Les aberrations chromatiques ne sautent pas forcément aux yeux pour tous les types de photographies. Très visibles sur des zones de fort contraste, les amateurs de paysages auront probablement noté la présence de franges mauves et vertes autour des branches d’arbres, par exemple. Dans cet article, nous voulons éclaircir la notion d’aberration chromatique (il en existe en fait de plusieurs sortes) et mettre en lumière quelques technologies récentes utilisées pour les réduire.

Le phénomène de dispersion

Un petit mot sur la constitution de la lumière

Même si une connaissance approfondie de la lumière n’est pas nécessaire, il est important de comprendre que la lumière est une onde électromagnétique (tout comme les signaux radio). Notre œil est sensible à l’intensité de cette onde ainsi qu’à sa longueur d’onde, une caractéristique physique qui, pour nos yeux, est la couleur. Le spectre visible s’étend d’environ 400 nm (bleu) à près de 800 nm (rouge). Au-delà de 800 nm, on parle d’infrarouge, et en dessous de 400 nm on parle d’ultraviolet (UV). Dans ce même spectre, on peut également trouver les rayons X, les signaux Wi-Fi et les ondes radio.

Wikimedia commons.

Les formules physiques pour la lumière ne changent pas en fonction de la couleur, elles sont d’ailleurs valables en dehors du domaine visible (la physique ne change pas brutalement dans l’ultraviolet ou l’infrarouge). En revanche, les matériaux n’ont pas les mêmes propriétés en fonction des couleurs.

Propriétés des matériaux optiques

Essayons de livrer quelques caractéristiques des matériaux optiques utilisés pour fabriquer des objectifs. La plupart des lentilles sont faites en verre, et dans certains cas il s’agit de matériaux plastiques. Tous ces matériaux ont en commun d’avoir une grande transparence dans toute la gamme du spectre visible pour éviter d’absorber certaines couleurs (donner une coloration à l’image finale) ou de perdre de la lumière. Ils ont également une bien plus grande homogénéité que les verres à vitres.

Optiquement parlant, on peut les caractériser avec deux valeurs : un indice de réfraction et un nombre d’Abbe.

L’indice de réfraction permet au physicien de calculer la variation d’angle que la lumière va effectuer à l’interface entre deux lentilles successives, notamment à l’aide de la relation de Descartes (n1 sin i1 = n2 sin i2). Dans la nature, l’indice de réfraction le plus faible est celui du vide (n=1), très proche de celui de l’air. Les verres optiques sont situés entre n=1,4 et n=2.

Il se trouve que cette valeur d’indice de réfraction varie légèrement en fonction de la couleur de la lumière. La variation est faible, mais suffisamment importante pour générer des “aberrations chromatiques”.

Wikimedia commons : exemple de variation de l’indice de réfraction pour le verre BK7.

La dispersion est le nom de cette variation de l’indice en fonction de la couleur. Les concepteurs optiques choisissent en règle générale parmi une offre de l’ordre de 200 types de verres différents. L’un des principaux producteurs, l’Allemand Schott, existe depuis 1884 et certains des verres proposés sont restés inchangés depuis. À l’inverse, certains de ces verres optiques sont récents, à l’instar des verres de type fluorite qui ont permis un important progrès des objectifs téléphoto dans les années 1980. La carte de verres ci-dessous donne une idée du nombre de références (chaque point est une référence de verre), les verres étant classés par famille en fonction de leur composition chimique.

Wikimedia commons.

Quelques exemples dans la vie courante

Au quotidien, vous avez tous en tête quelques exemples de dispersion des couleurs.

Le plus courant est celui de l’arc-en-ciel. Un ensemble de gouttelettes d’eau disperse la lumière du soleil en ses différentes couleurs.

