QUALITÉ DE L'OBJECTIF :MTF, RÉSOLUTION ET CONTRASTE

La qualité de l'objectif est plus importante que jamais, en raison du nombre toujours croissant de mégapixels que l'on trouve dans les appareils photo numériques d'aujourd'hui. Souvent, la résolution de vos photos numériques est en fait limitée par l'objectif de l'appareil photo, et non par la résolution de l'appareil photo lui-même. Cependant, déchiffrer les graphiques MTF et comparer la résolution de différents objectifs peut être une science en soi. Ce didacticiel donne un aperçu des concepts et termes fondamentaux utilisés pour évaluer la qualité des verres. À tout le moins, j'espère que cela vous incitera à réfléchir à deux fois à ce qui est important lors de l'achat de votre prochain appareil photo numérique ou objectif.

RÉSOLUTION ET CONTRASTE

Tout le monde est susceptible de connaître le concept de résolution d'image, mais malheureusement, trop d'accent est souvent mis sur cette seule métrique. La résolution décrit uniquement la quantité de détails qu'un objectif est capable de capturer - et pas nécessairement la qualité des détails qui est capturé. D'autres facteurs contribuent donc souvent beaucoup plus à notre perception de la qualité et de la netteté d'une image numérique.

Pour comprendre cela, examinons ce qui arrive à une image lorsqu'elle passe à travers l'objectif d'un appareil photo et est enregistrée sur le capteur de l'appareil photo. Pour simplifier les choses, nous allons utiliser des images composées de lignes noires et blanches alternées ("paires de lignes"). Au-delà de la résolution de votre objectif, ces lignes ne se distinguent bien sûr plus :

	→	→
Paires de lignes haute résolution		Lentille		Paires de lignes non résolues

Exemple de paires de lignes plus petites que la résolution d'un objectif de caméra.

Cependant, quelque chose qui est probablement moins bien compris est ce qui arrive aux autres lignes plus épaisses. Même s'ils sont encore résolus, ceux-ci se dégradent progressivement à la fois en termes de contraste et de clarté des contours (voir netteté :résolution et acuité) à mesure qu'ils deviennent plus fins :

	→	→
Lignes progressivement plus fines		Lentille		Progressivement Moins de Contraste &Définition des Bords

Pour deux objectifs avec la même résolution, la qualité apparente de l'image sera donc principalement déterminée par la façon dont chaque objectif préserve le contraste à mesure que ces lignes deviennent progressivement plus étroites. Cependant, afin de faire une comparaison équitable entre les objectifs, nous devons établir un moyen de quantifier cette perte de qualité d'image...

MTF :FONCTION DE TRANSFERT DE MODULATION

Une fonction de transfert de modulation (MTF) quantifie la façon dont les variations de luminosité régionales d'un sujet sont préservées lorsqu'elles traversent l'objectif d'un appareil photo. L'exemple ci-dessous illustre une courbe MTF pour un verre perfect* :

Augmentation de la fréquence des paires de lignes →
Extrême droite =Résolution maximale / Limite de diffraction.

Remarque :l'espacement entre les lignes noires et blanches a été exagéré pour améliorer la visibilité.
La courbe MTF suppose une ouverture circulaire ; d'autres formes d'ouverture produiront des résultats légèrement différents.

*Un objectif parfait est un objectif dont les détails ne sont limités que par la diffraction.
Voir le tutoriel sur la diffraction en photographie pour un arrière-plan sur ce sujet.

Un MTF de 1,0 représente une préservation parfaite du contraste, tandis que des valeurs inférieures à cela signifient que de plus en plus de contraste est perdu - jusqu'à un MTF de 0, où les paires de lignes ne peuvent plus du tout être distinguées. Cette limite de résolution est une barrière inévitable avec n'importe quel objectif; cela ne dépend que de l'ouverture de l'objectif de l'appareil photo et n'est pas lié au nombre de mégapixels. La figure ci-dessous compare un objectif parfait à deux exemples concrets :

Augmentation de la fréquence des paires de lignes →

Objectif de caméra de très haute qualité (proche de la limite de diffraction)

Objectif de caméra de faible qualité (loin de la limite de diffraction)

Comparaison entre un objectif idéal à diffraction limitée (ligne bleue) et des objectifs d'appareil photo réels.
L'illustration de la paire de lignes sous le graphique ne s'applique pas à l'objectif parfait.
Déplacez votre souris sur chacune des étiquettes pour voir à quel point les objectifs de haute et de basse qualité diffèrent souvent.

