Vous en entendez souvent parler dans nos tests de piqué, et la phrase “la diffraction fait son effet à partir de f/11” ne doit pas être inconnue de bon nombre d’entre vous. Le but de cet article est d’expliquer le phénomène de la diffraction et de comprendre comment elle peut affecter votre pratique de la photo.

Lumière et onde

La lumière est une onde, ça veut dire quoi ?

Dans la plupart des expériences de la vie de tous les jours, la lumière se comporte comme un ensemble de particules appelées photons. En réalité, la lumière se comporte également comme une onde, sauf que ce comportement ne se manifeste qu’à petite échelle.
Des ondes, vous en connaissez beaucoup : le son est une onde de compression de l’air, les ondes sismiques sont des ondes mécaniques, les signaux Wi-Fi sont de nature électromagnétique… La lumière appartient à cette dernière catégorie.
Une des propriétés des ondes est qu’elles peuvent interférer soit avec d’autres ondes similaires, soit avec des éléments de leur environnement à condition qu’ils soient de taille comparable. Vous avez probablement fait l’expérience avec des ondes à la surface de l’eau en essayant de faire des ricochets. À chaque contact avec l’eau, la pierre crée des ondes circulaires qui se propagent (les cercles deviennent de plus en plus grands), et au bout d’un moment, les ondes de deux rebonds successifs se rencontrent.

Ricochets à la surface de l'eau – Source Wikimedia Commons, Killy Ridols.

Entre ces ondes se produisent des figures d’interférence, dont l’une des premières photographies scientifiques est celle-ci.

Ondes et interférences à la surface de l'eau, extrait d'un livre de 1914 – Wikimedia Commons, Shewhart, Walter Andrew.

Le son, les ondes radio, la lumière sont également capables de produire de semblables figures d’interférence, mais à des échelles plus petites que les ondes à la surface de l’eau. Nous allons détailler quelques phénomènes où les interférences de la lumière se manifestent.

Quelques phénomènes de diffraction

Dans la lumière visible, la plupart des effets d’interférences se traduisent par des couleurs très vives. En effet, la lumière visible contient un ensemble d’ondes avec des fréquences qui caractérisent la couleur. Pour interférer entre elles, ces ondes doivent avoir des fréquences et donc des couleurs suffisamment proches.
Les irisations d’un CD de musique, ou celles qu’on peut trouver à la surface d’une bulle de savon proviennent d’interférences.

Pour ceux qui ont eu l’occasion d’utiliser un pointeur laser, vous avez pu constater qu’à y regarder de plus près, le point lumineux sur l’écran n’est pas uniforme. Ce phénomène porte le nom de tavelure et il correspond à des interférences de la lumière laser dues à des petites imperfections sur le chemin de la lumière.

Le phénomène de diffraction pour les objectifs repose sur la même physique que ces exemples du quotidien.

La diffraction et la résolution

Quel impact de la diffraction dans les objectifs photo ?

Tous les objectifs photographiques ont un diamètre caractéristique qui correspond à la taille de la pupille du système. En pratique, la pupille est placée là où se trouve le diaphragme de l’objectif, et le diamètre du diaphragme limite la quantité de lumière qui passe par l’objectif.
La taille de ce diaphragme va provoquer des interférences au lieu de simplement laisser passer la lumière. Alors qu’on attendrait que l’image d’un point soit un point, il se trouve que ce n’est pas le cas. La figure produite est une tache caractéristique connue sous le nom de tache d’Airy. Cette tache est constituée d'une tache circulaire centrale et d'anneaux concentriques de plus faible luminosité.

Tache d'Airy – Wikimedia Commons, Ffred.

La notion de PSF

L’acronyme anglais PSF, pour Point Spread Function, désigne la Fonction d’étalement du point. C’est le nom donné à la tache résultante de l’image d’un point par le système optique. Pour faire simple, c’est ce à quoi ressemblent les interférences de la lumière dans le plan du capteur.
Dans le cas idéal où il n’y aurait aucune aberration, cette tache serait tout simplement la tache d’Airy, mais elle peut prendre des formes très différentes, et il est d’ailleurs possible optiquement d’identifier certaines des aberrations à partir de son observation.

PSF et résolution

Maintenant que nous savons que l’image d’un point est une tache et non un point, il faut trouver un moyen d'estimer le pouvoir de résolution associé.

Séparation de deux points – Wikimedia Commons, Spencer Bliven.

