Diffraction

[jaric]

Salut à tous, c'est une question pour experts !

Pour moi, la diffraction est un phénomène qui ne dépend que des lois de l'optique et non du matériel.

Pourtant tous les objectifs ne sont pas logés à la même enseigne en fonction de leur conception; notamment, l'ouverture maximale, le nombre de lentilles ainsi que la formule optique semblent jouer un rôle, toutes choses étant égales par ailleurs.
Un objectif macro est ainsi moins sensible à la diffraction qu'un objectif d'usage général de même focale.

Des idées ?  

[seba]

En effet on pourrait calculer la résolution théorique d'un objectif vis-à-vis de la diffraction sans tenir aucun compte de la formule optique.
Je suppose que les différences proviennent des aberrations résiduelles.
En réduisant l'ouverture, certaines aberrations diminuent beaucoup et d'autres moins ou pas du tout.
En ce qui concerne le centre de l'image, seules l'aberration sphérique et l'aberration chromatique transversale peuvent exister, mais même dans ce cas je crois que par exemple la façon dont est corrigée l'aberration sphérique (aberration zonale) peut influencer les résultats quand on diminue l'ouverture.
Cela dit je ne suis pas opticien, c'est juste un avis.

[jmd2]

bonjour

disons que les lois de l'optique s'appliquent aux rayons lumineux qui traversent l'objectif, ses lentilles (traitées) et tout obstacle (diaph).
En tout point du trajet de la lumière, les lois s'appliquent.
on ne peut pas les appliquer "d'un seul coup" à un objectif en entier.

[jaric]

Je ne suis pas du tout sûr que les différences puisent être expliquées par les aberrations résiduelles. Pourquoi, par exemple, un 50 mm ouvert à 1.4 est-il plus sensible à la diffraction qu'un 50 mm f/1.8 ou 2 ? Ce dernier ferme d'ailleurs généralement jusqu'à 22, contre 16 pour le plus lumineux. C'est aussi le cas pour d'autres focales.

[seba]

Je ne suis pas du tout sûr que les différences puisent être expliquées par les aberrations résiduelles. Pourquoi, par exemple, un 50 mm ouvert à 1.4 est-il plus sensible à la diffraction qu'un 50 mm f/1.8 ou 2 ? Ce dernier ferme d'ailleurs généralement jusqu'à 22, contre 16 pour le plus lumineux. C'est aussi le cas pour d'autres focales.

Il est bien possible que pour le 50/1,4 , le résidu d'aberration sphérique à 16 soit plus important que pour le 50/2 ouvert à 16 aussi.
J'ai des courbes qui expliquent ça dans un bouquin, je vais essayer de le retrouver.
L'aberration sphérique est par exemple corrigée au mieux pour 1,4 mais ce n'est pas optimal quand on ferme à 16.

[jaric]

Je doute qu'il existe encore beaucoup d'aberration sphérique (ou de courbure de champ) à f/16 quel que soit l'objectif et encore moins qu'elle puisse masquer l'arrivée de la diffraction.
Mais merci d'avance pour la recherche  

[seba]

Je doute qu'il existe encore beaucoup d'aberration sphérique (ou de courbure de champ) à f/16 quel que soit l'objectif et encore moins qu'elle puisse masquer l'arrivée de la diffraction.
Mais merci d'avance pour la recherche  

Non plus beaucoup mais ça peut faire une différence.
Ca ne la masque pas mais ça peut diminuer (plus ou moins donc) la résolution maximale théorique.
Je cherche...peut-être pour ce soir ou plus tard.

[jmd2]

il n'y a pas de règles genre "s'il ouvre à 1.4 il aura plus de diffraction que son concurrent qui ouvre à 1.8"
les objectifs sont des compromis entre toute une liste de caractéristiques et de défauts

seuls des tests de laboratoire peuvent donner des valeurs (comme ceux de CI)
les hypothèses basées sur les caractéristiques techniques fournies par le fabricant ne diront rien. Pas plus pour la diffraction que pour la résolution.

[seba]

il n'y a pas de règles genre "s'il ouvre à 1.4 il aura plus de diffraction que son concurrent qui ouvre à 1.8"
les objectifs sont des compromis entre toute une liste de caractéristiques et de défauts

seuls des tests de laboratoire peuvent donner des valeurs (comme ceux de CI)
les hypothèses basées sur les caractéristiques techniques fournies par le fabricant ne diront rien. Pas plus pour la diffraction que pour la résolution.