La ligne bleue ci-dessus représente la courbe MTF pour une lentille parfaite "à diffraction limitée". Aucun objectif réel n'est limité uniquement par la diffraction, bien que les objectifs d'appareil photo haut de gamme puissent se rapprocher beaucoup plus de cette limite que les objectifs de qualité inférieure.

Les paires de lignes sont souvent décrites en fonction de leur fréquence :le nombre de lignes qui correspondent à une unité de longueur donnée. Cette fréquence est donc généralement exprimée en termes de "LP/mm" - le nombre de paires de lignes (LP) qui sont concentrées dans un millimètre (mm). Alternativement, parfois cette fréquence est plutôt exprimée en termes de largeurs de ligne (LW), où deux LW équivaut à un LP.

La fréquence de ligne la plus élevée qu'un objectif peut reproduire sans perdre plus de 50% de la MTF ("MTF-50") est un nombre important, car il correspond bien à notre perception de la netteté. Un objectif haut de gamme avec un MTF-50 de 50 LP/mm apparaîtra beaucoup plus net qu'un objectif de qualité inférieure avec un MTF-50 de 20 LP/mm, par exemple (en supposant qu'ils soient utilisés sur le même appareil photo et au même ouverture ; nous en reparlerons plus tard).

Cependant, le tableau MTF par rapport à la fréquence ci-dessus n'est normalement pas la façon dont les lentilles sont comparées. Connaître uniquement (i) la résolution maximale et (ii) la MTF à peut-être deux fréquences de ligne différentes est généralement plus que suffisant. Ce qui importe souvent le plus, c'est de savoir comment le MTF change en fonction de la distance par rapport au centre de votre image.

Le MTF est généralement mesuré le long d'une ligne partant du centre de l'image et dans un coin éloigné, pour une fréquence de ligne fixe (généralement 10-30 LP/mm). Ces lignes peuvent être soit parallèles à la direction s'éloignant du centre (sagittale) soit perpendiculaires à cette direction (méridienne). L'exemple ci-dessous montre comment ces lignes peuvent être mesurées et affichées sur un graphique MTF pour un appareil photo 35 mm plein format :

Paires de lignes méridiennes (circulaires)

Paires de lignes sagittales (radiales)

→ Distance du centre [mm]

Les détails au centre d'une image auront pratiquement toujours le MTF le plus élevé, et les positions plus éloignées du centre auront souvent des valeurs MTF progressivement plus faibles. C'est pourquoi les coins des objectifs d'appareil photo sont pratiquement toujours la partie la plus douce et la moins bonne de vos photos. Nous verrons pourquoi les lignes sagittales et méridiennes divergent plus tard.

COMMENT LIRE UN GRAPHIQUE MTF

Maintenant, nous pouvons enfin mettre en pratique tous les concepts ci-dessus en comparant les propriétés d'un zoom avec un objectif à focale fixe :

Objectif Canon 16-35mm f/2.8L II
(zoom réglé sur 35 mm) Objectif Canon 35mm f/1.4L Prime

Sur l'axe vertical, nous avons la valeur MTF d'avant, avec 1,0 représentant une reproduction parfaite des paires de lignes, et 0 représentant des paires de lignes qui ne se distinguent plus les unes des autres. Sur l'axe horizontal, nous avons la distance par rapport au centre de l'image, 21,6 mm étant le coin le plus éloigné sur un appareil photo 35 mm. Pour un capteur recadré 1,6X, vous pouvez ignorer tout ce qui dépasse 13,5 mm. De plus, tout ce qui dépasse environ 18 mm avec un capteur plein format ne sera visible que dans les coins extrêmes de la photo :

Remarque :Pour un capteur 1,5 X, le coin éloigné est à 14,2 mm et le bord éloigné à 11,9 mm.
Consultez le didacticiel sur les tailles de capteur d'appareil photo numérique pour en savoir plus sur leur impact sur la qualité de l'image.

Toutes les lignes différentes dans les graphiques MTF ci-dessus peuvent d'abord être écrasantes; la clé est de les regarder individuellement. Chaque ligne représente une MTF distincte dans des conditions différentes. Par exemple, une ligne peut représenter les valeurs MTF lorsque l'objectif est à une ouverture de f/4.0, tandis qu'une autre peut représenter les valeurs MTF à f/8.0. Un grand obstacle pour comprendre comment lire un graphique MTF est d'apprendre à quoi chaque ligne fait référence.