Le prisme, utilisé par Pink Floyd comme couverture de son album The Dark Side of the Moon, est probablement l’outil le plus simple pour disperser la lumière. En pratique, il illustre bien comment un verre épais peut générer des aberrations chromatiques.

expliquer les aberrations chromatiques en photographie

Bien que les effets soient visuellement similaires, les couleurs observables sur un CD sont dues à de la diffraction, et non pas à de la dispersion.

Les aberrations latérales et axiales

Les deux principales aberrations chromatiques visibles en photographie sont les aberrations latérales et axiales. Il est également possible d’observer du sphéro-chromatisme pour les grandes ouvertures des objectifs très lumineux.

L’aberration chromatique axiale

Comme son nom l’indique, l’aberration axiale se produit le long de l’axe optique. Du fait de la dispersion cumulée de l’ensemble des lentilles, la mise au point n’est pas la même pour les différentes couleurs. Cette aberration est particulièrement forte pour une lentille simple et touche en particulier les longues focales.

expliquer les aberrations chromatiques en photographie

Dans notre illustration, l’image d’un point sur l’axe est un ensemble de points de couleurs différentes à des distances différentes de l’objectif. Pour une lentille simple de focale 50 mm, cet étalement peut mesurer jusqu’à quelques millimètres, ce qui correspond à la différence entre une mise au point à 1 m et à l’infini…

Lorsque vous prenez une photo, toutes les couleurs ne seront pas dans le même plan. Donc, d'un point de vue technique, certaines couleurs de l’image seront nettes et d’autres moins, comme s'il fallait plusieurs mises au point différentes en fonction de la couleur de l’image.

L’aberration chromatique latérale

Analogue de l’aberration axiale, l’aberration latérale se produit perpendiculairement à l’axe. L’image de chaque couleur a une taille différente sur le capteur photo. Cette aberration affecte principalement les courtes focales.

expliquer les aberrations chromatiques en photographie

Techniquement, l’aberration chromatique latérale s’observe facilement pour les objectifs rudimentaires (une lentille) et se traduit par des irisations sur les bords des objets à fort contraste.

Contrairement à l’aberration axiale qui est uniforme sur l’ensemble de l’image, l’aberration latérale se voit davantage en bord d’image.

Le sphéro-chromatisme

Plus délicate à définir, une dernière aberration, alias le sphéro-chromatisme, peut être observée sur des objectifs à portrait aux plus grandes ouvertures (elle disparaît en fermant le diaphragme).

Il s’agit d’une variation en fonction des couleurs de l’aberration sphérique, une aberration géométrique qui affecte la qualité de l’image.

Elle se traduit généralement par des halos colorés autour des zones de fort contraste. Elle s’observe surtout sur les 50 mm/85 mm en dessous de f/2.

expliquer les aberrations chromatiques en photographieExemple de halos violets/verts autour des zones de fort contraste pour un 50 mm f/1,2.

Récapitulatif

Aberration Quels objectifs concernés ? Comment y pallier ?
Chromatique axiale Longues focales Pas de solution à la prise de vue. Visible surtout dans les zones de fort contraste
Chromatique latérale Courtes focales Pas de solution à la prise de vue, mais la plupart des logiciels traitent les franges violettes/vertes. Visible surtout en bord d’image
Sphéro-chromatisme Objectifs très lumineux Fermer d’un diaphragme résout le problème

Comment les aberrations sont-elles corrigées par les concepteurs optiques ?

La compensation d’aberrations chromatiques

Dans le processus de conception des objectifs, les ingénieurs prennent en compte les aberrations chromatiques au moment de l’optimisation du système optique. Puisqu’il n’est physiquement pas possible de supprimer les aberrations chromatiques individuellement pour chaque lentille, l’idée est de faire une combinaison bien choisie de verres différents pour les minimiser sur l’ensemble du système.

Dans le cas très simpliste de deux lentilles consécutives, on peut ainsi compenser en partie les aberrations chromatiques en utilisant un verre crown (peu dispersif) et un verre flint (dispersif).

