Système Laser

Systèmes de Prises de Vues à Barrière Laser

Plusieurs systèmes ont été imaginés et mis au point afin de trouver le meilleur compromis entre la simplicité d'utilisation, la fiabilité et l'usure du matériel...

Le premier système fonctionne en boucles, c'est à dire que l'appareil EOS réglé en pose B effectue des prises de vues toutes les X secondes, même s'il n'y a pas de sujet qui déclenche la barrière laser (celle-ci commande uniquement les flashes). Et ceci jusqu'à saturation des cartes mémoires. Ceci évite de maintenir la Pose B trop longtemps et d'être parasité au bout d'un moment par des lumières indésirables (lampadaires, pleine lune...)

Voici une rapide synthèse de nos conceptions, leur développement ayant demandé beaucoup de travail sur plusieurs années.

Système avec Pose B

1 - Barrière Laser

Après avoir testé de nombreuses cellules, essentiellement photoélectriques, nous avons finalement retenu les barrières laser forte puissance 16 bits de Keyence et plus spécialement la LV-H32. Outre son faible encombrement, son temps de réaction est le plus rapide du marché (80 µs) et elle est active jusqu'à 1m de distance. L'émetteur relativement petit, possède un faisceau laser rouge de 0,3 mm de diamètre minimum. Ce laser est dans le spectre visible ce qui est un sérieux avantage pour effectuer le réglage visuellement, de jour comme de nuit. L'amplificateur dédié LV-21A sur deux canaux séparés permet quant à lui une gestion admirable grâce à ses nombreuses options possibles de configurations, que ce soit pour les modes de détection, ou bien encore pour d'autres paramètres comme le One shot, etc.
Mais la caractéristique la plus intéressante est qu'un réflecteur est inutile, d'où sa grande simplicité d'installation. Malheureusement, cette cellule n'est pas très fiable sur des sujets très sombres comme peuvent l'être les chauves-souris. Heureusement, une autre cellule laser Keyence CMOS de dernière technologie très fiable sur des cibles noires, la GV-H1000 et son ampli dédié GV-21, vient remédier à ce problème. Son temps de réponse n'est "que" de 1.5 ou 3 ms suivant le contexte (notamment la clarté du sujet) mais cela est suffisant pour la plupart des sujets. Et depuis peu, nous n'utilisons pratiquement plus que ces cellules lorsque cela est possible, elles sont en effet bien plus simple à mettre en oeuvre, cependant l'encombrement est un peu plus important. Là aussi, la portée maxi est d'environ 1 mètre.

Ampli Keyence GV-21 + sensor GV-H1000

Nous utilisons parfois aussi d'autres barrières Keyence comme la LV-H42 ou la LV-H62. Cette dernière nécessite toutefois un réflecteur mais elle est d'une précision redoutable puisque la lentille du faisceau de l'émetteur fait également office de récepteur et il n'y donc pas d'erreur de parallaxe possible dans le calage pour de petits sujets comme les insectes. Sa portée est de 7 mètres maxi. Une autre cellule laser Keyence (avec émetteur-récepteur), la LV-H300 et l'ampli LV-51MP, vient en complément de cette dernière, son très mince faisceau laser mais d'une largeur de 30mm facilite grandement les réglages pour de très petites cibles...

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LV-H32.................................................. LV-H62 et réflecteur.....

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.................................LV-21A....................................................GV-H1000

Bien sûr le branchement de ces barrières laser ne peut en aucun cas être réalisé directement sur les boîtiers EOS. D'une part parce que le temps de réponse des boîtiers est beaucoup trop long et que le sujet serait hors du champ, et d'autre part parce qu'une coupure rapide du faisceau laser produit un signal souvent bien trop bref pour actionner l'obturateur ou même un relais (sans compter que ces barrières délivrent une tension significative dans les cables, et vaut mieux éviter de faire de branchements directs !).

Nous avons néanmoins bel et bien utilisé un relais, mais en le couplant à une temporisation... A noter que l'utilisation de relais Reed est nettement préférable car ceux-ci ont un temps de réponse très bref.

2 - Temporisations

Il s'agit donc de prolonger le signal de coupure du faisceau par un artifice électronique. En utilisant un circuit intégré 555 dans un montage monostable basique, il est très facile de construire une tempo pour appuyer l'impulsion de quelques dixièmes ou millièmes de seconde supplémentaires et ainsi faire "coller" le relais.

Nous avons utilisé ce même type de montage mais en astable pour le contrôle temporisé du boîtier via la prise de télécommande (photos en boucles toutes les X secondes, l'appareil EOS étant en pose B).