Chaque ligne ci-dessus a trois styles différents :épaisseur, couleur et type. Voici une ventilation de ce que chacun de ces éléments représente :

Épaisseur de ligne :	Gras → 10 LP/mm - contraste à petite échelle Fin → 30 LP/mm - résolution ou détails fins
Couleur de la ligne :	Bleu → Ouverture à f/8.0 Noir → Ouverture grande ouverte
Type de ligne :	Pointillés → Paires de lignes méridiennes (concentriques) Paires de lignes pleines → Sagittales (radiales)

Puisqu'une ligne donnée peut avoir n'importe quelle combinaison d'épaisseur, de couleur et de type, le tableau MTF ci-dessus a un total de huit types de lignes différents. Par exemple, une courbe en gras, bleue et pointillée décrirait la MTF des lignes méridiennes de 10 LP/mm à une ouverture de f/8.0.

Lignes noires . Celles-ci sont particulièrement pertinentes lorsque vous utilisez votre objectif dans des conditions de faible luminosité, que vous devez figer un mouvement rapide ou que vous avez besoin d'une faible profondeur de champ. La MTF des lignes noires sera presque toujours le pire des cas (sauf si vous utilisez des ouvertures inhabituellement petites).

Dans l'exemple ci-dessus, les lignes noires ne sont malheureusement pas une comparaison juste entre les pommes, car une grande ouverture est différente pour chacun des objectifs ci-dessus (f/2,8 sur le zoom contre f/1,4 sur le premier). C'est la principale raison pour laquelle les lignes noires apparaissent tellement pires pour l'objectif principal. Cependant, étant donné que l'objectif à focale fixe a un tel handicap, il le fait tout à fait admirablement — surtout à 10 LP/mm au centre, et à 30 LP/mm vers les bords de l'image. Il est donc fort probable que l'objectif principal surpassera l'objectif zoom lorsqu'ils sont tous les deux à f/2,8, mais nous ne pouvons pas le dire avec certitude en nous basant uniquement sur les graphiques ci-dessus.

Lignes bleues . Ceux-ci sont les plus pertinents pour la photographie de paysage ou d'autres situations où vous devez maximiser la profondeur de champ et la netteté. Elles sont également plus utiles pour les comparaisons car les lignes bleues doivent toujours être à la même ouverture :f/8.0.

Dans l'exemple ci-dessus, l'objectif principal a un meilleur MTF à toutes les positions, pour les détails haute et basse fréquence (30 et 10 LP/mm). L'avantage de l'objectif principal est encore plus prononcé vers les régions extérieures de l'image de l'appareil photo.

Lignes épaisses ou lignes fines . Les lignes en gras décrivent la quantité de "pop" ou de contraste à petite échelle, tandis que les lignes fines décrivent des détails ou une résolution plus fins. Les lignes en gras sont souvent une priorité car des valeurs élevées peuvent signifier que vos images auront un aspect plus tridimensionnel, similaire à ce qui se passe lors de l'amélioration du contraste local.

Dans l'exemple ci-dessus, les deux objectifs ont un contraste similaire à f/8.0, bien que l'objectif principal soit un peu meilleur ici. L'objectif zoom perd à peine de contraste lorsqu'il est utilisé à grande ouverture par rapport à f/8.0. D'autre part, l'objectif principal perd un peu de contraste en passant de f/8.0 à f/1.4, mais c'est probablement parce que f/1.4-f/8.0 est un changement beaucoup plus important que f/2.8-f/8.0 .

ASTIGMATISME :LIGNES SAGITTALES contre LIGNES MÉRIDIONALES

Traits pointillés ou lignes pleines . À ce stade, vous vous demandez probablement :pourquoi afficher la MTF pour les paires de lignes sagittales ("S") et méridiennes ("M") ? Ne serait-ce pas les mêmes ? Oui, au centre direct de l'image, ils sont toujours identiques. Cependant, les choses deviennent plus intéressantes au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre. Chaque fois que les lignes pointillées et pleines commencent à diverger, cela signifie que la quantité de flou n'est pas la même dans toutes les directions. Cet artefact réduisant la qualité est appelé "astigmatisme ," comme illustré ci-dessous :

Sélectionner le type d'aberration :

Astigmatisme :MTF en S> M

Astigmatisme :MTF en M> S

Pas d'astigmatisme :MTF en M=S

Déplacez votre souris sur les étiquettes de l'image vers la droite pour voir l'effet de l'astigmatisme.
S =lignes sagittales, M =lignes méridiennes
Remarque :Techniquement, le S ci-dessus aura un MTF légèrement meilleur car il est plus proche du centre de l'image ; cependant, pour les besoins de cet exemple, nous supposons que M &S occupent des positions similaires.

