La diffraction

La diffraction, tout le monde en parle, même nous, mais peu de monde sait exactement de quoi il est question. Le but ici n’est pas de faire un cours sur ce sujet, tout juste d’aborder quelques idées qui donneront une meilleure perception de la chose. Et, ainsi, en tirer quelques conséquences sur les pratiques photographiques, essentiellement la prise de vue.

Un postulat à garder en tête : la diffraction existe TOUJOURS, quel que soit le matériel utilisé. Simplement, elle est plus ou moins visible. Nous essaierons, dans ce dossier, d’en expliquer les principes et de donner les « recettes » qui, parfois, permettent de retarder la visibilité du phénomène.

La diffraction techniquement parlant

Ici, nous verrons ce qu’il en est sous l’angle photographique. Mais il faut savoir que la diffraction existe aussi pour le son, les ondes radio, les rayons X et d’autres domaines encore.

En fait, la diffraction est une déviation de la propagation d’un flux de lumière. Essentiellement de sa propagation linéaire. Cette déviation se produit lorsque le flux de lumière rencontre un obstacle ou une ouverture. Et ce qui nous intéresse le plus en photo, ce sont tous les obstacles (les lentilles) et une ouverture (le diaphragme).

La traversée du verre

La lumière entre par l’objectif, et plus précisément sa lentille frontale. C’est le premier obstacle rencontré. Il y en a d’autres ! Autant que de lentilles dans l’objectif, et cela peut faire beaucoup, aussi bien sur certaines focales fixes que sur certains zooms. Mais ce n’est pas très grave, du moins en théorie (1). Les lentilles, en effet, redirigent et concentrent, autant que faire se peut, les rayons lumineux vers d’autres lentilles. D’une lentille à l’autre, les rayons lumineux sont théoriquement convertis en un faisceau de rayons parallèles. Au passage, les lentilles peuvent aussi ne pas faire parfaitement leur travail et c’est, notamment, ce qui cause des aberrations chromatiques. Nous en avons parlé par ailleurs.

Et ce processus se poursuit, de lentille en lentille, jusqu’au diaphragme, avec plus ou moins de déperditions.

La traversée de l’ouverture

Et, quand elle est arrivée presque au bout de son trajet dans l’objectif, et en tous cas, après avoir traversé quasiment toutes les lentilles (sauf la lentille arrière), la lumière rencontre alors non pas un obstacle en tant que tel, mais une ouverture. Et, cette ouverture, c’est le diaphragme.

Le rôle du diaphragme est de limiter l’entrée de lumière : plus il est ouvert (petit nombre « f »), plus il en laisse passer, plus il est fermé (grand nombre « f »), moins il en laisse passer. Il réserve donc le passage aux rayons les plus axiaux, qu’il « envoie » vers une dernière lentille qui, elle, dirige le faisceau de rayons vers le point image (dans le boîtier, le capteur). Sauf que c’est là que tout ne se passe pas parfaitement. Les rayons viennent buter sur le pourtour de l’ouverture de diaphragme et, au lieu de former une image parfaite, ils engendrent des taches de lumière plus intenses en leur centre que sur les bords :

Légende
  • P = Point d’émission d’un flux lumineux
  • L1 = système de Lentilles de l’objectif
  • D = Diaphragme
  • L2 = Lentille arrière de l’objectif
  • P’ = image du point P sur le capteur

À droite, en rouge, tache d’Airy (voir ci-après). La courbe rouge, à l’arrière du plan du capteur, figure la répartition de la lumière, plus concentrée…  au centre que sur les bords. (Voir in fine « Bibliographie »)

Description du processus

L’observation du schéma ci-dessus donne les indications suivantes :

  • les rayons lumineux (flux) partent du point P (en photo, c’est le sujet photographié)
  • ils traversent le système de lentilles de l’objectif
  • en sortie du système de lentilles, ils sont dirigés vers le diaphragme.
  • si le diaphragme est grand ouvert, ils passent tous par la lentille de sortie qui les dirige vers le point P’, donnant alors une impression forte de netteté (pour autant, bien sûr, que le photographe ait exécuté une mise au point correcte)
  • si le diaphragme n’est pas complètement ouvert, certains rayons sont arrêtés (et ceci explique aussi la perte de luminosité dans le viseur d’un reflex lorsque l’on ferme le diaphragme et qu’on presse le testeur de profondeur de champ). Les autres rayons soit peuvent passer par l’ouverture – et dans ce cas sont dirigés vers le point P’ – soit, pour certains d’entre eux, viennent buter sur les bords de l’ouverture. Ceux-ci sont alors déviés et n’atteignent plus le point P’.
  • à ce stade, il se produit alors une « tache d’Airy » (2)

Conséquences

On remarquera que la tache d’Airy est nette en son centre, mais qu’elle est de plus en plus floue à sa périphérie. En fait, elle est constituée de cercles concentriques de plus en plus flous. Tout se passe comme si le signal lumineux s’écrasait en s’étalant : plus de « matière » au centre de « l’écrasement » que sur les bords.