Par le biais d'un autre relais coupant l'alimentation de cette dernière tempo, l'obturateur du boîtier se referme aussitôt dès qu'une photo est prise, ceci dans le but d'éviter une surimpression si le rayon laser est coupé rapidement deux fois de suite. Toutefois les cellules Keyence peuvent être réglée en "One Shot" avec un délai réglable (1 ms minimum), ce qui permet d'éviter un tels problèmes.

Boîtier de commande comprenant les deux temporisations + relais (signal et EOS), l'ampli LV-21A et les
fiches de branchements (mini Jack 2,5 mm pour la commande temporisée du boitier, RCA femelle pour
la commande du flash maître, RCA mâle pour l'alimentation 12V et interrupteur M/A).

3 - Matériel

Afin de simplifier encore plus l'ensemble, nous avons réussi à utiliser les flashes Canon en mode manuel sans fil... un avantage remarquable ! Tous les flashes esclaves sont commandés par un flash maître 550EX. L'émetteur infra-rouge Canon ST-E2 pourrait être utilisable si cet appareil ne se mettait pas en veille rapidement quand il n'est pas monté sur le boîtier. Et il n'y a pas vraiment moyen d'entraver le processus... Un autre aléa cependant : le flash maître 550EX ne peut pas être utilisé pour éclairer le sujet à l'instar des flashes esclaves car, envoyant les signaux de commande à distance, sa durée d'éclair devient beaucoup plus longue et perturbe l'exposition. Il faut donc désactiver sur le flash l'émission automatique de l'éclair lorsqu'il pilote les flashes esclaves (le flash envoie toujours un éclair visible mais ce faible éclair n'a alors plus d'incidence sur l'exposition).
Il faut ensuite penser à désactiver la fonction de mise en veille automatique de tous les flashes 550 EX, 580 EX et 580 EX II et tout fonctionne sans problème aussi longtemps que tiennent les batteries.

Comme il n'est pas très pratique d'utiliser directement les contacts du sabot du flash maître sur le relais, il nous a été nécessaire de souder et de sortir des fils du bouton "Pilot" de l'intérieur du flash. Nous avons ramené ces deux contacts sur la prise d'alimentation externe du flash (les fils d'origine étant bien sûr tous dessoudés), ce qui permet un contrôle via un cordon d'alimentation Quantum CZ pour flash Canon, modifié avec une RCA mâle.

L'inconvénient de cette technique sans fil, est que la commande des flashes esclaves nécessite un délai de 3 ms comme le montre les courbes suivantes... En effet le flash maître envoie des pré-éclairs avant de synchroniser l'éclair principal des flashes esclaves. Un délai à rajouter bien sûr au temps de réponse de l'obturateur !

Synchronisation Wireless des flashes Canon

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..........Cordon Quantum CZ pour flash Canon.......................................Prise d'alimentation externe du 580 EX

Enfin, il est également possible de rajouter d'autres flashes (Metz...) munis d'une cellule d'auto-déclenchement du style Hama par exemple, l'ensemble restant ainsi sans liaison câblée.

Nous travaillons avec des EOS 5D Mark II munis de différents objectifs selon le milieu : 100mm f/2,8 macro, 17-40mm f/4, 24-105mm f/4 IS... Au total, nous disposons de 4 flashes Canon 550 EX, 2 flashes Canon 580 EX, 2 flashes Canon 580 EX II et 8 flashes Metz 40 MZ-2. Mais nous travaillons maintenant avec 3 flashes spéciaux (voir au paragraphe "Système complet" plus bas).

4 - Conclusion

Même si ce système a prouvé son efficacité, le gros risque encouru provient de la sollicitation continuelle du boîtier EOS. A raison d'une photo toutes les 10 secondes en moyenne, on imagine le nombre de photos après plusieurs dizaines d'heures de fonctionnement. Un deuxième problème potentiel : il faut se rendre sur place assez souvent pour changer la carte Compact Flash qui se remplit rapidement surtout si on travaille au format RAW. A cause de cela nous utilisons des cartes haute capacité UDMA Sandisk ou Lexar de 8 ou 16 Go... Il est vrai qu'une fois le matériel installé, il n'est pas toujours facile de procéder au changement de carte dans de bonnes conditions.

Système d'obturateur rapide : obturateur mécanique

Nous avons été amenés à concevoir un autre sytème avec un obturateur rapide dont le temps de réponse tourne autour de 10 ms, ceci afin de travailler également de jour (ce qui n'est pas possible l'obturateur ouvert) et de réduire le fonctionnement continu du boîtier EOS. Cet obturateur rapide est placé devant un objectif 100 mm macro f/2.8. L'appareil est toujours en Pose B mais il ne subit pas de lumière parasite que ce soit de nuit ou de jour.

