Qu’est-ce que la diffraction des lentilles ?

Lorsque les photographes parlent de diffraction de l’objectif, ils signifient le fait qu’une photographie devient progressivement moins nette à de petites valeurs d’ ouverture – f / 16, f / 22, etc. Lorsque vous vous arrêtez à l’objectif jusqu’à de si petites ouvertures, les détails les plus fins de vos photos commencent à s’estomper. Cet effet peut à juste titre préoccuper les photographes débutants.

Qu’est-ce que la diffraction des lentilles ?

Cependant, si vous comprenez l’impact de la diffraction sur vos photos, vous pouvez prendre des décisions éclairées et prendre les photos les plus nettes possibles sur le terrain. Dans cet article, nous explorerons en détail le sujet de la diffraction des lentilles et parlerons des différentes techniques que vous pouvez utiliser pour l’éviter.

Les effets de la diffraction – que sa netteté diminue à des ouvertures de plus en plus petites – sont illustrés dans la comparaison suivante. Notez que ce sont des cultures assez extrêmes:

<(Pour voir plus clairement les différences de netteté, cliquez sur l’image. Faites particulièrement attention au motif de points colorés sur le visage de la femme.)

La raison pour laquelle cela se produit est basée sur les principes de la physique; En bref, à mesure que l’ouverture devient de plus en plus petite, les ondes lumineuses se propagent et s’interfèrent de plus en plus. Cela rend les petits détails de vos photos flous.

Cependant, cette explication est trop simple et peut encore prêter à confusion pour les photographes débutants. Qu’est-ce qui, physiquement, cause la diffraction? À quel moment la diffraction commence-t-elle à brouiller les photographies? Puis-je faire quelque chose pour éviter la diffraction? Les lentilles coûteuses contrôlent-elles mieux la diffraction? Les réponses à toutes ces questions seront expliquées en détail ci-dessous.

1) Qu’est-ce que la diffraction?

Lors de l’explication de la diffraction, il peut être difficile de franchir la ligne entre éviter et englober les références à la physique optique. La plupart des photographes s’intéressent aux connaissances quotidiennes plutôt qu’aux informations de base, mais il est impossible de parler de diffraction sans décrire son fonctionnement à un niveau fondamental. Cela dit, cette section est censée être compréhensible même si vous n’êtes pas physique; Nous vous recommandons de le lire, car il vous fournira une base plus solide pour comprendre la diffraction.

Dans sa forme la plus élémentaire, la diffraction est le concept selon lequel les ondes – y compris les ondes lumineuses – peuvent interférer les unes avec les autres. En fait, chaque fois que les ondes traversent une fente, elles interfèrent . Pour rendre cela facile à visualiser, considérez les vagues de l’eau. Si un rocher tombe dans un lac parfaitement immobile, une vague de petites vagues se formera. Ces ondes s’étalent en cercles concentriques, tout comme l’image ci-dessous:

(Image adaptée de Wikimedia Commons )

Que se passe-t-il si une barrière est créée pour bloquer le passage de ces ondes? Vous arrêteriez simplement leur mouvement. C’est ennuyeux:

(Les vagues sur le côté gauche, bien sûr, continueraient à rebondir; ce n’est pas montré dans ce diagramme.)

Pour le rendre intéressant, alors, un trou est fait dans la barrière pour que l’eau puisse passer. Maintenant, quels types de modèles les vagues créeraient-elles?

 Les vagues ressemblent à ce à quoi vous pourriez vous attendre, bien qu’il existe des modèles supplémentaires qui se forment en dehors de la vague principale:

(Notez que ce diagramme est légèrement simplifié. Dans le monde réel, vous ne verriez le motif exact des vagues sur le côté droit que si les vagues entrantes étaient parfaitement parallèles.)

Ces motifs supplémentaires sont des artefacts de la vague qui se plie autour des coins. Ils surviennent parce que les deux coins agissent essentiellement comme des sources individuelles d’ondes – des ondes qui peuvent se heurter. Dans certaines zones de collision, les ondes s’annulent (interférences destructrices); c’est pourquoi certaines zones du diagramme semblent complètement immobiles. Dans d’autres endroits, cependant, les ondes s’additionnent (interférence constructive), provoquant la formation latérale d’un motif supplémentaire.