L’influence du matériel

Les capteurs

Tous les capteurs ne sont pas égaux devant la diffraction. Plus un capteur est grand et plus petit est le risque de diffraction. Par ailleurs plus la résolution est grande et plus grand sera le risque de diffraction. Si l’on concentre des photosites sur un capteur, on prend le risque que les taches d’Airy se propagent sur plusieurs photosites. Dès lors, un point flou plus grand que la taille du cercle de confusion deviendra plus gênant. Alors ? Eh bien, pour la diffraction, on devrait privilégier les grands capteurs à résolution « modeste ». On comprend mieux pourquoi quelques boîtiers professionnels 24×36 se contentent d’une résolution de 20 à 24 Mpxl, parfois moins, tout en offrant cependant une remarquable qualité d’image.

Le diaphragme

Par ailleurs, plus l’ouverture du diaphragme est réduite, plus ce flou augmente.

Plus l’ouverture de diaphragme est réduite, moins il passe de lumière (toutes choses égales par ailleurs pour ce qui est du temps de pose) et plus le risque de diffraction (donc de flou) augmente. Il est possible, pour chaque type d’objectif, de déterminer l’ouverture optimale permettant d’obtenir la meilleure image possible. Mais cela reste fastidieux, car cela dépend d’une part du rapport de reproduction, d’autre part de la longueur d’onde du rayon lumineux.

Dans la pratique, on retiendra qu’en fermant le diaphragme de 2 à 3 valeurs entières en partant de la pleine ouverture, on sera dans les « bonnes zones ». À expérimenter en fonction de chaque objectif !

Il est important de noter, sur ce plan, l’influence de la forme des lames de diaphragme et de leur nombre. Plus elles seront arrondies et nombreuses, plus l’ouverture apparaîtra « circulaire » et non polygonale. La lumière sera donc moins déviée et ne s’étalera pas autant sur le capteur. Le résultat ? Une meilleure qualité d’image : moins de diffraction, moins de flou, plus de netteté.

On comprend donc que, pour un système donné (cercle de confusion, objectif, ouverture, taille et résolution du capteur, forme du diaphragme…) le phénomène entraîne des conséquences non négligeables. Parfois, on pense que fermer le diaphragme permettra plus de netteté : ce n’est pas toujours vrai et nous le verrons plus loin.

Photos exemples

Pour illustrer ceci, on trouvera ci-dessous quelques images.

Les conditions de prise de vue ont été les suivantes :

  • prise de vue dans une « boîte à lumière » sans flash supplémentaire,
  • appareil photo sur trépied,
  • déclenchement par télécommande sans fil,
  • objectif utilisé : Tamron 90 mm f/2.8 macro,
  • le sujet est l’avers d’une pièce de 2 euros
  • la distance de mise au point a été adaptée (selon les capteurs) afin d’obtenir des images de taille sensiblement identique,
  • la mise au point est réajustée (au moyen de la télécommande) entre 2 vues.

Les photos obtenues, non post-traitées, ont seulement été redimensionnées et ont reçu le filigrane « Pentax Klub ».

OuvertureMode FF (K-1 Mk II)Mode APS-C (K-3 II)
f/2.8pkb_diffraction
f/5.6pkb_diffraction
f/11pkb_diffraction
f/16pkb_diffraction
f/22pkb_diffraction
f/32pkb_diffraction

Et les extraits correspondants :

OuvertureMode FF (K-1 Mk II)Mode APS-C (K-3 II)
f/2.8
f/5.6pkb_diffraction
f/11pkb_diffraction
f/16pkb_diffraction
f/22pkb_diffraction
f/32pkb_diffraction
Commentaires

Pour apprécier au plus juste les effets de la diffraction, il est préférable de se baser sur les extraits ci-dessus. Ils apportent des réponses plus évidentes qu’en format entier, mais pas aussi systématiques qu’on aurait pu le penser.

