12 décembre 2022

Comment réduire l’aberration sphérique en photographie, guide complet

Par Gaëtan Berthouly

12 décembre 2022


L’aberration sphérique est un concept assez technique, dont on parle peu et souvent confondu avec d’autres imperfections optiques. Et c’est compréhensible il y en a une petite tripotée !

Et oui, en photographie, il existe de nombreuses aberrations optiques causées par la façon dont les lentilles concentrent la lumière leur passant à travers. Ces aberrations (ou imperfections) affectent le rendu visuel de la photo, soit en la rendant moins nette soit en la déformant.

Il existe deux grands types d’aberrations :

1.les aberrations chromatiques (incapacité des lentilles à concentrer plusieurs longueurs d’onde de couleurs différentes en un seul point)

Schéma aberration chromatique
Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Aberration_chromatique#/media/Fichier:Lens6a-fr.svg

2.et les aberrations monochromatiques (incapacité des lentilles à focaliser une seule couleur de lumière en un seul point).

Schéma aberration monochromatique
Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Spherical_aberration#/media/File:Spherical_aberration_2.svg

On peut aussi catégoriser les imperfections optiques d’une autre façon :

  1. celles qui provoquent une diminution de la netteté (dû à la convergence imparfaite de la lumière en un point),
  2. celles qui provoquent des distorsions ou des déformations (dû à la projection géométrique défectueuse de la scène).

« Et du coup l’aberration sphérique ça se situe où ?« 

Eh bien l’aberration sphérique est monochromatiques et se traduit par une perte de netteté globale (notamment sur les bords). C’est l’imperfection optique la plus courante.

Bref, maintenant j’ai une mauvaise nouvelle à vous annoncer : il est très probable que vos photos soient affectées par l’aberration sphérique.

« Pourquoi ?« 

Tout simplement car la plupart des objectifs sont conçus avec des lentilles sphériques. Je reviendrai sur ce point plus tard mais c’est ce qui cause principalement une aberration sphérique (d’où son nom).

Dans cet article on va voir ensemble ce qu’est l’aberration sphérique exactement, à quoi c’est dû, comment elle affecte vos photos et quelques conseils pour éviter ou atténuer ce phénomène.

Allez en avant Guingamp !

Qu’est-ce que l’aberration sphérique en photographie ?

Remarque

Pour faire simple ici je parlerai et je montrerai des schémas avec une lentille uniquement. Mais la conception des objectifs est bien plus complexe que ça, ils sont composés de plusieurs lentilles (entre 10 et 15 environ).

Photographie signifie « écrire avec la lumière », donc en photo tout tourne autour de la lumière. Le capteur de notre appareil photo est d’ailleurs photosensible, c’est-à-dire qu’il est capable de créer une photo uniquement grâce à la lumière.

Et la lumière, avant d’atterrir du le capteur de notre boîtier, passe d’abord par l’objectif photo, on peut dire qu’il rassemble les rayons lumineux de notre scène , pour les faire converger et former ainsi la fameuse photo (on pourrait comparer ça à un entonnoir).

L’objectif photo un « entonnoir de lumière »

La lumière qui frappe une lentille sphérique est réfractée.

« Réfractée ?« 

C’est quoi la réfraction en bref

La réfraction, c’est la déviation des rayons de la lumière lorsqu’ils traversent un milieu différent. Cette déviation se produit parce que les ondes se déplacent à des vitesses différentes selon le milieu dans lequel elles évoluent. Par exemple, la lumière se déplace plus rapidement dans le vide que dans l’air ou le verre.

La loi de Snell montre comment la variation de l’indice de réfraction d’un milieu à l’autre est liée à l’angle de réfraction de la lumière. Mais, ce qu’on peut retenir c’est que, plus l’indice de réfraction relatif est élevé, plus l’angle de réfraction est grand. Vous pouvez faire derrière l’expérience de mettre un objet dans un verre d’eau, il paraîtra comme « cassé » dans l’eau (voir photo ci-dessous).

Le verre, selon sa composition et sa qualité, a un indice de réfraction généralement compris entre 1,5 et 1,7. Par conséquent, la lumière se courbe davantage en entrant dans le verre à partir du vide qu’en entrant dans l’eau à partir du vide.

Et pour finir, l’indice de réfraction dépend également de la longueur d’onde de la lumière.