Lorsque la MTF en S est supérieure à celle en M, les objets sont flous principalement le long des lignes rayonnant à partir du centre de l'image. Dans l'exemple ci-dessus, les points blancs semblent s'étirer vers l'extérieur à partir du centre de l'image, presque comme s'ils avaient un flou de mouvement. De même, les objets sont flous dans la direction opposée (circulaire) lorsque la MTF en M est supérieure à celle en S. Beaucoup d'entre vous lisant ce tutoriel en ce moment pourraient même utiliser des lunettes qui corrigent un astigmatisme...

Note technique :Avec les objectifs grand angle, les lignes M sont beaucoup plus susceptibles d'avoir un MTF inférieur que les lignes S, en partie parce qu'elles tentent de préserver une projection d'image rectiligne. Par conséquent, à mesure que l'angle de vue s'élargit, les sujets proches de la périphérie deviennent progressivement plus étirés/déformés dans des directions s'éloignant du centre de l'image. Un objectif grand angle avec une distorsion en barillet importante peut donc obtenir une meilleure MTF puisque les objets à la périphérie sont beaucoup moins étirés qu'ils ne le seraient autrement. Cependant, il s'agit généralement d'un compromis inacceptable avec la photographie d'architecture.

Dans les graphiques MTF pour le zoom Canon par rapport à l'objectif principal d'avant, les deux objectifs commencent à présenter un astigmatisme prononcé sur les bords de l'image. Cependant, avec l'objectif principal, quelque chose d'intéressant se produit :le type d'astigmatisme s'inverse lorsque l'on compare l'objectif à f/1,4 par rapport à f/8,0. À f/8,0, l'objectif est principalement flou dans la direction radiale, ce qui est courant. Cependant, à f/1,4, l'objectif principal floute principalement dans une direction circulaire, ce qui est beaucoup moins courant.

Que signifie l'astigmatisme pour vos photos ? La plus grande implication, autre que l'apparence unique, est probablement que les outils d'affûtage standard peuvent ne pas fonctionner comme prévu. Ces outils supposent que le flou est égal dans toutes les directions, de sorte que vous pourriez finir par trop accentuer certains bords, tout en laissant d'autres bords encore flous. L'astigmatisme peut également être problématique avec des photos contenant des étoiles ou d'autres sources lumineuses ponctuelles, car cela rendra le flou asymétrique plus apparent.

MTF &OUVERTURE :TROUVER LE "SWEEET SPOT" D'UN OBJECTIF

Le MTF d'un objectif augmente généralement pour des ouvertures successivement plus étroites, puis atteint un maximum pour des ouvertures intermédiaires, et enfin diminue à nouveau pour des ouvertures très étroites. La figure ci-dessous montre le MTF-50 pour différentes ouvertures sur un objectif de haute qualité :

L'ouverture correspondant à la MTF maximale est ce que l'on appelle le "sweet spot" d'un objectif, car les images auront généralement la meilleure netteté et le meilleur contraste avec ce réglage. Sur un appareil photo plein format ou à capteur recadré, ce sweet spot se situe généralement entre f/8.0 et f/16, selon l'objectif. L'emplacement de ce sweet spot est également indépendant du nombre de mégapixels de votre appareil photo.

Notes techniques :

• Aux grandes ouvertures, la résolution et le contraste sont généralement limités par les aberrations lumineuses.
  Une aberration se produit lorsque la conception imparfaite de l'objectif fait qu'une source lumineuse ponctuelle de l'image ne converge pas vers un point du capteur de votre appareil photo.
• Aux petites ouvertures, la résolution et le contraste sont généralement limités par la diffraction.
  Contrairement aux aberrations, la diffraction est une limite physique fondamentale causée par la diffusion de la lumière, et n'est pas nécessairement due à la conception de l'objectif.
• Les objectifs de haute et basse qualité sont donc très similaires lorsqu'ils sont utilisés à de petites ouvertures
  (comme f/16-32 sur un capteur plein format ou recadré).
• Les objectifs de haute qualité se distinguent vraiment par les grandes ouvertures, car les matériaux et l'ingénierie de l'objectif sont beaucoup plus importants. En fait, un objectif parfait n'aurait même pas de « sweet spot »; l'ouverture optimale serait simplement grande ouverte.

Cependant, il ne faut pas conclure que le réglage d'ouverture optimal est complètement indépendant de ce qui est photographié. Le point idéal au centre de l'image peut ne pas correspondre à l'endroit où les bords et les coins de l'image sont les plus beaux ; cela nécessite souvent d'aller à une ouverture encore plus étroite. De plus, tout cela suppose que votre sujet est parfaitement au point; les objets en dehors de la profondeur de champ amélioreront probablement encore la netteté même lorsque votre f-stop est plus grand que le soi-disant sweet spot.