Pour visualiser cela, disons qu’il y a un capteur à l’extrême droite du diagramme. Ce capteur mesure l’intensité des ondes en un point donné, qui augmente avec l’amplitude de l’onde. Voici un graphique de l’intensité:

 De toute évidence, le modèle central est le plus significatif. Les motifs d’un côté sont toujours présents, mais ils ne sont pas à peu près de la même intensité que celui du centre. Cela signifie que le motif central est plus significatif sur la photographie, comme nous le verrons dans un instant. Pour l’instant, voyons ce qui se passe avec une grande ouverture par rapport à une ouverture étroite dans la barrière. Notez que les images ci-dessous ont été simplifiées et que seul le motif d’onde central est inclus:

La principale différence entre ces deux images est que l’ouverture plus petite entraîne une plus grande dispersion des ondes, tandis que l’ouverture plus grande entraîne beaucoup moins de dispersion.

Jetez un œil à la comparaison entre les graphiques des deux vagues:

Bien qu’il puisse sembler inhabituel au départ qu’une petite ouverture conduise à une propagation supplémentaire des ondes, les illustrations ci-dessus devraient montrer que cela a un sens logique. Essentiellement, les ouvertures plus grandes permettent aux ondes de passer sans trop d’interférences. Les vagues n’étant pas particulièrement perturbées, elles suivent un chemin relativement droit jusqu’au bord de la piscine. Des ouvertures plus petites, cependant, affectent une vague de manière plus significative, la faisant se plier à des angles plus durs. (Ceci est une légère simplification; pour plus d’informations techniques, je recommande de lire la page Wikipédia sur le principe de Huygens .

Enfin, gardez à l’esprit qu’une “petite” ouverture est relative. En fait, l’ouverture ne provoque la diffraction que lorsqu’elle est de taille similaire à la longueur d’onde qui la traverse. C’est pourquoi la lumière, qui a une minuscule longueur d’onde, ne diffractera pas de manière significative si elle passe à travers une ouverture de dix pieds de large – même si l’océan le fait.

Toutes nos félicitations! Vous comprenez maintenant la physique de la diffraction. Dans sa forme la plus élémentaire, un petit espace fait que les vagues se plient et interfèrent les unes avec les autres; ceci, à son tour, prolonge votre signal.

2) Diffraction en photographie

De toute évidence, la diffraction est un concept important en physique. En fait, une expérience similaire (avec deux fentes au lieu d’une) a joué un rôle important pour prouver que la lumière peut se comporter comme une onde – l’une des découvertes les plus importantes de l’histoire scientifique. Mais comment cela affecte-t-il la photographie de tous les jours?

(Image de Wikimedia Commons )

Tout se résume à l’ouverture d’un objectif. Comme le montre la photographie ci-dessus, les lamelles d’ouverture d’un objectif agissent comme une seule fente qui laisse passer les ondes lumineuses. Un modèle d’intensité lumineuse est exactement ce que vous vous attendez à voir:

Cela m’est familier! C’est parce que la lumière, semblable à l’eau, se déplace par vagues. (Image de Wikimedia Commons .)

Ceci, cependant, est un graphe bidimensionnel. Dans le monde réel, un point de lumière est projeté en trois dimensions. Par conséquent, un graphique plus précis apparaît ci-dessous:

(Image de Wikimedia Commons .)

Ce motif tridimensionnel se produit chaque fois que la lumière brille à travers l’ouverture de l’objectif de la caméra. Lorsqu’il est projeté sur le capteur de la caméra, cela ressemble à ceci:

(Image de Wikimedia Commons .)

La figure ci-dessus montre ce que l’on appelle un disque Airy. Il s’agit simplement de l’apparence d’un motif de diffraction lorsqu’il frappe le capteur de votre appareil photo. La région centrale est la plus lumineuse et a le plus d’effet sur vos photos.

Il n’est pas difficile de comprendre pourquoi ce disque Airy peut rendre une photographie floue. On sait déjà qu’une petite ouverture – ou, une petite ouverture – provoque l’étalement des vagues. Cela signifie que, dans les petites ouvertures, le disque Airy devient beaucoup plus grand. Si vous pouvez imaginer le disque Airy frapper le capteur de votre caméra, vous obtiendrez une image comme celle-ci, où la grille représente les pixels de votre capteur:

(Notez que le disque Airy s’assombrit à mesure que l’ouverture se rétrécit; pour simplifier le diagramme, cet effet n’est pas montré ici.)

Pensez maintenant à une scène comme étant composée d’innombrables minuscules sources de lumière. Chaque petit point de lumière traverse l’ouverture de votre objectif; En conséquence, chaque partie de votre photo est projetée sur votre capteur comme un disque Airy. Celles-ci, comme indiqué ci-dessus, deviennent plus floues à de petites valeurs d’ouverture. C’est la raison pour laquelle vous voyez de la diffraction!

