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Sensibilité des APN aux rayonnements IR et UV Au-delà du spectre visible (I)
Les constructeurs d'appareils photos numériques (APN) ne font pas de publicité autour de la sensibilité spectrale de leurs capteurs photosensibles, jugeant que tous les photographes se limitent à la fenêtre "optique" comprise entre 400 et 700 nm environ. La raison est simple. Les objectifs sont spécialement élaborés pour transmettre le maximum de lumière dans ce spectre et focaliser toutes les longueurs d'ondes au même point focal. A défaut on obtient une perte de contraste (jusqu'à 4% par surface air-verre) et de belles aberrations chromatiques autour des objets brillants. Les astronomes connaissent particulièrement bien ce problème et l'avantage d'utiliser des lunettes apochromatiques par exemple pour résoudre ce problème. Indirectement les constructeurs d'APN sous-entendent qu'en limitant les prises de vues au spectre visible, les images ne seront pas parasitées par les rayonnnements UV et IR qui ne focalisent pas au même point focal et rendraient donc les images floues et ajouteraient des reflets indésirables. En fait tous les capteurs photosensibles à base de silicium sont sensibles à un spectre de rayonnements beaucoup plus étendu qui s'étend entre 200 et 1200 nm voire supérieur comme l'explique cette documentation d'Olympus. Les capteurs CCD présentent toutefois un spectre plus étendu et sont plus sensibles aux UV et IR que les CMOS. Applications Rayonnement IR L'imagerie IR s'intéresse aux longueur d'ondes supérieures à 700 nm. Ce rayonnement permet de pénétrer les nappes de brume, le brouillard, d'accenter les détails à l'horizon, de détecter l'émission de la chlorophylle, la bioluminescence IR, etc. En N/B ce rayonnement donne l'impression d'agrandir la profondeur de champ dans les paysages et augmente le contraste des images (et inversement en UV). On utilise principalement cette technique en astronomie planétaire (observation de Mars, de Titan, etc). Il faut placer à part les infrarouges thermiques car ils sont inaccessibles aux APN grand public, leur longueur d'onde s'échelonnant entre 100 et 1 microns soit au-delà de 1000 nm et requièrent des chips photosensibles adaptés à ce rayonnement. Toute lumière est également source de rayonnement infrarouge de même que tout objet porté à plus de quelque 400°C et cela commence par la lumière des bougies. On y reviendra. Rayonnement UV Le rayonnement UV s'étend de 400 à 10 nm. Il est divisé en deux bandes, le proche UV s'étendant de 350 à 200 nm et l'UV extrême s'étendant de 200 à 10 nm. Seul le proche UV est accessible aux techniques amateur.
A ne pas confondre avec les catégories de rayonnement ultraviolet ayant un impact sur la santé, notamment les fameux UV-B dont la longueur d'onde se situe entre 315 et 280 nm. De façon générale, le rayonnement UV trouve surtout des applications en astronomie, en physique, en botanique, en éthymologie, dans la recherche biomédicale, les examens cliniques, l'étude de la distribution des radicaux OH, la métrologie, l'analyse des oeuvres d'art et en criminologie, parfois associé à de la lumière fluorescente. Les sources lumineuses UV sont également nombreuses, allant du Soleil aux lampes à haute et basse pression, en passant par certains halogènes, les tubes néons, au xénon, etc. Ces deux applications sont accessibles aux APN (compact, réflex ou bridge) avec plus ou moins d'adaptations et parfois avec des modèles d'usine simplement équipés d'une optique adaptée ou d'un simple filtre sélectif ainsi que nous allons le découvrir. Sensibilité à l'infrarouge Les capteurs CCD, plus encore que les CMOS, sont très sensibles au rayonnement IR ce qui a conduit tous les fabricants d'APN à ajouter sur leur capteur un filtre IR bloquant qu'on appelle également filtre "hot mirror" afin d'arrêter ou de réfléchir tout rayon infrarouge au-delà de 720 ou 750 nm selon les constructeurs. C'est également une manière de réduire à peu de frais l'aberration chromatique à l'extrémité du spectre. En complément, ce filtre sert également de filtre anti-aliasing. APN sans filtre IR bloquant