COMPARER DIFFÉRENTES MARQUES D'APPAREILS PHOTO ET D'OBJECTIFS

Un gros problème avec le concept MTF est qu'il n'est pas standardisé. Comparer différents graphiques MTF peut donc être assez difficile, voire impossible dans certains cas. Par exemple, les cartes MTF de Canon et Nikon ne peuvent pas être directement comparées, car Canon utilise des calculs théoriques tandis que Nikon utilise des mesures.

Cependant, même si l'on effectuait ses propres tests MTF, il rencontrerait toujours des problèmes. Un graphique MTF auto-exécutable typique représente en fait le MTF total net du système optique de votre caméra — et non la MTF de l'objectif seul. Ce MTF net représente le résultat combiné de l'objectif, du capteur de l'appareil photo et de la conversion RAW, en plus de tout accentuation ou autre post-traitement. Les mesures MTF varieront donc en fonction de l'appareil photo utilisé pour la mesure ou du type de logiciel utilisé dans la conversion RAW. Il est donc uniquement pratique de comparer des graphiques MTF qui ont été mesurés à l'aide de méthodologies identiques.

Capteurs recadrés ou plein format . Il faut être très prudent lors de la comparaison des graphiques MTF entre les caméras avec différentes tailles de capteur. Par exemple, une courbe MTF à 30 LP/mm sur un appareil photo plein format n'est pas équivalente à une courbe MTF différente de 30 LP/mm sur un capteur recadré 1,6X. Le capteur recadré devrait plutôt afficher une courbe à 48 LP/mm pour une comparaison équitable, car le capteur recadré s'agrandit davantage lorsqu'il est imprimé dans la même taille.

La diversité des tailles de capteurs est la raison pour laquelle certains ont commencé à répertorier la fréquence de ligne en termes de hauteur d'image ou d'image (LP/PH ou LP/IH), par opposition à l'utilisation d'une unité absolue comme le millimètre. Une fréquence de ligne de 1 000 LP/PH, par exemple, a le même aspect pour une taille d'impression donnée, quelle que soit la taille du capteur de l'appareil photo. On pourrait penser qu'une partie de la raison pour laquelle les fabricants continuent d'afficher des diagrammes MTF à 10 et 30 LP/mm pour DX, EF-S et d'autres objectifs de capteur recadrés est que cela améliore l'apparence de leurs diagrammes MTF.

LIMITES DU GRAPHIQUE MTF

Bien que les diagrammes MTF soient un outil extrêmement puissant pour décrire la qualité d'un objectif, ils ont encore de nombreuses limites. En fait, un graphique MTF ne dit rien sur :

• Qualité des couleurs et aberrations chromatiques
• Déformation de l'image
• Vignettage (atténuation de la lumière vers les bords d'une image)
• Susceptibilité à la lumière parasite de l'appareil photo

De plus, d'autres facteurs tels que l'état de votre équipement et la technique de votre appareil photo peuvent souvent avoir beaucoup plus d'impact sur la qualité de vos photos que de petites différences dans le MTF. Certains de ces facteurs de réduction de la qualité peuvent inclure :

• Précision de mise au point
• Bougé de l'appareil photo
• De la poussière sur le capteur numérique de votre appareil photo (voir le tutoriel sur le nettoyage du capteur de l'appareil photo)
• Micro-abrasions, humidité, traces de doigts ou autres revêtements sur votre objectif

Plus important encore, même si les graphiques MTF sont des outils étonnamment sophistiqués et descriptifs - avec beaucoup de bonnes données scientifiques pour les étayer - en fin de compte, rien ne vaut simplement l'inspection visuelle d'une image à l'écran ou sur une impression. Après tout, les images sont faites pour être regardées, c'est donc tout ce qui compte vraiment à la fin de la journée. Il peut souvent être assez difficile de discerner si une image sera meilleure sur un autre objectif basé sur un MTF, car il y a généralement de nombreux facteurs concurrents :contraste, résolution, astigmatisme, ouverture, distorsion, etc. Un objectif est rarement supérieur dans tous ces domaines. aspects à la fois. Si vous ne pouvez pas faire la différence entre les prises de vue avec différents objectifs utilisés dans des situations similaires, les écarts de MTF n'ont probablement pas d'importance.

Enfin, même si la MTF d'un objectif est effectivement inférieure à celle d'un autre, la netteté et l'amélioration du contraste local peuvent souvent rendre cet inconvénient imperceptible sur une impression, tant que la différence de qualité d'origine n'est pas trop importante.