Objectifs macro : grossissement, profondeur de champ et diffraction

Un objectif macro ouvre littéralement un tout nouveau monde de sujets photographiques. Il peut même amener à voir différemment les objets du quotidien. Pourtant, malgré ces possibilités excitantes, la photo macro est aussi souvent une entreprise hautement minutieuse et technique. Comme le détail fin est souvent clé, les photos macro exigent une excellente netteté, qui à son tour demande une technique photographique soignée. Concepts comme grossissement, taille de capteur, profondeur de champ et diffraction prennent une nouvelle importance. Ce tutoriel avancé fournit un aperçu technique de comment ces concepts s'entrelacent.

Photo de Piotr Naskrecki, auteur de « The Smaller Majority ».

Grossissement

Le grossissement décrit la taille qu'un objet aura sur le capteur de votre appareil, comparée à sa taille réelle. Par exemple, si l'image sur le capteur est 25 % de la taille de l'objet réel, le grossissement est 1:4 ou 0,25×. En d'autres termes, plus le grossissement est grand, plus un objet petit peut remplir le cadre.

Photo à 0,25× grossissement (sujet plus loin)	Photo à 1,0× grossissement (sujet plus près)

Diagramme seulement illustration qualitative ; distances horizontales pas à l'échelle.

Le grossissement est contrôlé par deux seules propriétés de l'objectif : la focale et la distance de mise au point. Plus on peut faire le point près, plus un objectif donné atteindra de grossissement — ce qui est logique car les objets proches paraissent plus grands. De même, une focale plus longue (plus de zoom) atteint un grossissement plus grand, même si la distance de mise au point minimale reste la même.

Notes : la « distance de mise au point » est mesurée comme distance entre capteur et sujet, et la « focale de l'objectif » est la focale réelle (sans multiplicateurs).

Les vrais objectifs macro capturent un objet sur le capteur à la même taille que l'objet réel (terme 1:1 ou 1,0× macro). Strictement, un objectif est catégorisé « macro » seulement s'il atteint ce grossissement 1:1. Cependant, « macro » est souvent utilisé au sens large pour inclure la photo de rapproché (close-up), qui s'applique aux grossissements d'environ 1:10 ou plus. Nous utiliserons cette définition large pour la suite…

Note sur la précision : Les fabricants définissent inconsistamment la distance de mise au point ; certains utilisent capteur-sujet, d'autres mesurent depuis l'avant ou le centre de l'objectif. Si une valeur de grossissement max est disponible ou mesurable, elle donnera des résultats plus précis que le calculateur ci-dessus.

Note sur capteurs recadrés : Si vous utilisez un objectif plein format sur un capteur recadré, la lumière capturée paraîtra plus grossie que sur plein format — même si la focale est la même. C'est juste parce que le capteur plus petit recadre l'extérieur de l'image — pas parce que l'objectif a grossi l'image. Mais si vous voulez connaître le grossissement effectif ci-dessus, un multiplicateur de focale peut être utilisé — mais seulement pour objectifs plein format sur capteurs recadrés.

Grossissement et taille de capteur

Cependant, malgré son utilité, le grossissement ne dit rien sur ce qui importe souvent le plus aux photographes : quel est le plus petit objet qui peut remplir le cadre ? Malheureusement, cela dépend de la taille du capteur — dont il y a une grande diversité aujourd'hui.

Compact à 0,25×

Reflex plein format à 0,25×

Toutes illustrations ci-dessus à l'échelle.
Exemple compact utilise capteur 1/1,7″ (7,6 × 5,7 mm).
Un quart US choisi car hauteur ~ capteur plein format 35 mm.

Dans l'exemple ci-dessus, même si le quart est grossi au même 0,25× sur chaque capteur, le capteur plus petit du compact remplit le cadre avec l'image. Tout le reste étant égal, un capteur plus petit est donc capable de photographier des sujets plus petits.

Note : la « taille du plus petit sujet » est mesurée sur la plus courte dimension de la photo.

Allongement d'objectif et diaphragme effectif

Pour qu'un objectif fasse le point de plus en plus près, l'ensemble optique doit s'éloigner du capteur (appelé « allongement »). Pour de faibles grossissements, l'allongement est minime, donc l'objectif reste à la distance attendue d'environ une focale du capteur. Mais dès qu'on approche 0,25-0,5× ou plus, l'objectif s'éloigne tellement qu'il se comporte comme s'il avait une focale plus longue. À 1:1, l'objectif sort jusqu'à deux fois la focale du capteur :

Choisir un grossissement :	1:2 (0,5×)	1:1 (1,0×)

Note : Diagramme suppose objectif symétrique (grossissement pupillaire = 1).