On peut tout calculer.
Par exemple les FTM sont souvent calculées et pas mesurées (et en principe fiables si l'objectif est bien réalisé).
Pour la diffraction, si les aberrations sont suffisamment réduites (jusqu'à être négligeables), la diffraction dépend simplement du diamètre de l'objectif (pour la résolution angulaire) ou de son ouverture (pour la résolution spatiale).

[jaric]

il n'y a pas de règles genre "s'il ouvre à 1.4 il aura plus de diffraction que son concurrent qui ouvre à 1.8"
les objectifs sont des compromis entre toute une liste de caractéristiques et de défauts

seuls des tests de laboratoire peuvent donner des valeurs (comme ceux de CI)
les hypothèses basées sur les caractéristiques techniques fournies par le fabricant ne diront rien. Pas plus pour la diffraction que pour la résolution.

Quand arrêteras-tu d'asséner des contre-vérités avec l'attitude de quelqu'un qui prétend s'y connaître ?
Et en corollaire de polluer tous les fils !
Toutes les caractéristiques techniques fournies par les constructeurs sont calculées a priori et non mesurées  a posteriori et les compromis résultent d'une stratégie industrielle (performances vs. coût de fabrication).

[seba]

Voilà un exemple tiré du bouquin Modern Lens Design (un bouquin que j'ai acheté par curiosité mais je ne suis pas assez calé pour y comprendre grand chose).
Trois cas de correction de l'aberration sphérique (si elle n'était pas corrigée, la courbe partirait à gauche sans revenir à droite).
Cas a meilleur contraste possible mais résolution plutôt faible (adapté pour un objectif de projection toujours utilisé à pleine ouverture), cas b meilleure résolution possible mais contraste moindre, cas c optimisé pour un objectif utilisé à des ouvertures variées.
A priori dans le cas c, à petite ouverture l'aberration sphérique résiduelle sera moindre que dans les cas a ou b (on ne garde que la partie des courbes près de l'axe).

[titisteph]

Pour parler de mon vécu, en macro :
J'ai longtemps été fan du travail du couple de photographes macro Nuridsani-Pérenou (les auteurs de Microcosmos).

Ils travaillaient, autour des rapports X4, avec des optiques Photar de Leitz. A ce rapport, ils travaillaient à 11 et même jusqu'à 16. Le piqué des images publiées en pleine page attestent que ces objectifs résistaient exceptionnellement bien à la diffraction.

Quand j'ai voulu faire pareil avec mon 38mm F-2,8 macro Zuiko (spécialisé dans les rapports élevés), j'ai vite déchanté. A F16, la diffraction était telle que le piqué était inexistant. J'ai été obligé de me limiter à F8, pour conserver du piqué. Et encore, le meilleur diaphragme, c'est... F4!

Je ne m'explique pas cette étonnante différence. Sans doute que la série des Photar est d'une qualité exceptionnelle, et qu'en partant de si haut, il en reste encore en diaphragmant?

Pourtant, mes Zuiko ne déméritent pas, les 20 et 38 macros sont très bien corrigés (à leur meilleur diaphragme, les images sont très bonnes, et même parfaites pour le 38)

[seba]

Pour parler de mon vécu, en macro :
J'ai longtemps été fan du travail du couple de photographes macro Nuridsani-Pérenou (les auteurs de Microcosmos).

Ils travaillaient, autour des rapports X4, avec des optiques Photar de Leitz. A ce rapport, ils travaillaient à 11 et même jusqu'à 16. Le piqué des images publiées en pleine page attestent que ces objectifs résistaient exceptionnellement bien à la diffraction.

Quand j'ai voulu faire pareil avec mon 38mm F-2,8 macro Zuiko (spécialisé dans les rapports élevés), j'ai vite déchanté. A F16, la diffraction était telle que le piqué était inexistant. J'ai été obligé de me limiter à F8, pour conserver du piqué. Et encore, le meilleur diaphragme, c'est... F4!

Je ne m'explique pas cette étonnante différence. Sans doute que la série des Photar est d'une qualité exceptionnelle, et qu'en partant de si haut, il en reste encore en diaphragmant?

Pourtant, mes Zuiko ne déméritent pas, les 20 et 38 macros sont très bien corrigés (à leur meilleur diaphragme, les images sont très bonnes, et même parfaites pour le 38)

Je regarderai le bouquin de nouveau (je l'ai).
Oui a priori c'est difficilement explicable.

[jaric]

Je vois avec plaisir que je ne suis pas le seul à m'être posé ces questions...