Il faut cependant déclencher là aussi le boîtier en boucle car le numérique apporte son lot d'avantages... et d'inconvénients ! Ainsi il n'est pas possible de maintenir très longtemps la Pose B, même dans le noir absolu. Le capteur génére en effet du bruit assez rapidement et la photo fini par ressembler à une nuit étoilée : c'est à dire constellée de points multicolores, et cela même en activant la réduction de bruit pour pose longue disponible sur certains appareils comme le 5D. Certains logiciels arrivent néanmoins à occulter une partie de ce bruit, le meilleur testé étant Capture One Pro. Avec l'EOS 5D, une pose de 3 minutes dans l'obscurité est le maximum envisageable ; ceci réduit quand même notablement la cadence des déclenchements par rapport au système ci-dessus.

Le principe est assez simple, la réalisation mécanique et électronique beaucoup moins ! Une tempo d'environ 3 mn est donc reliée à l'EOS (-> Pose B) pour les déclenchements en boucle. Un obturateur mécanique d'appareil argentique est placé devant l'objectif. Il faut bien sûr trouver l'objectif adéquat, et donc une optique qui puisse passer au travers du champ 24x36 de l'obturateur et sans vignettage. Le volet de l'obturateur est maintenu en position fermé par le minuscule électro-aimant d'origine, alimenté en 6V. Les contacts du flash maître sont repris directement sur l'obturateur, là encore ce sont les contacts d'origine. La cellule Keyence est reliée à l'alimentation de cet électro-aimant de sorte que lorsque le faisceau laser est coupé, la bobine n'est plus alimentée (même un instant très bref), le volet de l'obturateur n'est plus retenu et s'abaisse aussitôt par l'intermédiaire de son ressort de rappel. Tout ceci se passe dans un court laps de temps d'environ 10 ms (Merci au passage à Marc Jardel pour les premières mesures effectuées sur oscilloscope : www.jama.fr). Une fois en position totalement basse, le volet déclenche le flash maître par les contacts, et le flash maître, à son tour, déclenche les flashes esclaves à distance. Un microswitch de fin de course à très faible pression (0.39N) déclenche une courte tempo (CI 555) qui permet via un relais Reed d'actionner un bras de disque dur alimenté en 12V. Celui-ci referme alors le volet instantanément et la durée d'ouverture de l'obturateur est très rapide, ce qui est appréciable pour des prises de vues en plein jour. Dans le même temps, un autre relais est actionné sur la commande de L'EOS : le rideau est refermé dès l'émission de l'éclair. Ainsi pas de risque de multiples impressions sur une même vue. Environ 1 seconde après, le boîtier est donc ré-enclenché et il est prêt pour la photo suivante.

EDIT du 02/03/2009 : Après une nouvelle série de mesures sur oscilloscope (voir ci-dessous), le temps de réponse du système est très précisément de 11,4 ms.

Attention, il s'agit du temps total de réponse, de la coupure du faisceau laser jusqu'au déclenchement des flashes.

Temps de réponse de l'obturateur

Une autre valeur importante à considérer est la durée d'ouverture totale de l'obturateur. Plus ce temps est élevé, plus les risques de surimpression sont importants lorsqu'on travaille de jour et, qui plus est, en plein soleil. Ici, ce temps est de 8 ms ce qui correspond à une durée d'obturation de 1/125 ème de seconde sur un boitier photo. Nous travaillons actuellement pour réduire considérablement cette valeur.

Courbe du haut : tps d'ouverture total du volet - Courbe du bas : déclenchement du flash

Nous voyons ci-dessus que le volet de l'obturateur descend complètement en 1,5 ms (entre le début d'ouverture du rideau et le déclenchement du flash). Le délai de réponse de 11,4 ms est donc dû au fait que l'aimant de l'obturateur "colle" pendant presque 10 ms avant d'amorcer sa descente ; c'est apparemment le problème de l'inertie de ce type d'électro-aimants à bobine.

Obturateur rapide recto/verso. Sur la vue de gauche, une base de pare-soleil solidement fixée permet un ajustement précis sur l'objectif. La fiche DIN en haut est la commande de l'obturateur, la fiche RCA en bas est la commande du flash maître. A droite, vue frontale, un filtre UV 77 mm démontable protège le système de la poussière.

Face avant et vue intérieure du prototype...

Boîtier de commande, de gauche à droite : commande EOS, fusible, alimentation CC 12V, interrupteur M/A, fiche DIN pour la commande de l'obturateur et câble de la cellule laser Keyence.