La conséquence la plus importante est que le diaphragme effectif de l'objectif augmente*. Cela a toutes les caractéristiques habituelles : augmentation de la profondeur de champ, temps de pose plus long, plus grande sensibilité à la diffraction. En fait, la seule raison pour laquelle « effectif » est utilisé est que beaucoup d'appareils affichent encore le diaphragme non compensé (tel qu'il apparaîtrait à faible grossissement). Pour tous les autres aspects, le diaphragme a vraiment changé.

*Notes techniques : La raison pour laquelle le diaphragme change est qu'il dépend de la focale de l'objectif. Un diaphragme est défini comme le rapport focale/diamètre d'ouverture. Un 100 mm avec ouverture 25 mm a f/4, par exemple. Pour un objectif macro, le diaphragme effectif augmente car la focale effective augmente — pas à cause d'un changement d'ouverture (qui reste au même diamètre quel que soit le grossissement).

Règle empirique : à 1:1 le diaphragme effectif devient environ 2 diaphs plus grand que la valeur réglée sur l'appareil. Une ouverture f/2,8 devient ~f/5,6, f/8 devient ~f/16, etc. Mais cela requiert rarement une action supplémentaire du photographe, car la mesure de l'appareil compense automatiquement la perte de lumière pour calculer l'exposition :

Photos de Piotr Naskrecki.

Pour d'autres grossissements, on peut estimer le diaphragme effectif ainsi :

Diaphragme effectif = Diaphragme réglé × (1 + Grossissement)

Exemple : à 0,5× grossissement, le diaphragme effectif pour un objectif réglé à f/4 sera entre f/5,6 et f/6,3. En pratique, cela signifie un temps de pose 2-3× plus long, ce qui peut faire la différence entre une photo à main levée et l'obligation d'un trépied.

Notes techniques :
La formule ci-dessus marche mieux pour objectifs normaux (~50 mm). Pour macros à focales bien plus longues (105 mm, 180 mm), elle tend à sous-estimer légèrement le diaphragme effectif. Pour des résultats plus précis, il faut la formule ci-dessous avec le grossissement pupillaire de votre objectif :

Diaphragme effectif = Diaphragme × (1 + Grossissement / Grossissement pupillaire)

Le Canon 180 mm f/3,5L macro a un grossissement pupillaire de 0,5 à 1:1, donnant un diaphragme 50% plus grand que la formule simple. Mais utiliser la formule du grossissement pupillaire n'est pas pratique la plupart du temps. Le gros problème : le grossissement pupillaire change selon la distance de mise au point, ajoutant une autre formule. Il est aussi rarement publié par les fabricants.

Autres conséquences de l'ouverture effective : capacité autofocus et luminosité du viseur. Exemple : la plupart des reflex perdent l'autofocus quand le diaphragme minimal dépasse f/5,6. Résultat : les objectifs avec diaphragme minimal > f/2,8 perdront l'autofocus à 1:1. De plus, le viseur peut devenir déraisonnablement sombre à fort grossissement. Pour voir ce que ça donne, réglez votre appareil à f/5,6 ou f/8 et appuyez sur « aperçu profondeur de champ ».

Enfin, notez que les appareils Nikon corrigent automatiquement le diaphragme effectif. En d'autres termes, le diaphragme affiché dans le viseur/LCD de votre Nikon augmentera progressivement quand la distance de mise au point diminue — même si vous n'avez jamais changé le réglage de diaphragme par les méthodes standards.

Profondeur de champ en macro

Plus on grossit un sujet, plus la profondeur de champ devient faible. En macro et photo de rapproché, elle peut devenir rasoir — souvent juste quelques millimètres :

Exemple photo de rapproché avec profondeur de champ très faible.
Photo de Piotr Naskrecki.

Les photos macro requièrent donc généralement des diaphragmes élevés pour une profondeur de champ adéquate. Alternativement, on peut tirer le maximum du peu de profondeur de champ en alignant le sujet avec le plan de netteté maximale. Quoi qu'il en soit, il est souvent utile de savoir combien de profondeur de champ on a :

Note : Profondeur de champ définie selon ce qui paraît net dans un tirage 20×25 cm vu à 30 cm ; basé sur cercle de confusion standard 35 mm de 0,032 mm. Pour grossissements > 1×, sortie en µm (microns = 1/1000 mm).
*Si vous utilisez un reflex Nikon, cochez cette case ; sinon laissez décochée.

Notez que la profondeur de champ est indépendante de la focale ; un 100 mm à 0,5× a la même PdC qu'un 65 mm à 0,5×, par exemple, tant qu'ils sont au même diaphragme. Aussi, contrairement à la photo à faible grossissement, la profondeur de champ reste symétrique par rapport à la distance de mise au point (PdC avant et arrière égales).

Notes techniques :
Contrairement aux premières impressions, la profondeur de champ n'est pas intrinsèquement meilleure avec les petits capteurs. Si un capteur plus petit a une plus grande PdC au même diaphragme, ce n'est pas une comparaison équitable, car le grand capteur peut utiliser un diaphragme plus élevé avant que la diffraction ne limite la résolution. Quand les deux tailles de capteur produisent des tirages avec la même résolution limitée par diffraction, les deux ont la même profondeur de champ. Le seul avantage inhérent est que le capteur plus petit nécessite un temps de pose plus court pour atteindre cette profondeur de champ.

