Quelle est la forme du plan focal?

C'est une chose à laquelle je viens de réaliser dont je ne connais pas entièrement la réponse, donc je vais la poser ici car je pense que c'est intéressant.

Dans la plupart des écrits non scientifiques sur la profondeur de champ, les diagrammes montrent généralement la caméra et les sujets comme étant parfaitement parallèles, par exemple

Cependant, est-ce une représentation plus précise du plan focal?

Existe-t-il des moyens de modifier optiquement la forme du plan focal?

Remarque: Évidemment, ces diagrammes sont bidimensionnels, mais je suppose que dans le deuxième diagramme, la forme serait sphérique avec le capteur au centre.

L'effet est appelé courbure de champ . Une bonne discussion vient de Nikon . Il s'agit d'une aberration de l'objectif qui peut réduire la résolution de l'objectif lorsqu'elle est couplée à un capteur plat. Autrefois, le film pouvait être un peu plié pour essayer de suivre le plan de l'image et réduire l'effet, mais nos capteurs sont aujourd'hui rigides. Il peut être réduit avec la conception de l'objectif.

Une seule lentille convergente avec une épaisseur réelle a un champ de focalisation incurvé. La plupart des objectifs proposés par les fabricants incluent des éléments correcteurs pour aplatir le champ de mise au point plus près d'un plan focal plat à un degré ou un autre. Il existe des lentilles bien connues et très recherchées pour aplatir particulièrement bien le plan focal: la série Zeiss Planar par exemple. Il existe également des objectifs connus et désirés pour ne pas corriger une partie ou la totalité de leur courbure de champ et les photos "d'apparence" prises à l'aide de ces objectifs présentent. Le Canon EF 85 mm f / 1,2 L II en fait partie.

Quelle est la forme du plan focal?

Une lentille à élément unique avec des surfaces normales utilisant des formules optiques mathématiquement simples démontrera la courbure de champ. Lorsqu'elles sont projetées sur un capteur / film plat, les distances variables du centre de l'objectif au milieu par rapport aux coins du capteur entraîneront une perte de mise au point sur les bords et dans les coins si le centre est correctement mis au point. Si un film ou un capteur pouvait être construit de manière à ce que toutes les pièces soient équidistantes du centre optique de l'objectif, tout serait au même point. Un tel capteur couvrirait la même partie (exprimée en degrés angulaires) d'un arc de sphère que la quantité d'arc couverte par l'objectif dans le champ de vision de la caméra. Le rayon de courbure varierait selon l'indice de réfraction de la lentille.

Dans la pratique moderne, il y a peu, voire pas du tout, d'objectifs à élément unique simples proposés par les fabricants et utilisés pour la photographie tels que définis dans le cadre de photo.stackexchange.com. La forme du plan focal, plus exactement appelé champ de mise au point, dépend entièrement de la conception de l'objectif. L'aberration sphérique / la courbure de champ peuvent être laissées totalement non corrigées ou peuvent être fortement corrigées en fonction des décisions prises par les concepteurs de lentilles et de l'efficacité de leur conception.

Lors de l'examen de l'optique du point cardinal, il faut garder à l'esprit que les lentilles d'épaisseur nulle n'existent pas réellement. Ils sont théoriques. De l'article de wikipedia pour le point cardinal (optique) :

Le seul système idéal qui a été atteint dans la pratique est le miroir plan.

Avec un objectif optiquement parfait, le plan focal est parallèle à votre capteur, et il a la même forme que lui, c'est-à-dire qu'il s'agit en fait d'un plan. Avec un objectif réel, je suppose que vous pouvez obtenir un peu de distorsion de l'avion, mais il restera essentiellement un avion. Il doit en être ainsi pour la photographie de paysage où vous souhaitez que l'image entière soit mise au point à l'infini en même temps, et c'est le cas pour tout objectif décent.

Votre premier diagramme est plus correct que le second. Dans le deuxième diagramme, vous négligez le fait que les coins de votre capteur sont plus éloignés du centre optique de votre objectif que du centre du capteur.

C'est quelque chose à prendre en compte lors de l'utilisation de la technique habituelle de "mise au point puis recomposition": en faisant pivoter votre appareil photo pour recomposer, vous déplacez le plan focal sans changer la distance au sujet, et vous pouvez en effet obtenir le sujet flou. Cela est particulièrement vrai avec un objectif grand angle à grande ouverture.

Voir par exemple Comment photographier un sujet en mouvement avec Panasonic FZ 70/72 pour plus de détails.

La forme du plan focal dépend de la formule optique. En particulier, le Zeiss Planar a été nommé d'après son plan focal particulièrement plat qui le rendait bon pour la photographie de livres, mais en général il ressemble plus à votre deuxième dessin.

Je pense qu'un élément manquant dans les réponses manifestement correctes par ailleurs est lié à la mauvaise intuition dans la question.

L'intuition dans la question vient (je crois) non pas d'une question sur l'abbération de l'objectif, mais d'un mauvais sentiment que le plan focal est basé sur la distance de l'objectif.

Cette question pourrait peut-être être paraphrasée comme

"Les éléments qui sont nettement mis au point sont-ils tous à une distance spécifique de l'objectif - sont-ils tous situés sur une courbe avec le rayon de la distance focale?"

La réponse est "non, ce n'est pas ainsi que fonctionne le focus". Comme l'a déclaré Matthew Moy, le plan focal pour un objectif parfait est parallèle au capteur.