Sociaux et recherche

24 avr. 2013

Aberration Chromatique en photo: définition et correction

objectif aberration chromatique arc en ciel

Avec l’avènement des capteurs à grande densité de pixels les défauts des objectifs sont de plus en plus visibles, notamment les aberrations chromatiques.
Nous allons ici expliquer la notion d'aberration chromatique et voir comment elle peuvent être réduites par la conception de l'objectif et corrigées par un logiciel de retouche photo.




Résumé de l'article

Qu'est qu'une aberration chromatique ?
Les aberrations chromatiques sont des défauts de l'image matérialisés par des couleurs floues et des petites franges colorées que l'on remarque autour des zones très contrastées d'une photo.

A quoi sont-elles dues ?
Au fait qu'en fonction de sa couleur un rayon lumineux est projeté différemment par l'objectif sur le capteur.

Un objectif peut il réduire les aberrations chromatiques ?
Oui, il y a des technologies de fabrication qui limitent le phénomène, on parle d'objectif achromatique et apochromatique.

Peut on corriger ces aberrations par logiciel ?
Oui, des logiciels tels que Lightroom ou DxO Optics ont des modules spécialement dédiés pour supprimer les franges de couleur.

De quoi dépend la taille des aberrations chromatiques ?
Le flou augmente lorsque l'on ouvre le diaphragme
La taille des franges colorées augmente si l'on augmente la longueur focale




Exemples d'aberrations chromatiques


Avant d'entrer dans les détails techniques, quelques exemples d'aberrations chromatiques.
Ce sont des crops de photos réalisées avec un D800 et des objectifs Nikkor 85mm f/1.8 et 50mm f/1.4

exemples aberrations chromatiques
Exemples d'aberrations chromatiques (cliquez pour agrandir)


Vous constaterez que les aberrations sont surtout visibles dans les zones très contrastées (transitions entre des zones sombres et très lumineuses) et qu'elles sont relativement petites, en moyenne moins de 10µm, soit quelques pixels.



Origine des aberrations chromatique


Le nom est explicite, c'est une histoire chromatique, de couleur donc.

Rappelez vous l’expérience du prisme que vous avez sans doute vue au collège ou au lycée, une lumière blanche qui traverse un prisme en verre forme en sortie un magnifique arc en ciel:

prisme - arc en ciel
Séparation de la lumière blanche par un prisme

Ceci est du au fait que:

  • La lumière blanche est composée de toutes les couleurs, chacune ayant sa propre longueur d'onde:
spectre visible - longueur d'onde
Spectre du visible et longueurs d'onde
  • L'indice de réfraction du prisme (et donc l'angle de sortie d'un rayon) dépend de la longueur d'onde de la lumière.


Un objectif photo produit le même phénomène: il y a séparation des couleurs au niveau de la lumière qui arrive sur le capteur.


Sur une photo, le phénomène se traduit par deux défauts:

  • Même si la mise au point est faite sur lui, un point serra flou au niveau du capteur, on parle d'aberration chromatique latérale:
Aberration chromatique laterale
Aberration chromatique latérale


  • Les points derrière la distance de map auront des franges rouges, les points devant la zone de mise au point auront des franges violettes, on parle d'aberration chromatique longitudinale:
Aberration chromatique longitudinale
Aberration chromatique longitudinale


La démonstration est faite dans le dernier paragraphe, mais sachez que:

  • Les aberrations chromatiques latérale (le flou) augmentent lorsque l'on ouvre le diaphragme
  • Les aberrations chromatiques longitudinales (les franges colorées) augmentent quand on augmente la longueur focale de l'objectif.



Réduction des aberrations chromatique au niveau de l'objectif


Conscients de ce problèmes, les fabricants d'objectif on mis au point des procédés qui permettent de limiter les dégâts. Au début ils utilisaient des lentilles en fluorite mais la mauvaise tenue des performances dans le temps a conduit à de nouvelle technos, telles que le verre UD chez Canon ou ED chez Nikon.

On a principalement deux familles d'objectifs:

  • Objectif achromatique: les aberrations sont réduites pour 2 couleurs: bleu/violet et vert/jaune
  • Objectif apochromatique: les aberrations sont réduites pour les 3 couleurs primaires: rouge, vert et bleu.

Ci dessous l'écart du foyer focale de chaque couleur en fonction du type d'objectif, les couleurs à gauche du 0 ont un foyer avant le capteur, les couleurs à droite du 0 ont leur foyer derrière le capteur, le moindre décalage se traduisant par un flou à l'image.

Decalage distance focale objectif
Décalage de la distance focale pour différents types d'objectif

Pour vous aider dans votre choix d'objectif j'ai listé l'ensemble des sigles utilisés par les fabricants d'objectif photo, vous pourez ainsi voir ceux qui sont concus pour éviter les aberrations chromatiques.



Suppression des aberrations chromatiques en post traitement


 Les logiciels de retouche photo corrigent les aberrations chromatiques selon deux méthodes:

  • En connaissant les défauts de l'objectif, on peut ainsi appliquer une correction inverse
  • En détectant les aberrations directement sur la photo

Pour l’exemple  (photo d'une mire de test d'autofocus)je me base sur Lightroom, le module de réduction des franges permet de définir précisément leurs couleurs et de moduler l'amplitude de la correction.

Ci dessous un exemple à la mode avant/après

Lightroom correction aberration chromatique
Correction des aberrations chromatiques avec Lightroom


Ces outils sont très performants, après traitement les aberrations sont quasi invisibles.



Influence de l'ouverture du diaphragme et de la longueur focale sur les aberrations chromatiques


L'idée est de faire 2-3 calculs d'optique pour comprendre le rôle de l'ouverture et de la focale.


Représentation du système optique


On simplifie l'ensemble optique comme suit:

Schema aberration chromatique
Schéma de principe du phénomène d'aberration chromatique

Avec:

  • R le rayon de l'ouverture du diaphragme
  • r le rayon du flou au niveau du capteur
  • fv, fj et fr les foyers focaux des couleurs violet, jaune et rouge
  • Δf l'écart entre les foyers extrêmes: violet et rouge

On considère que le jaune (dans le milieu du spectre) a son foyer focale au niveau du capteur, la longueur focale de l'objectif f est donc égale à fj.
r représente le rayon de l'aberration chromatique latérale
Δf représente la taille de l'aberration chromatique longitudinale.

On lie foyer focale d'une couleur et indice de réfraction avec la formule: 1 f =A×(n-1)
où n est l'indice de réfraction et A une constante propre à la lentille (une représentation simplifiée de l'objectif).


Calcul de la taille de l'aberration chromatique longitudinale


Avec un peu d'optique géométrique et beaucoup d'aspirine on calcul: Δf f = fr-fv fj = 1 nr-1 - 1 nv-1 1 nj-1 nv-nr nj-1 d'où: Δff× nv-nr nj-1 


Ainsi: l'aberration chromatique longitudinale augmente quand la longueur focale de l'objectif augmente.


Calcul de la taille de l'aberration chromatique latérale


Avec les mêmes formules on a cette fois: r R = fr-fj fr = 1- nr-1 nj-1 Et donc: r=R×(1- nr-1 nj-1 ) Ainsi: l'aberration chromatique latérale augmente quand l'ouverture de l'objectif augmente.



Liens


Un cours en ligne avec des animations bien faites
DxO vous parles des aberrations chromatiques



Dernière mise à jour le:
par Pierre LPEF