DIFFRACTION DE LENTILLE ET PHOTOGRAPHIE

La diffraction est un effet optique qui limite la résolution totale de votre photographie, quel que soit le nombre de mégapixels de votre appareil photo. Cela se produit parce que la lumière commence à se disperser ou à « diffracter » lorsqu'elle passe à travers une petite ouverture (telle que l'ouverture de votre appareil photo). Cet effet est normalement négligeable, car des ouvertures plus petites améliorent souvent la netteté en minimisant les aberrations de l'objectif. Cependant, pour des ouvertures suffisamment petites, cette stratégie devient contre-productive - à quel point votre appareil photo est considéré comme devenu limité par la diffraction . Connaître cette limite peut aider à maximiser les détails et éviter une exposition inutilement longue ou une vitesse ISO élevée.

CONTEXTE

Les rayons lumineux traversant une petite ouverture commenceront à diverger et à interférer les uns avec les autres. Cela devient plus important à mesure que la taille de l'ouverture diminue par rapport à la longueur d'onde de la lumière qui la traverse, mais se produit dans une certaine mesure pour toute ouverture ou source de lumière concentrée.

Étant donné que les rayons divergents parcourent maintenant des distances différentes, certains se déphasent et commencent à interférer les uns avec les autres - s'ajoutant à certains endroits et s'annulant partiellement ou complètement à d'autres. Cette interférence produit un motif de diffraction avec des intensités maximales là où l'amplitude des ondes lumineuses s'ajoute, et moins de lumière là où elles se soustraient. Si l'on devait mesurer l'intensité de la lumière atteignant chaque position sur une ligne, les mesures apparaîtraient sous forme de bandes similaires à celles présentées ci-dessous.

Modèle de diffraction

Pour une ouverture circulaire idéale, le diagramme de diffraction 2D est appelé un "disque aéré", du nom de son découvreur George Airy. La largeur du disque aéré est utilisée pour définir la résolution maximale théorique pour un système optique (définie comme le diamètre du premier cercle noir).

Disque aéré Visualisation 3D

Lorsque le diamètre du pic central du disque aéré devient grand par rapport à la taille des pixels dans l'appareil photo (ou cercle de confusion tolérable maximum), il commence à avoir un impact visuel sur l'image. Une fois que deux disques aérés deviennent plus proches que la moitié de leur largeur, ils ne peuvent plus être résolus (critère de Rayleigh).

À peine résolu n'est plus résolu

La diffraction fixe ainsi une limite de résolution fondamentale indépendante du nombre de mégapixels ou de la taille du format du film. Cela dépend uniquement du nombre f de votre objectif et de la longueur d'onde de la lumière imagée. On peut le considérer comme le plus petit "pixel" théorique de détail en photographie. De plus, le début de la diffraction est progressif; avant de limiter la résolution, il peut encore réduire le contraste à petite échelle en provoquant un chevauchement partiel des disques aérés.

EXEMPLE VISUEL :OUVERTURE VS. TAILLE DES PIXELS

La taille du disque aéré est principalement utile dans le contexte de la taille des pixels. L'outil interactif suivant montre un seul disque aéré par rapport à la taille des pixels pour plusieurs modèles de caméra :

Remarque :le disque aéré ci-dessus apparaîtra plus étroit que son diamètre spécifié (puisque celui-ci est défini par l'endroit où il atteint son premier minimum au lieu de la région lumineuse intérieure visible).

En raison du filtre anti-crénelage du capteur (et du critère de Rayleigh ci-dessus), un disque aéré peut avoir un diamètre d'environ 2-3 pixels avant que la diffraction ne limite la résolution (en supposant une lentille par ailleurs parfaite). Cependant, la diffraction aura probablement un impact visuel avant d'atteindre ce diamètre.

À titre d'exemple, le Canon EOS 20D commence à montrer une diffraction à environ f/11, tandis que le Canon PowerShot G6 commence à montrer ses effets à seulement environ f/5,6. D'autre part, le Canon G6 n'a pas besoin d'ouvertures aussi petites que le 20D pour obtenir la même profondeur de champ (en raison de sa taille de capteur beaucoup plus petite).