Pour photographier au flash des sujets qui nécessitent un temps de réaction de l'obturateur inférieur à 10 ms, nous avons également élaboré un autre système de prise de vue plus simple. L'appareil photo est dans ce cas en pose B, la barrière laser Keyence étant directement reliée à un relais Reed possédant un temps de commutation de 0,1 ms. Ce relais MEDER de type CRR commande ainsi l'éclair du flash maître. Ce système nécessite cependant de travailler dans le l'obscurité totale et ne convient donc pas à tous les types de prises de vues.

Système complet

Voici ci dessous un des systèmes que nous utilisons. Le boitier photo est monté sur une rotule vidéo via une colonne horizontale qui est elle-même montée sur un pied Manfrotto via une autre rotule. 6 flashes Canon peuvent être montés en frontal, ils sont fixés grâce à des machoires (plus sécurisant qu'une fixation par le sabot). Celles-ci sont orientables car montées sur des mini rotules ball. Au centre de ces machoires, de puissants modules lasers verts permettent d'effectuer un réglage précis des flashes ; ce type de laser est en effet très pratique car le faisceau, à la différence du rouge, est entièrement visible parfois même en plein jour. 2 autres flashes Canon et 8 flashes Metz peuvent être ajoutés mais sont généralement placés à contre-jour, fixés sur un pied girafe en hauteur. La cellule laser Keyence, sur un support mobile et totalement réglable, coulisse sur une perche d'1 mètre en tube carbone (cette dernière pouvant être rallongée jusqu'à 2m). Ainsi le sytème est très compact et rapidement installé/démonté.

Depuis 2009, nous utilisons 3 flashes spéciaux conçus et fabriqués spécialement pour cet usage. Ils sont extrêmement puissants (150 joules) et ont une durée éclair de l'ordre de 1/30.000 ème de sec. Malgré leur poids (environ 6 kg chacun + 5 kg par batterie), l'utilisation de ces flashes permet de travailler en lumière réfléchie ou filtrée et avec de faibles valeurs ISO (f/32 à 2 mètres en ISO 100).

Système d'obturateur rapide : obturateur à cristaux liquides

Nous nous sommes penchés sur les nouvelles technologies afin d'essayer de trouver un système moins contraignant, plus léger et donc plus maniable.

Les cristaux liquides sont depuis longtemps utilisés pour l'affichage des lettres et des chiffres dans différents appareils électroniques, mais sont également déjà utilisés dans plusieurs domaines tels que les masques de soudure à l'arc, l'obscurcissement de baies vitrées etc.
Un obturateur à cristaux liquide, sous la forme d'une plaque en verre, pourrait donc être utilisé à la place d'un obturateur mécanique ; l'avantage étant bien sûr une plus grande fiabilité (pas de pièces en mouvement) ainsi qu'un temps de réponse inégalable de l'ordre de 200 µs !

Cependant plusieurs problèmes se posent. Le premier est que les cristaux liquides en "phase obscure" n'ont pas un coefficient d'opacité de 100%, un tel obturateur serait donc inutilisable en plein jour. Pour remédier à cela, deux filtres à cristaux liquides peuvent être utilisés conjointement l'un sur l'autre dans un sens précis. On obtient alors une plus grande opacité qui pourrait convenir mais au détriment de la qualité optique. Un second problème apparaît donc, à savoir que la perte de piqué de l'image devient significative et hélas bien au delà des valeurs acceptables.
Un autre aléa un peu moins important celui là : une perte de presque deux diaphragmes, la "phase claire" n'étant, là encore, pas transparente à 100%.

Nous avons testé du matériel en collaboration avec la société LIXYS qui est spécialisée dans ces systèmes à base de cristaux liquides. Un prototype a été réalisé et testé dans des conditions normales de prises de vues :

Oburateur fermé (repos), puis obturateur ouvert (travail), une tension de 5VCC est appliquée au module. Ces deux filtres se supperposent afin d'obtenir une opacité convenable au repos, cependant la perte de lumière en phase travail (claire) est néanmoins assez réduite.

Deux photos en crop 100% brut, non retouchées, pas même la balance des blancs. Images réalisées avec un EOS 5D et un 100 macro f/2.8 Canon à f/5.6 et à ISO 100. Photo du haut sans filtre, photo du bas à travers l'obturateur à cristaux liquides. La dégradation de la qualité est très nette...

Pour toutes les raisons ci dessus, nous n'employons pas encore de système à cristaux liquides, mais peut-être que les techniques futures permettront d'envisager un jour l'utilisation d'un obturateur de ce type. A suivre !

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