Pinceau dans un verre d’eau paraissant « cassé » à partir de la surface de l’eau à cause de la réfraction
Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9fraction#/media/Fichier:RefractionVerre.jpg

Si les lentilles insérées dans un objectif ne présentaient aucun défaut, il n’y aurait qu’un seul point focal où les rayons se concentrent (voir schéma ci-dessous). C’est le point focal optimal et là où devrait se trouver le capteur (en rouge sur le schéma). La convergence en un point de l’axe optique permet d’obtenir une photo nette jusqu’à ses bords.

Rayons convergents en un point focal

Mais en réalité :

  • les rayons lumineux qui traversent la lentille sphériques près de l’axe horizontal (=son centre) se réfractent moins, autrement dit ils sont moins courbés et convergent à une distance plus longue de l’axe optique (en pointillés blancs sur le schéma ci-dessous)
  • alors que les rayons lumineux qui traverses plus près du bord se réfractent plus, autrement dit ils sont plus courbés et convergent à une distance plus courte de l’axe optique (en pointillés blancs sur le schéma ci-dessous).

Ce phénomène est dû à la forme bombée la lentille. La conséquence, c’est que les rayons lumineux se concentrent en différents points sur l’axe optique (en pointillé blanc le schéma ci-dessous). Dans le schéma, une partie des rayons se concentre devant le capteur au lieu de se concentrer sur le capteur comme prévu.

Pour cette raison, l’aberration sphérique peut affecter la netteté, rendant difficile l’obtention d’une photo nettes jusqu’aux bords et provoquant un manque de contraste fin.

C’est ça l’aberration sphérique ! Et c’est l’un des problèmes les plus courants que peut présenter une lentille sphérique.

Et plus il y a d’angles et de points focaux différents, plus l’objectif photo souffre d’aberration sphérique.

Schéma montrant que les rayons lumineux qui frappent le bord de l’objectif convergent vers un point focal différent (la ligne orange) que le capteur (ligne verte), c’est l’aberration sphérique diminuant la netteté.
Source : https://expertphotography.com/spherical-aberration/

Remarques

-La différence entre l’endroit où les rayons périphériques et les rayons paraxiaux (passant par le centre) se concentrent finalement est un moyen de mesurer la gravité de l’aberration sphérique. Dans le schéma cet écart est illustré par la ligne orange et verte.

-Les rayons périphériques peuvent sortir soit en étant trop courbés (aberration sphérique positive), soit pas assez (aberration sphérique négative).

-L’aberration sphérique n’est pas seulement due à la conception de l’objectif, mais aussi à la qualité du matériau de l’objectif. Les lentilles composées de matériaux de mauvaise qualité peuvent avoir un impact considérable sur la réfraction de la lumière.

Ce phénomène optique se produit avec toutes les lentilles sphériques, sa conception normale ne permet pas la convergence des rayons en un point. Il y aura donc toujours des rayons qui ne convergeront pas vers le point focal prévu. Par conséquent, si votre objectif comprend des lentilles sphériques, l’aberration sphérique impactera vos photos.

Remarque

Dans la plupart des objectifs, la présence d’une aberration sphérique est un défaut technique indésirable ; cependant, dans le passé, une aberration sphérique délibérée et contrôlée a été mise en œuvre pour être utilisée dans la photo de portrait pour faire du « soft-focus » (=mise au point « floue »).

« Mais, si les fabricants sont au courant de ça pourquoi ils continuent à produire des lentilles sphériques ?« 

Car il est plus facile et moins coûteux de former des lentilles de verres sphériques ou à gradient d’indice que des lentilles asphériques. Les fabricants ont développé au fil des ans des méthodes précises et spécialisées pour réduire l’effet de l’aberration sphérique, notamment grâce à l’utilisation courante d’éléments de lentilles asphériques pour aider à corriger l’aberration sphérique.

Différence entre une aberration sphérique positive et négative

  • L’aberration sphérique positive se produit lorsque les rayons périphériques sont trop courbés.
  • L’aberration sphérique négative se produit lorsque les rayons périphériques ne sont pas assez courbés.

L’effet est proportionnel à la quatrième puissance du diamètre et inversement proportionnel à la troisième puissance de la distance focale, il est donc beaucoup plus prononcé pour les ratios focaux courts (=grandes ouvertures), ou objectifs « rapides » (qui ouvre grand).

Les lentilles sphériques ne présentent des points aplanétiques (pas d’aberration sphérique) qu’à un rayon égal au rayon de la sphère divisé par l’indice de réfraction du matériau de la lentille.