Étant donné que la taille du disque aéré dépend également de la longueur d'onde de la lumière, chacune des trois couleurs primaires atteindra sa limite de diffraction à une ouverture différente. Le calcul ci-dessus suppose une lumière au milieu du spectre visible (~ 550 nm). Les appareils photo reflex numériques typiques peuvent capturer la lumière avec une longueur d'onde comprise entre 450 et 680 nm. Ainsi, au mieux, le disque aéré aurait un diamètre de 80 % de la taille indiquée ci-dessus (pour la lumière bleue pure).

Une autre complication est que les capteurs utilisant un réseau Bayer allouent deux fois la fraction de pixels au vert en tant que lumière rouge ou bleue, puis interpolent ces couleurs pour produire l'image finale en couleur. Cela signifie qu'à l'approche de la limite de diffraction, les premiers signes seront une perte de résolution dans le vert et la luminosité au niveau des pixels. La lumière bleue nécessite les plus petites ouvertures (f-stop le plus élevé) afin de réduire sa résolution en raison de la diffraction.

Autres notes techniques :

• Les pixels physiques n'occupent pas réellement 100 % de la surface du capteur, mais ont plutôt des espaces entre eux. Ce calcul suppose que les microlentilles rendent ces écarts négligeables.
• Certaines caméras ont des pixels légèrement rectangulaires, auquel cas la diffraction réduira davantage la résolution dans une direction que dans l'autre.
• Le tableau ci-dessus donne une approximation de l'ouverture comme étant circulaire (une approximation courante), mais en réalité, il s'agit de polygones avec 5 à 8 côtés.
• Le calcul de la zone de pixels suppose que ceux-ci s'étendent jusqu'au bord de chaque capteur et contribuent tous à l'image finale. En réalité, les fabricants d'appareils photo laissent des pixels inutilisés autour du capteur. Étant donné que tous les fabricants ne spécifient pas le nombre de pixels utilisés par rapport aux pixels inutilisés, seuls les pixels utilisés ont été pris en compte lors du calcul de la fraction de la surface totale du capteur. Les tailles de pixel ci-dessus sont donc légèrement plus grandes que si elles étaient mesurées (mais pas plus de 5 %).

À QUOI IL RESSEMBLE

Bien que les diagrammes ci-dessus aident à donner une idée du concept de diffraction, seule la photographie du monde réel peut montrer son impact visuel. La série d'images suivante a été prise avec le Canon EOS 20D, qui présente généralement un adoucissement dû à la diffraction au-delà d'environ f/11. Déplacez votre souris sur chaque nombre f pour voir leur impact sur les détails fins :

Sélectionner l'ouverture :

f/8.0

f/11

f/16

f/22

Aucun chevauchement des disques aérés Chevauchement partiel des disques aérés

Notez que la plupart des lignes du tissu sont toujours résolues à f/11, mais ont un contraste ou une acuité à petite échelle légèrement inférieur (en particulier lorsque les lignes du tissu sont très proches). En effet, les disques aérés ne se chevauchent que partiellement, ce qui est similaire à l'effet sur les rangées adjacentes de disques aérés noirs et blancs alternés (comme illustré à droite). À f/22, presque toutes les lignes fines ont été lissées car les disques aérés sont plus grands que ce détail.

CALCULER LA LIMITE DE DIFFRACTION

Le formulaire ci-dessous calcule la taille du disque aéré et évalue si la caméra est devenue limitée par la diffraction. Cliquez sur "afficher avancé" pour définir un cercle de confusion personnalisé (CoC), ou pour voir l'influence de la taille des pixels.

Remarque :CF =« facteur de recadrage » (communément appelé multiplicateur de distance focale) ; suppose des pixels carrés, un rapport d'aspect de 4:3 pour le numérique compact et 3:2 pour le SLR. * La calculatrice suppose que le capteur de votre appareil photo utilise le tableau bayer typique .

Ce calculateur montre qu'un appareil photo est limité par la diffraction lorsque le diamètre du disque aéré dépasse ce qui est généralement résoluble dans une impression de 8 x 10 pouces vue d'un pied. Cliquez sur "afficher avancé" pour modifier les critères permettant d'atteindre cette limite. La case à cocher "définir le cercle de confusion basé sur les pixels" indique quand la diffraction est susceptible de devenir visible sur un ordinateur à une échelle de 100 %. Pour une explication plus détaillée de chaque paramètre d'entrée, consultez également le calculateur de profondeur de champ.

