Sociaux et recherche

29 janv. 2013

La Diffraction en photo

La diffraction est un phénomène physique qui va limiter la netteté de vos photos, cet article explique ses causes et comment calculer la taille du flou induit.
Un calculateur permet de connaitre la taille de la tache de diffraction en µm et en pixel, en fonction de l'ouverture et du capteur.




Résumé de l'article


Qu’est-ce que la diffraction en photo ?
Un flou créé par l’objectif.

Qu’est-ce qui joue sur la taille de ce flou ?
Uniquement l’ouverture de l’objectif : plus elle est faible et plus le flou est grand.

A partir de quelle ouverture la diffraction devient visible ?
Généralement autour de f/11.
Si l’ouverture est plus grande (f/8, f/5.6,..) la diffraction n’est pas gênante.

Comment calculer la taille de la diffraction ?
Diamètre du flou (au niveau du capteur)= 2.44 x 0.54 x Ouverture.
Le résultat est en µm, il vaut mieux le comparer à la taille d’un pixel.





Illustration du phénomène physique


Sans entrer dans les détails, résumons la diffraction à cette définition: "Lorsque de la lumière passe par un petit trou elle est ensuite diffusée en une tache floue."

Pour un appareil photo le petit trou est le diaphragme de l'objectif.
En passant par l'ouverture du diaphragme la lumière va donc se diffuser: un point se transforme en tache floue au niveau du capteur.

diffraction due à l'ouverture de l'objectif
attention: l'illustration n'est pas à l'échelle

La tache floue est en fait constituée de petit anneaux lumineux, leur intensité diminue à mesure que l'on s'éloigne du centre:

forme et luminosité de la tache de diffraction



Calcul de la taille du flou de diffraction


On voit bien que seul le plus petit disque a une grande amplitude lumineuse, les autres sont peu lumineux et peuvent être négligés.

Le schéma suivant permet de comprendre comment calculer la taille de la tache lumineuse:

calcul de la taille de la diffraction

Avec:
  • d: diamètre de l'ouverture du diaphragme
  • f: distance focale
  • R: rayon de la tache lumineuse
  • θ: angle entre le centre de la tache et son bord, à partir du centre du diaphragme

Des physiciens se sont amusé à démontrer que: sin(θ) = 1.22 x λ / d

Avec λ la longueur d'onde de la lumière. Cette formule est assez simple et cerise sur le gâteau elle démontre la dualité onde/corpuscule, joie.

Le diamètre du diaphragme vaut d = f/N avec N l'indice d'ouverture de l'objectif, ainsi: R = f x sin(θ) = f x 1.22 x λ / (f/N) = 1.22 x λ x N

Le diamètre de la tache vaut donc: D = 2 x 1.22 x λ x N.

On utilise couramment λ= 560nm, la longueur d'onde du jaune/vert, couleur que l'oeil voit le mieux.

On peut finalement écrire:

D = 2.44 x 0.56µm x N




Diffraction et ouverture de l'objectif


La diffraction est donc indépendante de la longueur focale, seule l'ouverture de l'objectif entre en jeu.

La valeur du diamètre en µm n'étant pas très parlante, je vous propose de résonner en pixels (je reprends le principe du tableau issue de l'article sur le diaphragme d'un objectif)

Ouverture12Mpx
(aps-c)
24Mpx
(aps-c)
36Mpx
(aps-c)
12Mpx
(full frame)
24Mpx
(full frame)
36Mpx
(full frame)
f/1,40,3px0,5px0,6px0,2px0,3px0,4px
f/20,5px0,7px0,9px0,3px0,5px0,6px
f/2,80,7px1,0px1,2px0,5px0,6px0,8px
f/41,0px1,4px1,7px0,6px0,9px1,1px
f/5,61,4px2,0px2,4px0,9px1,3px1,6px
f/82,0px2,8px3,4px1,3px1,8px2,2px
f/112,7px3,9px4,7px1,8px2,5px3,1px
f/164,0px5,6px6,9px2,6px3,6px4,5px
f/225,5px7,7px9,4px3,5px5,0px6,1px
f/327,9px11,2px13,7px5,2px7,3px8,9px

On peut considérer que le flou devient visible à partir d'un diamètre d'au moins 2 pixels, de toute façon s'il est plus petit c'est le filtre anti aliasing qui limitera le piqué de la photo.
Le graphes ci dessous montre l'ouverture à ne pas dépasser pour ne pas avoir une tache de diffraction plus grande que 2 pixels:

ouverture min et diffraction

L'ouverture limite est d'autant plus grande que le capteur est petit et la résolution élevée.


Parce-que juger le flou au niveau du pixel n'est pas représentatif des conditions normales d’observation  il est intéressant de ramener la diffraction au cercle de confusion, que fixe la taille minimale du flou pour qu'il soit gênant  On se rend alors compte que la diffraction est observable  à partir de f/18 en full frame et f/11 en aps-c.





Calculateur


Cet outil permet de calculer la taille de la tache de diffraction, en µm et en pixel, en fonction de l'ouverture et du capteur.


Calcul de la diffraction

Ouverture:
Type de Capteur:
Résolution du capteur(Mpx):
Diamètre de la tache (µm):
Diamètre de la tache (pixel):



Dernière mise à jour le:
par Pierre LPEF