Si l'APN n'est pas équipé d'un filtre IR bloquant (ils sont très rares) le capteur présentera une sensibilité jusqu'au-delà de 1100 nm. Dans ce cas on peut facilement isoler le rayonnement IR. Il suffit d'acheter chez tout bon photographe ou même par correspondance sur Internet un filtre Kodak Wratten 89B ou 87 en verre ou en gélatine ainsi qu'une monture porte-filtre et de fixer l'ensemble devant l'objectif de l'APN. La couleur rouge de ce filtre est tellement sombre qu'il est pratiquement opaque au rayonnement visible et ne transmet que le rayonnement infrarouge. La mise au point devra donc être effectuée avant d'installer le filtre sur l'objectif à moins que vous ayez des yeux de nyctalope. Le filtre Wratten 87 bloque tout rayonnement en-dessous de 740 nm mais sa transmission n'est pas constante et augmente jusqu'à atteindre 88.5% à 1100 nm. Le Wratten 89B transmet déjà 10% de lumière à 680 nm mais présente 90.5% de transmission à partir de 960 nm. Le premier présente donc une bande passante plus étroite. Le filtre Hoya R-72 coupant la lumière de 50% à 720 nm présente des caractéristiques très proches du Wratten 89B. Le filtre Wratten 87C coupe la lumière visible à 790 nm, le Hoya RM1000. Tous deux sont en revanche plus sombres et imposeront des temps de pose plus longs atteignant plusieurs dizaines de secondes. Un trépied est donc indispensable. Le filtre 89B est intéressant car il s'étend dans l'IR lointain, donnant des couleurs plus saturées. Le filtre IR Baader #2459211 ne convient pas pour cette application car il perd sa transmission au-delà de 690 nm. En revanche il peut convenir en lumière blanche pour étendre la sensibilité des APN ou pour des travaux de spectroscopie tel que l'explique Christan Buil. APN équipé d'un filtre IR bloquant Pour les APN équipés d'un filtre IR bloquant, la seule solution consiste à utiliser la méthode décrite par Jim Chen sur le site LifePixel. Elle consiste à ouvrir le boîtier (vous perdez la garantie) et à retirer ce filtre IR bloquant. On le reconnaît facilement. Il est transparent à la lumière, recouvert d'un revêtement diélectrique lui donnant une couleur turquoise ou verdâtre. Mais étant donné qu'il présente une certaine épaisseur (~2.5-2.7 mm), il faut le remplacer par un filtre présentant si possible la même dimension. Il doit donc être adapté à votre APN. Si le filtre est trop épais, vous ne pourrez pas refermer le cadre et trop fin, l'élément ne se maintiendra pas en place. C'est la raison pour laquelle on le remplace soit par un filtre clair (ou même "skylight" pour couper l'excès d'UV) soit par un filtre infrarouge type 89B bloquant cette fois la lumière visible sous 680 nm ce qui vous évite de devoir utiliser un filtre IR objectif. On essaye ensuite de remonter l'APN dans le sens inverse. On referme, ni vu ni connu. Précisons que lorsque certains auteurs disent que dans ce cas l'APN devient aveugle au rayonnement visible, c'est dans le sens où ce filtre bloque le rayonnement visible. Le capteur reste évidemment sensible à la lumière blanche. Si aucun filtre infrarouge n'a été placé sur le capteur, un APN ainsi modifié fonctionnera très bien en lumière blanche mais la netteté de l'image sera parasitée par l'image infrarouge .