La notion de repliement

En reprenant l’exemple précédent d’un doublet de deux lentilles, on peut comparer pour la même focale :

expliquer les aberrations chromatiques en photographie

La courbe verte représente la position de la mise au point en fonction de la longueur d’onde (en microns, sur l’axe vertical). Premier constat : dans le cas d’un doublet, on a réduit l’aberration chromatique axiale d’un facteur 10 environ.

Deuxième chose à noter : au lieu d’avoir une courbe qui évolue de la gauche vers la droite, on observe une inversion de la tendance à mi-parcours. Cette inversion est appelée “repliement” du chromatisme.

C’est ce repliement qui explique la couleur des franges violettes et vertes souvent observées autour des forts contrastes. Dans notre doublet, la mise au point s'effectue au niveau du trait vertical, avec un défocus pour l’image verte d’un côté et les images rouges et bleues de l’autre. Le violet observé est la somme de ces images rouges et bleues.

Les dénominations commerciales

Avec la notion de repliement, il est très simple d’expliquer les appellations commerciales souvent présentes sur les objectifs.

Nom Nombre de repliements
Lentille simple 0
Achromat 1
Apochromat 2
Superachromat 3
Superapochromat 4

Tout comme dans notre exemple à deux lentilles, un nombre de repliements plus élevé correspond à une meilleure correction des aberrations chromatiques axiales.

Dans le cas de la photographie en couleur, il n’est pas concevable de produire des objectifs qui ne soient pas au minimum achromatiques, la plupart des objectifs disponibles étant apochromatiques.

Le cas particulier des objectifs à miroirs

Bien que relativement rares, les objectifs à miroirs (ou catadioptriques) ont un gros avantage sur les objectifs traditionnels : ils ont peu d’aberrations chromatiques. En effet, les miroirs n’ont pas d’effet dispersif contrairement aux lentilles. Ils se comportent donc exactement de la même manière pour toutes les couleurs. C’est d’ailleurs ce qui explique que les astronomes aient remplacé rapidement la lunette inventée par Galilée au profit de télescopes faits de miroirs...

L’innovation optique pour réduire les aberrations chromatiques

Du point de vue historique, la principale innovation apportée pour réduire le chromatisme des objectifs est liée au choix des verres. En utilisant des verres avec des hauts indices de réfraction, les concepteurs ont pu améliorer les performances. Dans les années 1980, en particulier, des verres à base de composants fluorés ont permis une réduction des aberrations optiques des longues focales. Aujourd’hui démocratisés, la plupart des objectifs ont une ou plusieurs lentilles haute réfraction.

La technologie d’élément diffractif (DO chez Canon) est aussi un moyen de réduire les aberrations chromatiques axiales. L’élément employé se comporte à l’opposé de l’ensemble des verres (indice de réfraction croissant avec la longueur d’onde) et permet donc de corriger l’aberration chromatique sur les lentilles frontales d’un objectif téléphoto.

Dernière innovation en date, les éléments organiques comme la technologie BR Optics introduite sur la seconde version du 35 mm f/1,4 de Canon. Une fine couche de ce matériau est utilisée de manière analogue aux éléments DO pour réduire le chromatisme axial.

Conclusion

Les aberrations chromatiques prennent plusieurs formes, et ce que le photographe observe est une combinaison d’aberrations axiale et latérale. Même si les aberrations chromatiques sont corrigées à la conception des objectifs, elles sont souvent observables autour des zones de fort contraste.

Des solutions de traitement des aberrations chromatiques a posteriori existent. La plupart des logiciels de traitement de RAW ont des modules pour retirer les franges violettes ou vertes. Certains, comme DxO Optics Pro, offrent même des modules de calibration qui prennent directement en charge ce traitement.

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Timothée Cognard
Timothée Cognard

Ingénieur en Optique de formation, photographe de coeur... Collectionneur compulsif de focales fixes. Ses publications