Limite de diffraction en macro

La diffraction est un effet optique limitant la résolution de vos photos — quel que soit le nombre de mégapixels (voir tutoriel diffraction en photo). Les images sont plus sensibles à la diffraction quand le diaphragme augmente ; à diaphragmes élevés, la diffraction devient si prononcée qu'elle commence à limiter la résolution (la « limite de diffraction »). Au-delà, toute augmentation de diaphragme ne fait que réduire davantage la résolution.

Cependant, à fort grossissement, c'est le diaphragme effectif qui détermine la limite de diffraction — pas nécessairement celui réglé sur l'appareil. Cela est pris en compte ci-dessous :

*Cochez si vous utilisez un reflex Nikon ; sinon laissez décoché.
Le résultat est le diaphragme affiché par votre appareil, pas nécessairement le diaphragme effectif.

Gardez à l'esprit que l'apparition de la diffraction est graduelle, donc des ouvertures légèrement plus grandes ou plus petites que la limite ne changeront pas brutalement l'aspect. De plus, ce n'est qu'une limite théorique ; les résultats réels dépendent aussi des caractéristiques de votre objectif spécifique. Enfin, le calculateur ci-dessus est pour visualiser l'image à 100 % à l'écran ; des tailles de tirage petites ou grandes peuvent signifier que le diaphragme limité par diffraction est en fait plus grand ou plus petit que suggéré.

En photo macro, on est presque toujours prêt à échanger un peu de mollesse due à la diffraction contre plus de profondeur de champ. N'ayez pas peur de pousser le diaphragme au-delà de la limite de diffraction. La diffraction est juste un compromis à connaître lors du choix des réglages d'exposition, comme on équilibre bruit (ISO) vs vitesse. Avec les reflex numériques en général, les ouvertures f/11-f/16 offrent un bon compromis entre PdC et netteté, mais f/22+ est parfois nécessaire pour une PdC supplémentaire (mais plus molle). En fin de compte, la meilleure façon d'identifier le compromis optimal est d'expérimenter — avec votre objectif et sujet particuliers.

Distance de travail et focale

La distance de travail d'un objectif macro décrit la distance entre l'avant de votre objectif et le sujet. C'est différent de la distance de mise au point minimale, qui est (généralement) mesurée du capteur au sujet.

Photo de Piotr Naskrecki

La distance de travail est un indicateur utile de combien votre sujet risque d'être dérangé. Une distance de travail proche peut convenir pour fleurs et objets stationnaires, mais peut déranger insectes et petites bêtes (ex. faire fuir une abeille d'une fleur). De plus, un sujet dans l'herbe ou feuillage peut rendre les distances de travail proches irréalistes. Les distances de travail proches ont aussi le potentiel de bloquer la lumière ambiante et créer une ombre sur le sujet.

À grossissement donné, la distance de travail augmente généralement avec la focale. C'est souvent la considération la plus importante en choisissant entre macros de focales différentes. Exemple : le Canon 100 mm f/2,8 macro a une distance de travail de ~150 mm (6″) à 1:1, alors que le Canon 180 mm f/3,5L macro a une plus confortable ~300 mm (12″) au même grossissement. Cela peut faire la différence entre pouvoir photographier un sujet et le faire fuir.

Cependant, une autre considération est que les focales plus courtes offrent souvent une photo plus tridimensionnelle et immersive. C'est surtout vrai en macro, car la focale effective plus grande tend à aplatir la perspective. Utiliser la focale la plus courte disponible aidera à compenser cet effet et donnera plus de sensation de profondeur.

Qualité d'image en rapproché

Un grossissement plus élevé amplifie aussi les imperfections de votre objectif. Celles-ci incluent les aberrations chromatiques (halos magenta ou bleu le long des forts contrastes, particulièrement près des coins), la distorsion d'image et le flou. Tout cela est souvent plus apparent avec un objectif non-macro à fort grossissement ; par contraste, un vrai objectif macro atteint une qualité d'image optimale près de sa distance de mise au point minimale.

L'exemple ci-dessous a été pris à 0,3× grossissement avec un compact à sa distance de mise au point minimale. Comme c'est un objectif standard non-macro, la qualité souffre clairement :

Rapproché à 0,3× avec un Compact

Images ci-dessus même après netteté de capture agressive appliquée.

Notez comme les aberrations chromatiques et la mollesse sont plus prononcées loin du centre (recadrage rouge). Le recadrage central (bleu) n'est pas aussi net qu'espéré, mais l'aberration chromatique y est bien moins apparente.

Pour d'autres options macro, voir aussi :
Tubes allonges macro & Lenses de rapproché
Pour un article d'introduction : Introduction à la technique de photographie macro