Pourquoi certains objectifs augmentent-ils l'angle de vue lors d'une mise au point rapprochée?

J'ai récemment acheté un objectif superzoom, le Nikon 28-300mm. Bien que je l'aie principalement pour sa polyvalence, mon intuition était qu'un objectif qui peut faire une focale de 300 mm à 50 cm, comme c'est le cas, offrirait également un grossissement raisonnable pour les prises de vue macro.

J'ai été choqué de découvrir que, sur une distance d'environ 5 mètres, mon objectif macro 105 mm avec téléconvertisseur 2x offre un champ de vision considérablement plus étroit à 210 mm que mon objectif 28-300 mm à 300 mm! J'ai trouvé un fil de discussion sur cet objectif qui explique:

Quiconque s'attend à pouvoir l'utiliser en tant que macro doit soigneusement vérifier le grossissement maximal: 0,32x. Étant un objectif IF, le Nikkor augmente considérablement l'angle de vue lors d'une mise au point plus rapprochée. [...] 0,32x à 50 cm calcule approximativement une distance focale de 92 mm à [la distance minimale de mise au point] ... donc "dramatiquement" aurait pu être écrit même en majuscules.

J'aimerais mieux comprendre quels principes de construction et / ou de physique des lentilles conduisent à ce comportement contre-intuitif. À un niveau pragmatique: il est clair que je peux dériver le champ de vision effectif à une distance de mise au point minimale du grossissement maximal indiqué dans les spécifications, mais comment dois-je procéder pour déterminer le champ de vision effectif à d'autres distances? Par exemple, comment déterminer le champ de vision de mon objectif 28-300 mm à 300 mm et 3 mètres? Peut-on les calculer ou les déterminer empiriquement? S'ils doivent être déterminés empiriquement, y a-t-il des gens qui documentent publiquement ce genre de chose?

Le principe de la physique derrière ce comportement n'est rien de plus que la formule de la lentille mince:

1/o + 1/i = 1/f

Où o est la distance de l'objet (distance de l'objectif au sujet), i est la distance de l'image (distance de l'objectif au capteur) et f est la distance focale.

Pour une très grande distance d'objet (approchant l'infini) le terme 1 / o tombe à zéro, d'où:

1/i = 1/f
i = f

Cela signifie qu'un simple objectif de 300 mm formera une image focalisée d'un objet très très éloigné à une distance d'environ 300 mm derrière l'objectif. Cela signifie que s'il est monté dans un tube qui place la lentille à 300 mm du capteur, vous obtiendrez des photographies nettes d'objets à l'horizon.

Qu'en est-il d'un objet proche de l'objectif à une distance de 600 mm?

1/600 + 1/i = 1/300
1/i = 1/600
i = 600

Le même objectif de 300 mm monté dans un tube de 300 mm produit des images d'objets à cette distance qui sont complètement flous, mais si nous allongons le tube à 600 mm, notre objet rapproché est mis au point net.

Nous avons créé une lentille de "focalisation unitaire". Le problème avec de telles lentilles est qu'elles augmentent massivement en longueur physique lors de la mise au point.

Pour éviter un changement aussi énorme de la longueur physique dans un objectif à mise au point rapprochée comme le 28-300 mm, les concepteurs utilisent la "mise au point arrière" qui fonctionne en faisant varier la distance focale lors de la mise au point rapprochée. Pour en revenir à la formule d'objectif mince, si un objectif de 300 mm monté à une distance fixe passe à un objectif de 100 mm, la mise au point passe de l'infini à:

1/o + 1/300 = 1/100
1/o = 1/150
o = 150

Cent cinquante millimètres (ce qui est sacrément proche!).

Vous pouvez en théorie utiliser les mêmes formules pour calculer les focales relatives à différentes distances de mise au point, mais avec la mise en garde que dans une lentille multi-éléments complexe, la distance o correspond à la distance de l'objet du plan principal avant et la distance i correspond à la distance de l'image du plan principal arrière. L'emplacement de ces plans dépend de la conception de l'objectif et n'est pas souvent spécifié par le fabricant.

En fin de compte, la mise au point arrière facilite relativement la réduction de la distance minimale de mise au point, ce qui permet aux fabricants de gifler "macro" sur la description et de vendre plus d'objectifs, mais comme les distances focales sont par convention toujours indiquées avec l'objectif à la mise au point à l'infini, le client se trouve l'obscurité sur ce qui se passe réellement. Tout ce que vous pouvez réellement faire est de traiter les valeurs de distance focale et d'ouverture indiquées comme des valeurs approximatives pour des distances de mise au point modérées uniquement.