À partir de quelle distance minimale peut-on séparer deux taches d'Airy ? Plusieurs physiciens se sont affrontés sur la question en proposant des critères légèrement différents. Le critère qui fait consensus dans le monde de l’imagerie est le critère de Rayleigh qui stipule que deux points sur l’image sont séparés de :

Ce critère se comprend mieux en observant la variation de la luminosité cumulée de deux taches d'Airy.

Séparation de deux points avec le critère de Rayleigh – Wikimedia Commons, Ellande.

La distance dépend de la longueur d'onde (représentée par la lettre grecque lambda), le diamètre de la pupille D et la focale f de l'optique.

Quelques calculs pratiques

À partir de la formule précédente, on peut calculer la résolution associée à chaque ouverture en divisant la surface du capteur par la surface de la tache.

Taille capteur Smartphone 4/3 APS-C 24x36 645
f/2 12 Mpx 157 Mpx 259 Mpx 604 Mpx 1,9 Gpx
f/2,8 6,2 Mpx 80 Mpx 132 Mpx 309 Mpx 964 Mpx
f/4 3 Mpx 39 Mpx 65 Mpx 151 Mpx 473 Mpx
f/5,6 20 Mpx 33 Mpx 77 Mpx 241 Mpx
f/8 9,8 Mpx 16 Mpx 38 Mpx 118 Mpx
f/11 5,2 Mpx 8 Mpx 20 Mpx 62 Mpx
f/16 2,5 Mpx 4 Mpx 9 Mpx 30 Mpx

En gras, quelques valeurs intéressantes qui définissent des ouvertures critiques pour maintenir une résolution suffisante selon chaque taille de capteur.

Interprétation

La résolution donnée ci-dessus est une résolution maximale théorique. Concrètement, l’image qui se forme sur la surface du capteur ne peut pas avoir une plus grande résolution, quel que soit le nombre de pixels.
D’ailleurs, c’est parfois cette limite théorique qui dicte la résolution des capteurs. Dans le cas particulier des smartphones, on repère des valeurs qui se rapprochent beaucoup des tailles standards commercialisées.
Il est possible de repérer assez vite que la résolution limitée par la diffraction est liée directement à la taille du capteur. Un grand capteur permet d’obtenir une plus grande résolution théorique, car pour une même ouverture d’objectif, la pupille du système est plus grande. Ceci est cohérent avec la notion d’ouvertures équivalentes pour différentes tailles de capteurs.

Pourquoi n’atteint-on pas cette résolution maximale ?

Lorsqu’on observe le tableau, on se rend compte qu’en théorie les grandes ouvertures permettent de meilleures résolutions. Ceci est contre-intuitif du point de vue des photographes parce que les objectifs sont souvent plus “doux” proches de la pleine ouverture.
La différence entre la théorie et cette perception du terrain, c’est que les optiques réalisées ne sont jamais parfaites. Le comportement décrit par la théorie n’est valable que pour une optique ne souffrant pas d’aberrations. En réalité, la fonction d’étalement du point sera plus large que ce que prédit la théorie et résulte donc dans une perte de résolution.
Ceci étant, certains objectifs récents présentent des comportements légèrement plus proches de ce que prédirait la théorie. Le 85 mm f/1,4 Sigma Art DG HSM, par exemple, résout les 50 Mpx du Canon 5DsR et est à son maximum de piqué à f/5.6.

Art 85 mm f/1,4 DG HSM
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Ouverture critique et limitation par la diffraction

À partir d’une certaine ouverture, le système est limité par la diffraction, quelles que soient les qualités de l'optique. Cette ouverture critique dépend de la résolution du capteur. Pour les capteurs APS-C et 24x36, la limite de diffraction se situe un peu avant f/8 au vu des résolutions actuelles des capteurs.

À partir de cette ouverture critique, fermer le diaphragme revient à réduire la résolution de l’optique. Ceci est surtout problématique pour les photographes qui souhaitent étendre la profondeur de champ (macrophotographie) ou allonger le temps de pose (paysage). En macrophotographie, par exemple, il n’est pas rare de fermer à f/11, voire f/16, pour obtenir une plus grande profondeur de champ, ce qui réduit par la même occasion la résolution de l’image. Pour obtenir une meilleure résolution tout en augmentant la profondeur de champ, le choix du focus stacking peut s’avérer indispensable.

En photographie de paysage, il est souvent artistiquement intéressant de réaliser des poses longues, et fermer le diaphragme facilite le procédé. Pourtant, la diffraction réduit la résolution de l'image de moitié à chaque diaphragme.

Timothée Cognard
Timothée Cognard

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