3) Élevé vs. caméras à faible mégapixel

La comparaison ci-dessus, qui montre un disque Airy frappant les pixels de son capteur, pourrait soulever une question: si les pixels étaient plus grands , le disque Airy ne serait-il pas moins susceptible de saigner?

En fait, c’est tout à fait vrai! Les grands pixels – ceux qui sont plus grands que le disque Airy – ne montrent pas de diffraction aux mêmes ouvertures qu’une caméra à petits pixels. Peut-être que vous pouvez vous arrêter aussi bas que f / 11 sur le Nikon D700 12 mégapixels avant de remarquer une diffraction, tandis que le D800 / D810 de 36 mégapixels afficherait une diffraction visible à toute ouverture inférieure à f / 5,6. Cependant, ces chiffres ne sont pas gravés dans la pierre; Je recommande de tester votre propre appareil photo pour voir quand la diffraction commence à être perceptible (et plus important encore, quand elle commence à devenir répréhensible).

Cependant, ce n’est pas un problème avec les capteurs haute résolution. En fait, si tous vos paramètres sont identiques, un capteur haute résolution capturera toujours plus de détails qu’un capteur basse résolution de même taille. Plus de pixels ne conduiront jamais à des détails inférieurs, même aux plus petites ouvertures. Cela signifie que si vous imprimez vos photos dans la même taille, une photo Nikon D800 / D810 aura toujours plus de détails qu’un Nikon D700, tout le reste est identique.

Cela dit, si vous achetez le Nikon D800 / D810, vous voudrez probablement imprimer en grand ou en pixel-peep. Si tel est le cas pour vous, la diffraction est absolument un problème plus important qu’il ne l’aurait été avec un capteur basse résolution! Pour obtenir la meilleure netteté possible d’un D800 / D810, vous devez faire attention si votre ouverture est inférieure à f / 8. Encore une fois, je vous recommande de vérifier vous-même les limites exactes de votre appareil photo.

 NIKON D800E + 105 mm f / 2,8 à 105 mm, 100 ISO, 1/3, f / 7,1

4) Petits ou grands capteurs

On dit souvent que les appareils photo à capteur de récolte (c’est-à-dire les appareils photo Nikon DX) montrent plus facilement la diffraction que les appareils photo plein format (Nikon FX). Est-ce un mythe ou est-ce vrai?

Commençons par ce que nous savons. À une ouverture donnée dans un objectif, le disque Airy aura toujours la même taille physique. Peu importe le capteur utilisé; c’est une propriété de la physique qui ne dépend que de l’ouverture elle-même. Par exemple, si je fixe un objectif 50 mm f / 1,8 au D750 à monture complète ou au capteur de récolte D3300, la taille de projection de votre disque Airy sera identique (en supposant la même ouverture).

Alors, où est la confusion? Le problème vient du fait que le même disque Airy occupe un plus grand pourcentage d’une caméra à capteur de récolte qu’une caméra plein format. Jetez un œil à l’exemple ci-dessous:

En fait, à la même taille d’impression, une caméra DX affichera plus de diffraction qu’une caméra FX. C’est parce que le capteur DX est essentiellement une découpe du capteur FX; En d’autres termes, il magnifie tout dans votre photographie – y compris la diffraction – ainsi que le découpage en post-production.

La quantité de diffraction supplémentaire est la même que votre facteur de culture. Donc, pour un appareil photo à capteur de recadrage 1,5x, multipliez votre ouverture par 1,5 pour voir la diffraction équivalente sur un appareil photo plein format. Par exemple, le disque Airy à f / 11 sur un appareil photo DX occupe à peu près le même pourcentage de son capteur que le disque Airy à f / 16 sur un appareil photo plein format.

Bien sûr, si vous utilisez un appareil photo DX, il se peut qu’il n’imprime pas aussi grand qu’avec un appareil photo FX. Pour de nombreux photographes, il n’y a donc pas de différence pratique; les plus petites impressions d’une caméra DX annulent la diffraction supplémentaire. Si vous imprimez en grand avec un appareil photo DX, sachez que la diffraction sera plus importante à une ouverture donnée.