En pratique, la limite de diffraction n'entraîne pas nécessairement un changement brutal; il y a en fait une transition progressive entre le moment où la diffraction est et n'est pas visible. De plus, cette limite n'est qu'un scénario optimal lors de l'utilisation d'un objectif par ailleurs parfait; les résultats réels peuvent varier.

NOTES SUR L'UTILISATION DANS LE MONDE RÉEL EN PHOTOGRAPHIE

Même lorsqu'un système de caméra est proche ou juste au-delà de sa limite de diffraction, d'autres facteurs tels que la précision de la mise au point, le flou de mouvement et les objectifs imparfaits sont susceptibles d'être plus importants. La diffraction limite donc la netteté totale uniquement lors de l'utilisation d'un trépied robuste, d'un verrouillage du miroir et d'un objectif de très haute qualité.

Une certaine diffraction est souvent acceptable si vous êtes prêt à sacrifier la netteté au plan focal en échange de la netteté en dehors de la profondeur de champ. Alternativement, de très petites ouvertures peuvent être nécessaires pour obtenir des expositions suffisamment longues, comme pour induire un flou de mouvement avec de l'eau qui coule. En d'autres termes, la diffraction est juste quelque chose à prendre en compte lors du choix de vos paramètres d'exposition, de la même manière que l'on équilibrerait d'autres compromis tels que le bruit (ISO) par rapport à la vitesse d'obturation.

Cela ne doit pas vous amener à penser que "de plus grandes ouvertures sont meilleures", même si de très petites ouvertures créent une image douce; la plupart des objectifs sont également assez doux lorsqu'ils sont utilisés à grande ouverture (à la plus grande ouverture disponible). Les systèmes de caméra ont généralement une ouverture optimale entre les réglages les plus grands et les plus petits; avec la plupart des objectifs, la netteté optimale est souvent proche de la limite de diffraction, mais avec certains objectifs, cela peut même se produire avant la limite de diffraction. Ces calculs ne montrent que le moment où la diffraction devient significative, pas nécessairement l'emplacement de la netteté optimale (voir qualité de l'objectif de l'appareil photo :MTF, résolution et contraste pour en savoir plus).

Les pixels plus petits sont-ils pires ? Pas nécessairement. Ce n'est pas parce que la limite de diffraction a été atteinte (avec de grands pixels) qu'une image est nécessairement pire que si des pixels plus petits avaient été utilisés (et que la limite avait été dépassée) ; les deux scénarios ont toujours la même résolution totale (même si les pixels plus petits produisent un fichier plus volumineux). Cependant, l'appareil photo avec les pixels les plus petits restituera la photo avec moins d'artefacts (tels que le moiré de couleur et le crénelage). Des pixels plus petits offrent également une plus grande flexibilité créative, car ils peuvent donner une résolution plus élevée si l'utilisation d'une plus grande ouverture est possible (par exemple lorsque la profondeur de champ peut être faible). En revanche, lorsque d'autres facteurs tels que le bruit et la plage dynamique sont pris en compte, le débat "petits vs grands" pixels devient plus compliqué...

Note technique :Indépendance de la distance focale Étant donné que la taille physique d'une ouverture est plus grande pour les téléobjectifs (f/4 a un diamètre de 50 mm à 200 mm, mais seulement un diamètre de 25 mm à 100 mm), pourquoi le disque aéré ne devient-il pas plus petit ? En effet, des distances focales plus longues font également voyager la lumière plus loin avant de toucher le capteur de l'appareil photo, augmentant ainsi la distance sur laquelle le disque aéré peut continuer à diverger. Les effets concurrents d'une ouverture plus grande et d'une distance focale plus longue s'annulent donc, ne laissant que le nombre f comme étant important (qui décrit la distance focale par rapport à la taille de l'ouverture).

Pour en savoir plus sur ce sujet, consultez également l'addendum Digital Camera Diffraction, Part 2 :Resolution, Color &Micro-Contrast

Numéro de page :1 2