Quelles sont les causes des aberrations sphériques ?

Trois facteurs sont à l’origine des aberrations sphériques :

  1. le type d’objectif, la courbure de l’objectif affecte ses performances, en général, les aberrations sphériques se produisent davantage avec les objectifs à courte distance focale qu’à longue distance focale ;
  2. la qualité du verre de l’objectif, des matériaux de mauvaise qualité peuvent avoir un impact considérable sur la réflexion de la lumière ;
  3. la façon dont les éléments de l’objectif sont placés à l’intérieur du boîtier, si ces éléments sont un tant soit peu décalés, les rayons lumineux qui frappent différentes parties de l’objectif ne convergeront pas tous vers le point focal.

Quelle est la différence entre l’aberration sphérique et l’aberration chromatique ?

L’aberration chromatique est similaire à l’aberration sphérique dans la mesure où elle résulte de la façon dont la lumière est réfractée à travers une lentille sphérique.

La différence en revanche c’est que l’aberration sphérique se produit lorsqu’un objectif ne peut pas concentrer une seule couleur de lumière, l’aberration chromatique se produit lorsqu’un objectif ne peut pas focaliser les différentes couleurs (longueurs d’onde) en un seul point.

Aberration chromatique : des rayons de différentes longueurs d’ondes (couleurs) ne se concentrent pas en un point
Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Aberration_chromatique#/media/Fichier:Lens6a-fr.svg

Chaque lentille possède ce que l’on appelle un indice de réfraction (sa capacité à déformer les rayons de la lumière). Cet indice de réfraction varie souvent avec les différentes longueurs d’onde, ce qui fait que chaque longueur d’onde de couleur est déviée selon un angle légèrement différent.

Le résultat est une photo avec des effets d’arc-en-ciel ou, plus souvent, des franges de lumière colorée (généralement magenta ou verte) à la place de bords qui devraient être nets.

Aberration chromatique : effets d’arc-en-ciel ou de franges de lumière colorée
https://unsplash.com/fr/photos/CKJipDZ7rTg

L’ironie est que la plupart des objectifs sont conçus avec une certaine forme de correction de l’aberration sphérique, et c’est souvent cette tentative de correction qui est à l’origine des teintes magenta au premier plan et des teintes vertes à l’arrière-plan dans les zones hors mise au point.

Remarque

Les lentilles à indice de réfraction élevé ont tendance à présenter moins d’aberration chromatique que les verres à faible indice, mais l’aberration chromatique est présente avec toutes les lentilles sphériques, dans une certaine mesure.

La bonne nouvelle est que l’aberration chromatique peut souvent être corrigée en post-traitement (contrairement à l’aberration sphérique qui est bien plus compliquée à post-traiter comme on le verra plus tard).

Quel est l’impact de l’aberration sphérique en photographie ?

L’aberration sphérique produit globalement des effets négatifs sur la qualité de la photo.

  • Un point lumineux ponctuel aura un effet de halo assez uniforme flous et symétriques au centre et sur les bords de la photo.
  • La puissance focale est réduite, ce qui nuit à la résolution et à la clarté de l’image, la photographe est globalement moins nette, le phénomène est prononcé surtout sur les bords.
  • Une correction incohérente de l’aberration sphérique entre différentes longueurs d’onde peut provoquer une aberration chromatique, c’est-à-dire à l’incapacité d’un objectif à faire converger toutes les couleurs vers le même point. Ce qui se traduit par une teinte magenta ou verdâtre pour les zones hors du plan focal (là où on fait la mise point). Et ça, notamment à grande ouverture ou avec les objectifs rapides.
Les points lumineux auront un effet de halo assez uniforme flous et symétriques
Source : https://www.lonelyspeck.com/a-practical-guide-to-lens-aberrations-and-the-lonely-speck-aberration-test/
Comparaison aberration sphérique, netteté « normale » et diffraction
Source : https://www.japanistry.com/aberrations/
Légers halos autour des hautes lumières, comme au-dessus de la tête de la statue (en haut).
Perte de microcontraste (en bas)
Source : https://exposuretherapy.ca/photography-guide/lens-aberrations-and-distortion/

« Mais du coup je dois m’en inquiéter ?« 

Comme bien souvent je vous répondrais : ça dépend.

Si vous photographiez principalement des sujets avec une grande ouverture et très peu de netteté acceptable (beaucoup de flou), l’aberration sphérique ne sera pas trop un problème car elle ne sera pas très visible. Mais l’aberration sphérique peut tout de même provoquer un halo, diminuer la clarté de votre image ou créer une aberration chromatique inégale.