  • À f/2.8, le résultat est globalement meilleur en format FF, mais on ne peut pas, à cette pleine ouverture, incriminer la diffraction.
  • À f/5.6, les choses s’équilibrent, mais avec un léger mieux pour le FF (voir sur le mot « DAY »).
  • Les choses changent à f/11 : de façon un peu inattendue, l’image APS-C est meilleure qu’en FF où on commence à sentir les effets de la diffraction.
  • À f/16, la qualité sur le FF est, étrangement, bien meilleure qu’à f/11 et légèrement meilleure que celle de l’APS-C qui commence à souffrir de la diffraction.
  • À f/22 et f/32, on note un peu de diffraction sur les images FF, mais bien moins que sur celles de l’APS-C.

Diffraction et prise de vue

Comme nous venons de le voir, le phénomène de flou rencontré lorsque l’on photographie à petite ouverture, est principalement dû à la diffraction. Fort bien ! Mais peut-on y remédier et comment ?

Les scientifiques ont établi qu’il existe, pour chaque système optique, des « ouvertures optimales ». Autrement dit des ouvertures qui donneront les meilleurs résultats. Si on les outrepasse, on risque de tomber dans la diffraction avec plus ou moins de « gravité ». On entend par là que si l’on ferme inconsidérément le diaphragme, on risque des phénomènes de flous encore plus ennuyeux que ceux que l’on rencontre à grande ouverture.

Une grande ouverture de diaphragme

Généralement, elle garantit, selon les conditions, un meilleur bokeh (flou d’arrière plan), chose que nous avons évoquée dans cet article.

Parler de « garantir » est cependant un peu exagéré : la netteté d’une photo dépend de plusieurs facteurs. Outre l’ouverture, il faut aussi prendre en compte, notamment, les mouvements du sujet ou ceux du photographe. Les uns comme les autres ne peuvent pas toujours être parfaitement contrôlés, mais il existe des solutions à mettre en œuvre pour pallier leurs conséquences ou même les éviter. Cela n’a cependant rien à voir avec notre sujet du jour !

Une petite ouverture de diaphragme.

On l’a lu partout : avec une petite ouverture de diaphragme, on s’assure une profondeur de champ plus importante, donc une zone de netteté plus grande. Oui, mais ça, c’est la théorie, et chacun sait ce qu’il en est (cf. in fine).

En photo « classique »

C’est relativement vrai en photo « normale » ou « classique », par exemple en photo de paysage, de rue, en portrait en studio, etc. … Avec cependant des limitations d’usage, car trop de netteté est parfois néfaste, et il convient, dans une bonne composition, de privilégier le sujet en noyant dans le flou certains éléments qui l’entourent. Nous ne reviendrons pas ici sur les problèmes de composition et de cadrage.

Le cas de la proxiphotographie

En revanche, en photo rapprochée (proxiphotographie, donc) et en macro pure, les choses ne se présentent pas de la même façon.

À mes débuts en macro, je privilégiais aussi des petites ouvertures, croyant ainsi gagner quelques millimètres de profondeur de champ, si utiles dans ce domaine. Et il m’arrivait parfois, avec un peu de chance, de présenter des photos correctes de ce point de vue. Correctes, certes, mais pas géniales. Car en effet, des personnes plus expérimentées que moi dans ce domaine l’avaient déjà remarqué : on gagne parfois un peu de profondeur de champ et cela s’avère suffisant. Mais, quand on « visse » trop (qu’on ferme un peu trop le diaphragme), on voit apparaître des phénomènes de flou et on pense qu’il s’agit d’un flou de mouvement ou de bougé. En réalité, c’est un flou dû à la diffraction.

Comment faire pour éviter le flou de diffraction ?
En macro (notamment)

Empiler les mises au point (focus-stacking) peut permettre d’obtenir une bonne profondeur de champ avec des ouvertures raisonnables. Toutefois, cela nécessite une certaine maîtrise de la technique, une immobilité du sujet et… du travail en post-traitement : pas de petites ouvertures = pas de flou de diffraction !

Dans les autres domaines

Si le focus-stacking est impossible, et c’est très souvent le cas, il n’existe hélas pas de recette miracle. Tous les objectifs ne réagissent pas de la même façon sur ce plan. D’une part, en raison de leur construction et de la qualité de leurs verres, d’autre part aussi en fonction du boîtier sur lequel ils seront montés. Ils peuvent présenter des différences selon qu’on les monte sur un boîtier APS-C ou sur un boîtier FF (les cercles de confusion, qui interviennent dans les phénomènes de diffraction, sont différents).

Toutefois, la technique de l’hyperfocale permet de limiter les risques de diffraction. Certains préconisent l’utilisation de filtres gris, pour gagner 2 ou 3 valeurs de diaphragme. À essayer et adopter… ou pas !

