini :

• Le temps d'exposition extrêmement long transforme les arbres se balançant dans le vent en fumée brumeuse et efface complètement la foule turbulente dans le néant, ne laissant que les bâtiments éternellement immobiles et la lumière et l'ombre surréalistes douces et rêveuses, exsudant le charme original de la photographie classique du XIXe siècle.

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