Après avoir retiré le filtre IR bloquant, si vous souhaitez retrouver un spectre de sensibilité normal, il vous suffit de placer un filtre IR bloquant devant votre objectif. Néanmoins l'interposition de ce filtre va augmenter le temps d'exposition.de +2 EV (ou IL). Rappelons que +1 EV double la durée d'exposition, +2 EV la multiple par 4 et ainsi de suite. Prise de vue Mise au point Généralement l'autofocus ne vous sera d'aucune utilité étant donné l'opacité du filtre IR. Je vous suggère donc de le débrayer. Vous devez réaliser la mise au point manuellement au jugé (ou sans filtre IR puis en le replaçant pour la prise de vue) et vérifier le résultat sur le moniteur. Etant donné la grande différence de mise au point entre le rayonnement IR et la lumière visible, la plupart des appareils indiquent la mise au point sur l'infini en IR par un point rouge situé non loin du symbole de l'infini. A défaut de repère, faites des essais. Durée et modes d'expositions La perte de lumière qu'entraîne un filtre IR nécessite une correction d'exposition qui varie entre +4 EV (89B) et +10 EV (87 et 87C) selon le filtre. Notez que +10 EV représente 2 10 soit de multiplier le temps de pose par 1024. Vous risquez donc de vous retrouvez avec des temps de pose variant entre 1 et 60 secondes.En général, pour éviter les bougés il est prudent de maintenir le temps d'exposition sous 0.25 sec mais il n'est pas exclu que vous deviez augmenter la sensibilité jusqu'à 800 ISO. Si votre APN dispose d'une fonction de réduction de bruit (NR), activez-la, elle sera très utile pour les longues poses.
En photographie infrarouge, deux modes d'expositions sont possibles : en noir et blanc ou en couleur, la sélection s'effectuant sur le menu LCD de l'APN. Les deux techniques procèdent de méthodes différentes. Le mode N/B permet d'obtenir le même résultat que les photographies argentiques IR enregistrées sur film Agfa IR qui se caractérisent par une impression étrange où la neige a enveloppé la végétation, les nuages se détachant sur un ciel devenu noir d'encre et où le paysage devenu irréel a pris de la profondeur. Effet esthétique garanti. Effets de la balance de sblancs En photographie infrarouge couleur, si la balance des blancs est automatique, l'image résultante présentera une dominante rouge orangée. Pour la corriger il faut modifier manuellement la balance des blancs en effectuant différents essais sur différents objets colorés afin d'obtenir un résultat plus ou moins "réaliste" ou du moins esthétique. Une balance des blancs établie sur l'herbe avec un temps de pose proche de 1 seconde, une sensibilité de 200 ISO et un filtre Hoya R-72 donnent de bons résultats (voir plus bas). Que ce soit en N/B ou en couleur, vous avez également la possibilité d'enregistrer soit uniquement le rayonnement IR soit la totalement du spectre, visible + IR. La reproduction des couleurs Si vous travaillez en couleur avec un filtre IR, vous obtiendrez encore une image couleur ! Si cela vous paraît évident, le lecteur attentif s'étonnera toutefois qu'on parle de couleurs alors qu'on enregistre le spectre IR...qui n'est plus une couleur.