Alors ? On en revient au leitmotiv du photographe : shooter, expérimenter, noter (tout, même les conditions climatiques), appliquer. C’est ainsi qu’on arrive à déterminer, pour chaque objectif, les conditions dans lesquelles il est le meilleur et l’ouverture à partir de laquelle la diffraction fait son apparition. En effet, autant un flou assumé peut s’admettre (et c’est parfois un élément important de la photo), autant un flou généralisé de diffraction gâche irrémédiablement une image. Et jouer en post-traitement sur la luminance ou la chrominance n’y changera rien !

Calculer la meilleure ouverture d’un objectif

Il existe des formules mathématiques pour y parvenir. Dans son livre « Les fondamentaux de l’optique » (dont on ne peut que vivement recommander la lecture (voir in fine), Jost J. Marchesi en donne d’ailleurs deux. Et, en plus, il donne les ouvertures optimales selon les types de capteurs et les rapports de grandissement. À lire et… à expérimenter ! Et le même auteur parle également du sujet dans un deuxième ouvrage « Les fondamentaux de la prise de vue ». Cette lecture est aussi chaudement conseillée.

En pratique, il est préférable d’éviter les petites ouvertures (f/16, f/22, etc.). Cependant, certains objectifs peuvent présenter de la diffraction dès f/11 et parfois, mais plus rarement, f/8-f/9.

Sur les objectifs Pentax, mais pas seulement, les meilleures ouvertures, en tous cas celles qui généralement produisent les meilleurs résultats, sont comprises entre f/5.6 et f/8. Les privilégier peut donc s’avérer judicieux. Mais ce n’est pas un dogme. Dès lors, cela n’interdit pas, dans certains cas, de s’en éloigner en ayant conscience des éventuelles conséquences.

 

(1) Chacun sait que si, en théorie, il n’y a pas de différences entre la théorie et la pratique, en pratique, il y en a !

(2) Du nom d’un scientifique anglais, George Biddell Airy (1801-1892), qui découvrit le phénomène en 1835.

 

Bibliographie

« Les fondamentaux de l’optique »

« Les fondamentaux de la prise de vue »

Par Jost J. Marchesi – Éditions Eyrolles – série « Les cours photo ». Deux ouvrages dont on recommande fortement la lecture.

Nos remerciements aux Editions Eyrolles pour leur autorisation de publication.

  • Dominique G
    1 juin 2021 at 9 h 21 min

    Bonjour

    Merci pour cet exposé qui m’a aidé à comprendre à posteriori certaines curiosités que je ne m’expliquais pas. J’avais d’autre part aussi remarqué que les objectifs Pentax (fixes f:2,8) étaient excellents à f:5,6/6,3 d’ouverture. Au début j’ouvrais à f:8, et petit à petit je suis descendu à ces valeurs comme réglage de base. Mais selon les circonstances et l’objectif je reprends souvent la même photo avec des valeurs différentes, entre f:3,2 et f:11.

    • Micaz
      1 juin 2021 at 10 h 30 min

      Bonjour
      et merci à vous pour votre message

  • Olivier Dessoude
    6 juin 2021 at 17 h 53 min

    Merci, c’est toujours intéressant de se lancer dans l’expérimentation.
    Pour savoir si la diffraction va être perceptible, il n’y a que deux paramètres qui importent: le diaphragme (qui détermine le diamètre de la tâche d’Airy) et la distance entre les photosites (pour savoir si la tâche d’Airy va déborder sur les pixels voisins et commencer à flouter l’image). Pour en juger, il faut comparer des crops à 100%.
    La taille de la tâche est (de l’ordre de… car ses bords sont flous) de 1,8 micron à f/2,8 et 10 microns à f/16, tandis que la taille des photosites est de l’ordre 4 microns sur le K3-II et de 5 microns sur le K1-II. Voilà pourquoi la diffraction se manifestera un tout petit peu plus tôt sur l’APS-C.
    Je possède un APN qui sera plus robuste que ces deux-ci, c’est mon Kodak DC-4800 qui n’a que 3 millions de gros pixels. Les appareils les plus sensibles sont bien sûr les smartphones récents.
    Je crains que sur certains clichés (notamment ceux à f/2,8, mais d’autres aussi) le flou de mise au point de soit mêlé au débat et que la diffraction soit masquée en partie par le flou de MAP. Ce serait intéressant (et peut-être plus simple) de refaire un essai, non pas en macro, sur une grande mire à plus grande distance pour ne pas être parasité par les écarts de précision de MAP d’un appareil à l’autre, et d’un cliché à l’autre.

    • Micaz
      6 juin 2021 at 21 h 02 min

      Bonjour
      et merci pour cette contribution … nettement éclairée !