 NIKON D7000 + 24 mm f / 1,4 à 24 mm, 100 ISO, 1/250, f / 5,6

5) Diffraction et profondeur de champ

La diffraction diminue la netteté d’une photographie à de petites ouvertures. Cependant, en même temps, de petites ouvertures augmentent la profondeur de champ d’une photographie. Ce n’est pas une contradiction, même si cela peut prêter à confusion au début. Voir, par exemple, la comparaison suivante:

Comme vous pouvez le voir, la photo f / 22 a beaucoup plus de scène dans sa profondeur de champ. Si je veux que tout ce sujet soit net, c’est bien mieux que la photographie à f / 5,6. Cependant, regardons de plus près le point de mise au point:

Comme vous pouvez le voir, la photo f / 5,6 est beaucoup plus nette. (Cliquez sur l’image pour la voir plus clairement.)

Ceci, bien sûr, ne signifie pas que vous devez prendre toutes les photos à f / 5,6. Si vous avez besoin d’une grande profondeur de champ, n’hésitez pas à utiliser des ouvertures plus petites; parfois cela vaut la peine de réduire légèrement la netteté par diffraction.

6) Choisissez l’ouverture la plus nette

Il y a toujours une diffraction à chaque ouverture de votre objectif. Cela doit être vrai; la lumière doit toujours se plier à travers une ouverture, même si elle est très grande. Cependant, à de grandes ouvertures comme f / 2,8 ou f / 4, le disque Airy est beaucoup plus petit que les pixels de votre photo. Cela signifie que la diffraction est pratiquement impossible à voir à des ouvertures aussi grandes.

Cependant, cela ne signifie pas que les grandes ouvertures sont les plus nettes sur un objectif donné. Comme vous le savez probablement, un objectif a tendance à être à son point le plus net lorsque son ouverture s’arrête légèrement vers le bas. Par exemple, mon objectif 20 mm f / 1,8 est plus net au centre à f / 4. Voici un tableau de netteté pour un tel objectif:

Alors pourquoi le pic est-il à une ouverture de f / 4 au lieu de f / 1,8? Cela dépasse un peu le cadre de cet article, mais l’essentiel est que – à des ouvertures plus grandes – plus de lumière se propage à travers les bords d’un objectif. Comme le centre d’un objectif est la meilleure région corrigée, cela diminue la netteté de la photographie (et augmente son aberration sphérique ). Une ouverture plus petite bloque en fait la lumière qui a traversé les bords d’un objectif, améliorant ainsi la netteté d’une photo.

Cet effet, équilibré avec une netteté de diffraction réduite, est la raison pour laquelle f / 4 donne la netteté la plus nette sur un objectif comme le 20 mm f / 1,8.

Comment savoir quelle est l’ouverture la plus nette de l’objectif? Regardez simplement les résultats des tests en ligne. Cependant, ne vous inquiétez pas trop de toujours photographier à l’ouverture “parfaite”. D’une part, même ces résultats de test peuvent être ambigus. Dans le tableau ci-dessus, par exemple, les coins de l’objectif sont en fait plus nets à f / 8. Par conséquent, selon le sujet, vous préférerez peut-être des coins plus nets plutôt qu’un centre aussi net que possible.

Dans le même temps, même les ouvertures sous-optimales ne sont pas terriblement floues. J’ai fait de grands tirages de photographies prises à f / 16, et leur qualité est plus que suffisante pour mes besoins. Si vous avez besoin d’une ouverture comme celle-ci – généralement pour augmenter votre profondeur de champ – n’ayez pas peur de l’utiliser.

(Si vous avez besoin de la plus grande profondeur de champ possible dans une photographie, comme de nombreux photographes de paysage, je vous recommande de lire sur la distance hyperfocale . Il existe de nombreuses similitudes entre ces deux propriétés de la photographie.)

 NIKON D800E + 24 mm f / 1,4 à 24 mm, 100 ISO, 6/10, f / 16,0

7) Évitez la diffraction

Maintenant que vous comprenez la diffraction, comment vous assurez-vous de l’éviter dans vos photographies? Malheureusement, la réponse est que vous ne pouvez pas. La diffraction est le résultat de la physique. Peu importe la qualité de votre objectif; la diffraction volera la netteté à des ouvertures plus petites, quoi qu’il arrive.

Bien que les lois de la physique ne puissent être contournées, il existe un moyen d’éviter la diffraction sur les photographies: utilisez une ouverture plus grande. Si vous avez besoin de la photographie la plus nette, c’est le seul moyen d’éviter les effets de diffraction. Photographier une scène qui nécessite une grande profondeur de champ? Essayez une ouverture de f / 5,6 ou f / 8, où la diffraction est minimale.

En même temps, si vous avez utilisé une petite ouverture (par exemple, f / 16 ou f / 22), vous pouvez améliorer les détails apparents d’une photo en accentuant la netteté lors du post-traitement . Cela n’élimine pas les effets de diffraction, mais c’est un moyen simple d’améliorer les photos prises à de petites ouvertures.