Merci Seba pour avoir plongé dans tes archives , mais je ne suis guère plus éclairé : j'ai du mal à lire ces courbes prises hors contexte, qui sont d'une part dépourvues d'unités et d'autre part sans référence à un quelconque montage ou équipement.
Par ailleurs, comment peut-on établir une comparaison entre la perte de définition due à ces défauts et celle due à la diffraction ?

[JCCU]

Salut à tous, c'est une question pour experts !

Pour moi, la diffraction est un phénomène qui ne dépend que des lois de l'optique et non du matériel.

Pourtant tous les objectifs ne sont pas logés à la même enseigne en fonction de leur conception; notamment, l'ouverture maximale, le nombre de lentilles ainsi que la formule optique semblent jouer un rôle, toutes choses étant égales par ailleurs.
Un objectif macro est ainsi moins sensible à la diffraction qu'un objectif d'usage général de même focale.

Des idées ?  

Euh, assez discutable

Si tu raisonnes sur une lentille seule (pour commencer):
    Les aberrations géométriques (sphérique, coma, ...) sont liées à la forme de la lentille (qui n'est pas la "surface parfaite" permettant de conjuguer un objet et un point image). Elles sont théoriquement corrigeables (par exemple une surface "asphérique" va être beaucoup plus prêt de la "surface parfaite")
    L'aberration chromatique est liée au fait que le verre a un comportement différent selon la longueur d'onde de la lumière
    La diffraction est liée à l'interaction entre l'onde lumineuse et le diaphragme de cette lentille, donc çà dépend bien du matériel: l'exemple le plus parlant est le cas des objectifs à miroir (par exemple les 500 catadioptrique) ou le "diaphragme" est double, à savoir le diaphragme extérieur mais aussi l'obturation due au miroir secondaire, ce qui donne une diffraction très caractéristique: les fameux "donuts" dans la partie hors zone de netteté de l'image

[titisteph]

Oui, mais là, on parle plutôt de la perte de piqué, et non de la forme de la diffraction.

Pour avoir utilisé une chambre Sinar avec dos numérique, j'ai eu la possibilité d'y monter tout un tas d'optiques, couvrant tous les formats (du 24X36 au 20X25). En se mettant à 32, tous les cailloux accusent une nette perte de piqué, et je n'ai pas connu de cas exceptionnel où une optique y serait insensible ou peu sensible.
Cela dit, avec un peu d'accentuation, ça passait très bien (sur un grand capteur).

Le cas des optiques Photar déjà cité m'interpelle d'autant plus. J'ai toujours voulu m'en payer une, juste pour voir si je n'avais pas rêvé!
Mais bon, j'avais déjà les zuiko.

[seba]

Je vois avec plaisir que je ne suis pas le seul à m'être posé ces questions...

Merci Seba pour avoir plongé dans tes archives , mais je ne suis guère plus éclairé : j'ai du mal à lire ces courbes prises hors contexte, qui sont d'une part dépourvues d'unités et d'autre part sans référence à un quelconque montage ou équipement.
Par ailleurs, comment peut-on établir une comparaison entre la perte de définition due à ces défauts et celle due à la diffraction ?

Les courbes du haut : en X c'est la distance sur l'axe optique, un Y c'est le rayon de la lentille (ou objectif).
La courbe montre comment la focalisation d'un rayon lumineux se déplace le long de l'axe optique suivant par quel rayon de la lentille il passe.
Pour tous les objectifs on peut tracer ou calculer de telles courbes (dans le bouquin elles sont tracées pour tous les objectifs étudiés).
Ici ce sont des exemples théoriques.
Il n'y a pas de relation entre ces courbes et la diffraction mais on voit que selon l'ouverture l'aberration sphérique résiduelle sera différente d'un cas à l'autre. Et que même à petite ouverture ça peut encore faire une différence.

[jaric]

Euh, assez discutable

J'en conviens, j'ai mal formulé ma remarque.
Je voulais simplement souligner que pour moi les lois de la diffraction s'appliquaient indifféremment à tout matériel quelle que soit sa formule optique, à supposer qu'il soit sans défauts bien sûr.
La diffraction ne dépendrait dans mon esprit que de l'ouverture géométrique ou, ce qui revient au même, du diamètre de la pupille d'entrée et de la focale.