En revanche, si vous faites de la photographie de paysage où vous cherchez beaucoup de netteté globale ou si vous essayez de réaliser une nature morte en « flat lay », les bords flous causés par l’aberration sphérique peuvent être problématiques.

En astrophoto bien que l’aberration sphérique permette toujours de créer une étoile ronde et nette, elle tend à réduire le contraste global de la photo.

Dans l’ensemble, une petite quantité d’aberration sphérique n’est pas si préjudiciable visuellement à une astrophoto que certaines autres aberrations, car les étoiles ont tendance à rester rondes et l’aspect « brumeux  » ajouté accentue en fait les couleurs des étoiles, comme si vous utilisiez un filtre brume.

Exemple d’aberration sphérique en astrophotographie
Source : https://www.lonelyspeck.com/a-practical-guide-to-lens-aberrations-and-the-lonely-speck-aberration-test/

Comment réduire l’aberration sphérique ?

Il existe deux méthodes principales pour réduire l’aberration sphérique.

1-Acheter le matériel adéquat

  • Un objectif asphérique avec une surface de lentille asphérique (non sphérique) qui se courbe vers l’extérieur d’un côté dans le but de faire converger les rayons lumineux en un seul point peut résoudre l’aberration sphérique (ainsi que l’aberration comatique et l’astigmatisme). D’ailleurs, la plupart des fabricants d’appareils photo proposent une gamme d’objectifs asphériques (ex : RF 15-35mm f/2.8L IS USM chez Canon). Comme les éléments ne sont pas sphériques, ces objectifs ont besoin de moins d’éléments en verre pour corriger l’image, et ils sont donc plus petits et plus légers que les objectifs habituels.
Schéma d’une lentille asphérique qui se courbe vers l’extérieur d’un côté dans le but de faire converger les rayons lumineux en un seul point, le point focal
Source : https://photographylife.com/what-is-spherical-aberration
  • Les objectifs équipés de lentilles à gradient d’indice, dont l’indice de réfraction est le plus élevé au centre de la lentille et diminue progressivement vers le bord de la lentille, peuvent également éliminer l’aberration sphérique.
  • Un objectif équipé d’une lentille convexe et une lentille concave dans une combinaison spéciale.

Remarque

Le matériau, le revêtement(traitement) et la qualité du verre, ainsi que la conception optique d’un objectif, sont des paramètres faisant varier l’aberration sphérique.

C’est pourquoi les objectifs haut de gamme sont généralement moins affectés par l’aberration sphérique (ainsi que l’aberration chromatique et une distorsion de l’objectif minimales).

Malheureusement, les objectifs qui offrent une image de meilleure qualité sont également plus chers, ce qui signifie qu’ils ne sont pas toujours une option si vous avez un budget serré.

2-Régler sur une ouverture plus petite

Lorsque le diaphragme de l’objectif est à l’ouverture maximale, l’aberration sphérique est la plus prononcée car les lames du diaphragme bloquent les bords extérieurs de la lentille sphérique.

https://www.pexels.com/fr-fr/photo/personne-tenant-l-objectif-de-la-camera-noire-339379/

C’est pourquoi, réduire l’ouverture de l’objectif, même d’un seul diaphragme, peut réduire considérablement l’aberration sphérique. Par exemple, si vous photographiez un paysage, en réduisant l’ouverture à f/8 et plus petit, vous pouvez bloquer les rayons lumineux les plus affectés et minimiser l’aberration sphérique. Ou encore, si vous avez par exemple un objectif Canon 50 mm f/1.8, vous n’êtes pas obligé de toujours l’utiliser à sa plus grande ouverture de f/1.8. En réduisant légèrement l’ouverture à f/2 ou f/2.2, vous obtenez une meilleure netteté. Cela est particulièrement visible dans les coins de la photo.

https://www.pexels.com/fr-fr/photo/photo-en-gros-plan-de-l-obturateur-de-l-appareil-photo-414781/

Gardez en tête le rétrécissement de l’ouverture augmente également la profondeur de champ, et si votre objectif est de capturer des photos à faible profondeur de champ, ça ne sera pas l’idéal. Mais comme on l’a vu avant, les bords flous dus à l’aberration sphérique ne seront probablement pas un gros problème si vous êtes dans un cas où vous avez beaucoup de flous dans votre photo en faisant la mise au point sur un sujet précis.

https://www.pexels.com/fr-fr/photo/photo-en-gros-plan-de-colibri-2679504/

3-Éloigner le sujet des bords du cadre

La diminution de la netteté provoquée par l’aberration sphérique est surtout visible sur les bords du cadre.