En théorie, il est possible de corriger la diffraction par un processus de netteté connu sous le nom de netteté par déconvolution. Ce type de netteté est plus efficace lorsque vous avez un modèle parfait de l’objectif en question, y compris ses caractéristiques optiques exactes.

Pour cette raison, la netteté de déconvolution générique ne réduit pas les effets de diffraction à un degré significatif; cependant, la NASA est connue pour utiliser une telle méthode pour améliorer la netteté des photographies du télescope Hubble. (Certains fabricants d’appareils photo, y compris Pentax, peuvent avoir une option de menu de réduction de la diffraction; cependant, ce n’est rien de plus qu’un masque de flou standard cuit dans votre fichier RAW.) Si vous voulez essayer la netteté par déconvolution, augmentez Curseur «Détails» autant que possible dans Lightroom et Camera Raw.

Cependant, bien que vous puissiez affiner vos photos en post-traitement, la meilleure façon de réduire la diffraction est d’utiliser simplement une ouverture plus grande.

Dernière lumière sur le demi-dôme NIKON D7000 + 105 mm f / 2,8 à 105 mm, 100 ISO, 1/40, f / 6,3

8) Informations complémentaires

L’ouverture est un problème technique, tout comme l’interaction entre la lumière et le capteur de l’appareil photo. Certaines des informations ci-dessus sont présentées comme un scénario de cas ennuyeux, et la réalité peut être légèrement plus complexe. La plupart des informations suivantes n’affecteront pas l’apparence réelle de vos photos, mais certains de ces cas particuliers méritent d’être traités.

Par exemple, la lumière avec de longues longueurs d’onde diffractera plus facilement que la lumière avec des longueurs d’onde plus courtes; cela signifie que la lumière rouge (avec une longueur d’onde d’environ 650 nm) conduit à un disque Airy plus grand que la lumière bleue (environ 475 nm) à la même ouverture. Ainsi, en théorie, vous verrez un peu moins de flou de diffraction si vous travaillez dans une lumière extrêmement bleue; En pratique, cet effet est suffisamment petit pour avoir peu d’impact sur vos photos.

De plus, dans la plupart des caméras, les pixels combinés pour prendre une photo ne détectent pas toutes les mêmes longueurs d’onde de lumière. Pour les capteurs avec une matrice de pixels Bayer (y compris les appareils photo reflex numériques / sans miroir Nikon, Canon et Sony), le nombre de pixels de détection verts est le double du nombre de pixels rouges et bleus. Cela signifie que le diagramme de pixels présenté ci-dessus est une légère simplification; cependant, cela ne change pas le fait que le flou de diffraction augmente en raison de la taille du disque Airy.

Enfin, la représentation du disque Airy dans cet article est un peu plus simple qu’elle n’apparaîtrait dans le monde réel. Ci-dessus, je l’ai montré comme une série d’anneaux concentriques; en réalité, cependant, cela ne se produirait que si l’ouverture était parfaitement circulaire. La plupart des objectifs ont sept, huit ou neuf lamelles d’ouverture qui (même lorsqu’elles sont courbées) ne sont pas exactement des cercles. Ainsi, le «disque Airy» devient un «octogone Airy». Cependant, il n’y a aucune différence pratique dans l’apparence de la diffraction dans vos photographies; vos photos seront aussi floues que si elles s’arrêtaient sur le sujet.

Si vous avez des questions sur les points les plus fins de la diffraction, n’hésitez pas à poser une question dans la section commentaires; un seul article est trop court pour expliquer tout ce qu’il y a à savoir sur un sujet aussi complexe.

Chutes de la plage NIKON D7000 + 17 à 55 mm f / 2,8 à 55 mm, 100 ISO, 1/250, f / 5,6

9) Conclusion

Compte tenu de toutes ces mises en garde techniques, la diffraction peut sembler un sujet inhabituel à discuter. Cependant, ses effets sont clairs et significatifs sur vos photos et méritent d’être pris en compte lors de la prise de photos. Surtout pour les photographes de paysage et d’architecture – ou pour tous ceux qui souhaitent prendre des photos nettes avec une grande profondeur de champ – il est important de comprendre les avantages et les inconvénients de la prise de vue avec une petite ouverture.

La diffraction est présente dans toutes vos photographies, et si vous ne faites pas attention, cela peut voler un peu de netteté à vos images préférées. Cependant, une fois que vous voyez ses effets en pratique, la diffraction deviendra une seconde nature.