[seba]

La diffraction est liée à l'interaction entre l'onde lumineuse et le diaphragme de cette lentille, donc çà dépend bien du matériel: l'exemple le plus parlant est le cas des objectifs à miroir (par exemple les 500 catadioptrique) ou le "diaphragme" est double, à savoir le diaphragme extérieur mais aussi l'obturation due au miroir secondaire, ce qui donne une diffraction très caractéristique: les fameux "donuts" dans la partie hors zone de netteté de l'image

Pour voir l'effet de la forme du diaphragme sur la diffraction, il faut regarder la tache de diffraction (tache d'Airy dans le cas d'une ouverture circulaire) au foyer, pas les zones hors focus.

[jaric]

Les courbes du haut : en X c'est la distance sur l'axe optique, un Y c'est le rayon de la lentille (ou objectif).
La courbe montre comment la focalisation d'un rayon lumineux se déplace le long de l'axe optique suivant par quel rayon de la lentille il passe.
Pour tous les objectifs on peut tracer ou calculer de telles courbes (dans le bouquin elles sont tracées pour tous les objectifs étudiés).
Ici ce sont des exemples théoriques.
Il n'y a pas de relation entre ces courbes et la diffraction mais on voit que selon l'ouverture l'aberration sphérique résiduelle sera différente d'un cas à l'autre. Et que même à petite ouverture ça peut encore faire une différence.

OK, c'est plus clair. Il faudrait cependant pouvoir estimer les influences respectives des aberrations diverses et de la diffraction sur la perte de définition d'un objectif.

[seba]

J'en conviens, j'ai mal formulé ma remarque.
Je voulais simplement souligner que pour moi les lois de la diffraction s'appliquaient indifféremment à tout matériel quelle que soit sa formule optique, à supposer qu'il soit sans défauts bien sûr.
La diffraction ne dépendrait dans mon esprit que de l'ouverture géométrique ou, ce qui revient au même, du diamètre de la pupille d'entrée et de la focale.

En principe c'est bien ce qui se passe.
Pour un objectif de microscope, l'ouverture numérique sera le critère pour la résolution, pour un objectif de télescope, le diamètre sera de même pour la résolution angulaire (pour une ouverture circulaire).
En microscopie il y a des rechniques spéciales d'éclairage (et de reconstruction d'image) pour augmenter la résolution mais ça ne change rien au principe.

[titisteph]

Avez-vous une explication rationnelle au fait qu'une optique ouvrant à 1,4 ferme généralement à 16, alors que la même ouvrant à 1,8 ou moins, ferme jusqu'à 22?

Qu'est-ce qui empêche de se mettre à 22 sur un caillou lumineux?

[JCCU]

Pour voir l'effet de la forme du diaphragme sur la diffraction, il faut regarder la tache de diffraction (tache d'Airy dans le cas d'une ouverture circulaire) au foyer, pas les zones hors focus.

Non: ce que tu vois "hors focus" est lié à ce que tu as dans le "plan de l'image" Tu peux voir les effets de la diffraction dans ce plan image, tu peux aussi les voir dans les plans "hors focus" (cf les "donuts"   

[seba]

Non: ce que tu vois "hors focus" est lié à ce que tu as dans le "plan de l'image" Tu peux voir les effets de la diffraction dans ce plan image, tu peux aussi les voir dans les plans "hors focus" (cf les "donuts"  

Dans le plan focal on a ça : à gauche pupille circulaire, à droite obstruction 30%.
Le premier anneau est renforcé.

[JCCU]

.....
La diffraction ne dépendrait dans mon esprit que de l'ouverture géométrique ou, ce qui revient au même, du diamètre de la pupille d'entrée et de la focale.

Non, la diffraction, c'est l'interaction entre l'onde lumineuse et la matière et il n'y a pas que le diaphragme qui peut jouer .

Une comparaison fréquente, ce sont des vagues parallèles à une jetée dans laquelle il y a une ouverture. Si l'ouverture est très grande, pas d'effet visible et les vagues passeront sans trop de déformation à travers l'ouverture. Mais si l'ouverture diminue, les vagues se déformeront. Cà c'est l'équivalent du diamètre de la pupille.Et s'il y a un rocher dans l'ouverture -c'est l'équivalent du miroir secondaire sur un objectif catadioptrique- çà joue aussi

Egalement le fait que le diaphragme ne soit que rarement parfaitement circulaire (le nombre de lamelles) va jouer aussi (comme c'est plus faible, çà ne jouera que sur les points brillants: les étoiles autour des lampadaires)

Et si une des lentilles- ou un filtre- a une transparence variable selon le rayon (cas des objectifs avec apodisation), çà joue aussi

Bref, chaque fois que la lumière et la matière vont se rencontrer, çà va jouer