Donc, si votre objectif est affecté par l’aberration sphérique et que vous avez besoin d’un sujet très net, essayez d’éloigner le sujet principal ou les éléments les plus importants des bords.

Cela ne signifie pas que vous devrez capturer des compositions centrales pour toutes vos images : il suffit de déplacer le sujet un peu vers l’intérieur du cadre pour y parvenir.

https://www.pexels.com/fr-fr/photo/photo-en-gros-plan-de-singe-sur-une-branche-d-arbre-1829979/

L’ajustement de votre composition n’empêchera pas l’aberration sphérique, mais il empêchera l’aberration d’affecter les parties les plus importantes de la photo.

Faire la mise au point sur un sujet précis pour rendre l’arrière-plan flou vaut également la peine d’être tentée, car l’aberration sphérique se fondra « plus naturellement » dans la partie floue de la photo, bien que cela ne soit pas toujours possible selon votre style et le type de photographie.

https://www.pexels.com/fr-fr/photo/photo-peu-profonde-de-herisson-50577/

Comment corriger ou réduire l’aberration sphérique en post-traitement ?

Malheureusement, contrairement à d’autres types d’aberrations comme la distorsion, le vignettage et l’aberration chromatique, l’aberration sphérique ne se corrige pas facilement au post-traitement.

Par exemple : activer la correction du profil de l’objectif dans Adobe Lightroom peut améliorer la qualité de vos photos, mais l’aberration sphérique ne sera pas réduite.

Vous pouvez plutôt utiliser les 2 méthodes suivantes pour résoudre les problèmes d’aberration sphérique :

1-Utiliser l’accentuation de manière sélective

La plupart des programmes de retouche photo vous permettent d’effectuer des ajustements sélectifs. Il suffit d’appliquer un masque à votre photo, puis d’ajouter un renforcement de la netteté (accentuation) sur les bords du cadre.

Selon le programme que vous utilisez, vous pouvez le faire avec un pinceau, un filtre radial ou des masques de fusion.

2-Recadrer

Ce n’est pas une solution idéale, mais comme l’aberration sphérique affecte les bords des photos, vous pouvez toujours recadrer pour éliminer le problème. Si vous prévoyez de faire ça, vous pouvez composer une photo un peu trop large à la prise de vue pour vous laisser un peu de marge au post-traitement lors du recadrage et obtenir la composition souhaitée.

Gardez à l’esprit qu’en recadrant vous perdez des pixels ce qui peut être un inconvénient si vous souhaitez imprimer en grand format, la photo pourrait paraître pixellisée.

Donc, n’utilisez cette méthode que si vous utilisez un appareil photo haute résolution, et/ou si vous prévoyez d’afficher votre photos uniquement sous forme numérique (réseaux sociaux, site web…) et/ou si vous n’imprimez qu’en petits formats.

Conclusion

Lors de la conception d’un objectif, l’ingénieur en optique doit faire une série de compromis complexes pour limiter les aberrations. Comme il n’existe pas d’objectif parfait, les ingénieurs doivent faire les meilleurs compromis possibles compte tenu des restrictions liées à l’utilisation prévue, aux caractéristiques, aux coûts de production et au prix commercialisable.

Bien que vous ne puissiez pas faire grand-chose contre les aberrations de vos objectifs (à l’exception de réduire l’ouverture du diaphragme), il est utile de savoir ce qu’elles sont lorsque vous vous apprêtez à faire un nouvel achat.

Plus important encore, en tant que photographe, vous devez être conscient des limites de vos objectifs, cela vous permet d’exploiter leurs forces et d’éviter d’accentuer leurs faiblesses.

Comme vous pouvez le constater, l’aberration sphérique est un phénomène courant expérimenté par de nombreux photographes. Ce phénomène est plus ou moins un problème en fonction du type de photographie que vous pratiquez (et de l’attention que vous lui accordez !).

Et finalement, le seul moyen d’éviter complètement ce phénomène c’est d’investir dans des objectifs asphériques plus onéreux.

Moi je vous laisse ici à votre aberration sphérique et je vous dis à bientôt sur les internets MONDIAUX !

J’ai aussi une chaîne YouTube !

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