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Qu’est-ce que la diffraction en photographie ?

samedi 2 janvier 2010

En photographie, l’impact de la diffraction n’est pas toujours facile à cerner. Regardons en détail pourquoi la diffraction qui est un phénomène toujours présent, quelle que soit l’ouverture du diaphragme, ne devient réellement gênant que sur les petits nombres d’ouverture

Principe de la diffraction

Fig. 1. L’effet de la diffraction se traduit par des transitions plus floues sur l’éclairement du capteur. La diffraction est difficilement mesurable dans l’absolu, car ses effets se mélangent aux autres causes de perte de piqué.

La diffraction est une perturbation qui affecte les ondes lumineuses lorsque celles-ci passent à proximité d’un obstacle opaque. La diffraction est une entorse à la règle qui veut que les ondes lumineuses se propagent en ligne droite, car elle va opérer une redistribution du rayonnement dans la proximité de l’obstacle. La diffraction peut être comparée à une réémission de la lumière comme si elle cherchait à contourner l’obstacle.

Fig. 2. Seuls les rayons passant à proximité de l’obstacle subissent un désordre qui se traduit par une redistribution des rayons dans toutes les directions.

Diffraction dans le diaphragme de l’objectif

Fig. 3. Même à pleine ouverture (f/1) la diffraction est toujours là, mais n’affectant que les rayons en bordure, la proportion de rayons diffractés est très faible par rapport au reste du rayonnement qui traverse le diaphragme. L’effet de la diffraction s’estompe progressivement en s’éloignant des bords.

A grande ouverture, le flux lumineux touché par la diffraction se trouve en quelque sorte noyé dans l’important flux lumineux non perturbé qui passe au centre du diaphragme. Par contre, ses effets vont devenir de plus en plus visibles lorsque l’ouverture se rétrécit, car la petite quantité de flux perturbés par la diffraction se trouve en proportion de plus en plus importante par rapport au reste du flux et commence à montrer ses effets indésirables.

L’impact de la diffraction sur le capteur

Fig. 4. Les effets de la diffraction se font sentir dans la zone d’éclairement (le capteur) par un amollissement des transitions (perte de contraste). Cet amollissement se traduit par une fonction périodique appelée "figure de Airy". Les photographes astronomes prennent en compte une grande partie de la fonction du disque d’Airy alors que la pratique "standard" en photographie ne prend en compte que le premier dégradé de la tache centrale, c’est à dire des contrastes supérieurs à 4 stops.

Fig. 5. La perte de résolution, c’est-à-dire la disparition des transitions les plus fines est peu impactée par la diffraction, par contre la perte de contraste même sur les transitions les plus larges est fortement affectée par la diffraction.

Prise en compte du filtre de Bayer

Plus on ferme le diaphragme, plus les effets de la diffraction vont s’étaler dans des zones de transitions de plus en plus larges. Le moyen le plus pratique pour évaluer l’impact de la diffraction est de compter le nombre de photosites sur lesquels s’étale le flou de diffraction. Mais plutôt que de prendre en compte ce nombre de photosites, il est plus pertinent de prendre en compte le nombre de pixels de l’image finale sur lesquels s’étale le flou de transition. En d’autres termes, il faut prendre en compte l’effet du dématriçage sur la résolution de l’image. Un pixel d’image étant la résultante de l’action de 4 photosites interpolés, il est couramment admis que l’interpolation apporte une perte de résolution d’un facteur de 1,2. Par exemple le capteur du Nikon D700 dont l’espacement des photosites mesure réellement 8,45 µm sur le capteur, produit des pixels sur l’image résultante qui ont une dimension légèrement supérieure à 10 µm lorsqu’on rapporte l’image à la résolution du capteur.


Fig. 6. Quand un flou s’étale matériellement sur 3 photosites, il s’étale après dématriçage sur 3 pixels qui correspondent environ à 4 photosites virtuels.

C’est ainsi que si on détecte qu’un flou de diffraction s’étale sur 12 pixels, on en déduit une largeur de 120 µm dans l’exemple du D700. On voit bien ici que la densité de pixels n’a aucune influence sur l’effet de diffraction, car si les photosites du capteur étaient deux fois plus petits on aurait alors un étalement sur 24 pixels de 5 µm, ce qui donne toujours le même étalement de flou sur 120 µm.

Dans le tableau ci-dessus, les largeurs du flou de diffraction sont lissées et arrondies d’après les résultats d’un tableau de valeurs de diffraction plus précis et complet. Les résultats sont arrondis à une longueur d’onde moyenne (0,57 µm) correspondant à la lumière solaire .

Conclusions

Cet article qui aide à mieux cerner l’influence de l’ouverture du diaphragme et de la taille des pixels sur les effets de la diffraction, se poursuit dans un second article "comment évaluer le flou de diffraction", où on va voir comment contrôler l’impact de la diffraction.

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