En effet, sur un APN, à l'inverse des émulsions Ektachrome IE ou EIR dont une image IR est présentée à gauche, le codage des couleurs est "logique" dans tous les sens du terme. Dans un film IR couleur, le résultat est une image en fausses couleurs. L'émulsion est uniquement constituée de couches RGB sensibles à différentes bandes de fréquences dans le spectre visible. En fonction de la méthode de filtrage, le film IR va associer soit la couche verte soit la couche rouge ou les deux couches à l'infrarouge pour restituer une image couleur. Mais du fait que l'une d'entre elle reproduit une sensibilité décalée dans l'IR, certaines couleurs sont décalés : le vert devient bleu, le rouge devient vert tandis que la composante IR devient rouge. Les paysages prennent ainsi une coloration surréaliste avec des plaines bleu-cyan et des arbres bleu ou rouge assez bizarre. On aime ou on n'aime pas mais on peut critiquer la méthode de codage car sur les 3 canaux de couleur, un seul enregistre le rayonnement IR, les deux autres gardant leur sensibilité à la lumière blanche. L'émulsion Ektachrome n'est qu'à 30% infrarouge. Dans un APN fonctionnant en mode couleur muni d'un filtre IR, même si le spectre visible est exclu de la bande passante, l'image sera en couleur. Pourquoi ? Ainsi que nous le verrons à propos de l'architecture des capteurs photosensibles, grâce à la grille de Bayer RGB, le processeur d'image réalise une interpolation quel que soit le type de rayonnement puisque tous les photons arrivant sur le capteur sont convertis en un certain flux d'électrons. Autrement dit, le capteur ne fait pas la distinction entre le rayonnement IR, l'UV ou la lumière visible comme le fait l'oeil humain. Si cela semble être un inconvénient, en fait c'est un avantage car le capteur convertit tous les rayonnements auxquels il est sensible en couleurs RGB. Et puisque de toute manière personne n'a jamais fait l'expérience de ressentir la "couleur IR", autant accepter le choix arbitraire que nous propose l'APN; il vaut certainement mieux que la solution approximative de l'Ektachrome.
Le résultat est une image étrange où nous perdons toutes nos références au spectre visible. Le résultat varie selon que vous utilisez ou non un filtre plus ou moins sélectif. Sans correction de la balance des blancs, en photographie infrarouge couleur sous un filtre IR Kodak Wratten 89B le paysage baigne dans une dominante jaune-brune (voir début de page), il prend une couleur orange sous filtre UV Hoya U-360 ou Hoya R-72 et devient rose sous filtre Heliopan RG-830. Si vous établissez une balance des blancs sur l'herbe ou un autre sujet, dans tous les cas le ciel ne sera jamais bleu. On peut obtenir un bel effet avec des arbres blancs et un ciel bleu clair en réalisant un traitement d'image après la prise de vue. La méthode la plus simple consiste à ajuster la saturation des couleurs, en inversant par exemple les canaux rouge et bleu. Canal rouge : R = 0%, G = défaut, B = 100%; Canal bleu : R = 100%, G = défaut, B = 0%. Vous pouvez également utiliser les fonctions Auto-couleur et Auto-contraste qui peuvent quelquefois donner de bons résultats. Mais dans ce cas, vous n'aurez aucun contrôle et ne connaîtrez pas les valeurs assignées aux différents canaux. L'effet ne sera peut-être donc pas reproductible. Effets indésirables
Les capteurs des APN étant très sensibles au rayonnement infrarouge et dans un spectre nettement plus étendu que les émulsions agentiques, le moindre reflet, la moindre source lumineuse affectera fortement l'image. Pour réduire ces images parasites, nettoyer méticuleusement les optiques, notamment la lentille frontale ainsi que le filtre objectif avant toute prise de vue. Le multicouche antireflet perdant également ses performances en IR, vos images présenteront un peu plus de reflets et d'images fantômes qu'en lumière visible, tout dépendant de la zone spectrale que vous allez enregistrer en fonction du filtre. Les optiques grands angles et les zooms contenant généralement assez bien de lentilles, la partie centrale de l'image IR peut présenter une zone de surbrillance provoquée par les différentes réflexions internes qui se produisent dans le corps de l'objectif, entre les éléments de lentilles situés à l'arrière et le capteur photosensible. Ce phénomène est généralement réduit sur les optiques de qualité disposant de baffles antireflets internes. Enfin, en photographie en lumière blanche cette fois, les utilisateurs de Nikon D2H éprouveront quelques difficultés lorsqu'ils photographieront à la lumière des bougies. En effet, le filtre IR de cet APN pourtant haut de gamme ne bloque pas suffisamment le rayonnement infrarouge et à tendance à donner des images floues ou surexposées bien que le résultat puisse être tout à fait esthétique. Le cas échéant, profitez-en pour tourner cet inconvénient en avantage et réaliser vos premiers clichés infrarouge ! Deuxième partie
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