Pouvoir de résolution

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Le pouvoir de résolution, ou pouvoir de séparation, ou pouvoir séparateur, ou la résolution spatiale, exprime la capacité d'un système optique de mesure ou d'observation – les microscopes, les télescopes ou l'œil, mais aussi certains détecteurs, particulièrement ceux utilisés en imagerie – à distinguer les détails. Il peut être caractérisé par l'angle ou la distance minimal(e) qui doit séparer deux points contigus pour qu'ils soient correctement discernés[1]. Il peut, de façon équivalente, être caractérisé par la fréquence spatiale maximale que le système permet de mesurer ou restituer : il est alors exprimé en cycles par millimètre (cy/mm) ou en paires de lignes par millimètre (pl/mm)[2].

La définition du pouvoir de résolution peut tout aussi bien s'appliquer à une capacité de résolution spatiale, spectrale[3] et même temporelle[4].

Limite de diffraction[modifier | modifier le code]

Les instruments optiques contiennent le plus souvent une chambre noire, la lumière passant par l'ouverture de la chambre noire subit une diffraction. Même si le système optique est considéré parfait dans les sens où il est dénué de toute aberration, la diffraction limite son pouvoir de résolution : un objet ponctuel donne une image « floue », appelée tache d'Airy. Si deux détails d'un objet sont trop proches, les taches de diffraction se chevauchent et il devient impossible d'obtenir des images séparées de ces détails.

Tache d'Airy[modifier | modifier le code]

Tache d'Airy simulée.
En alternance ː contraste normal / contraste exagéré pour les basses lumières.
Article détaillé : Tache d'Airy.

Pour un instrument optique d'ouverture circulaire de diamètre (en mètre) traversé par une onde monochromatique de longueur d'onde (en mètre), la figure d'interférence obtenue, nommée tache d'Airy, présente un premier cercle noir pour un angle par rapport à l'axe de révolution (en radian) de[5] :

.

Évaluation quantitative[modifier | modifier le code]

a. Critère de Schuster.
b. Critère de Rayleigh.
c. Critère de Sparrow.
d. Les taches sont indiscernables.
En alternance ː contraste normal / contraste exagéré pour les basses lumières.
Le contraste diminue à mesure que la fréquence spatiale augmente jusqu'à ce que les lignes soient indiscernables.

Plusieurs critères différents peuvent être utilisés selon les domaines d'application. Ils donnent une condition sur la distance entre deux taches d'Airy permettant la séparation entre les points[6] ; ils sont valables pour des systèmes optiques à symétrie de révolution[7].

En terme d'angle[modifier | modifier le code]

  • Le critère de Schuster stipule que deux pics sont séparables pour une configuration où leurs lobes centraux ne se recouvrent pas[8]. Le critère de Shuster est plus contraignant que celui de Rayleigh et deux points doivent donc être espacés d'un angle supérieur à .
  • Le critère de Rayleigh stipule que deux pics sont séparables pour une configuration où la première annulation du disque correspond au maximum du second[9]. Deux points doivent donc être espacés d'un angle supérieur à .
  • Le critère de Sparrow stipule que deux pics sont séparables si la dérivée seconde de l'éclairement s'annule[10] (point d'inflexion), autrement dit si la forme de la somme des deux pics ressemble encore à une selle de cheval. Ce critère, utilisé en astronomie, pondère par 0,84 le résultat obtenu avec le critère de Rayleigh[11] ː .

Seul le critère de Rayleigh sera retenu dans le reste de l'article.

En termes de distance[modifier | modifier le code]

Dès lors que l'on s'intéresse à une image formée sur un écran ou une surface photosensible, on préfère donner la résolution comme la distance entre deux points qui pourront être discernés ː

, où est la distance qui sépare la pupille circulaire et la surface cible.

En ce qui concerne les objectifs photographiques, si la surface photosensible se situe dans le plan focal (mise au point à l'infini) à une distance du diaphragme, la résolution d'un objectif parfait seulement limité par la diffraction ne dépend que du nombre d'ouverture . La distance minimale qui doit séparer deux points est donnée par ː

.

En termes de fréquence spatiale[modifier | modifier le code]

Enfin, si on parle plutôt d'alternance de lignes successives noires et blanches, la distance est la distance entre deux lignes noires, soit une paire de lignes. Le pouvoir de résolution du fait de la diffraction s'exprime en termes de fréquence spatiale maximale (généralement exprimée en cycles par millimètre ou paires de lignes par millimètre) ː

.

Cette limite, fixée par le critère de Rayleigh, apparaît sur les courbes de fonctions de transfert de modulation (FTM) pour un contraste à environ 9 %.

Ordres de grandeur du pouvoir de résolution spatial[modifier | modifier le code]

Pouvoir de résolution de la vision humaine[modifier | modifier le code]

Article détaillé : acuité visuelle.

Le pouvoir de résolution de l'œil est d'environ une minute d'arc (1' = 1/60° = 0,017°), soit environ 100 km sur la surface de la Lune vue de la Terre, ou plus proche de nous, un détail d'environ 1 mm pour un objet ou une image situé à 3 m de distance. Il est limité par la densité de cônes au niveau de la partie la plus sensible de la rétine. Il est intéressant de constater que cette densité est naturellement optimisée pour correspondre à la limite de diffraction.

L'image ci-dessous fait apparaître un même sujet avec trois résolutions différentes. À partir d'une certaine distance, l'œil ne fait plus la différence. Il est alors possible de déterminer la résolution d'un ou des deux yeux : il s'agit du rapport entre la taille des gros pixels (image de droite) et la distance à partir de laquelle on ne perçoit plus de différence entre les images.

Resolution test.jpg

Résolution des télescopes[modifier | modifier le code]

Pour un télescope de 10 m de diamètre, et pour une longueur d'onde de 550 nm au milieu du domaine visible, le pouvoir de résolution théorique est d'environ 0,014 seconde d'arc[a] (3,8×10-6 degré), mais il ne peut être atteint sans l'usage d'optique adaptative en raison de la turbulence atmosphérique qui « floute » les images. Pour obtenir une meilleure résolution, on peut utiliser une optique de plus grand diamètre : c'est ce qui justifie la course aux grands télescopes. Une variante est d'utiliser l'interférométrie entre des télescopes distants.

Outil diamètre (m) (rad) (") Détails sur la Lune Détails à 200 km
Œil 0,0025 2,7×10-4 55 103 km 53 m
0,010 6,7×10-5 13 25 km 13 m
Jumelles 0,050 1,3×10-5 2,8 5 km 2,7 m
0,10 6,7×10-6 1,4 2,6 km 1,3 m
Télescope 150 0,15 4,5×10-6 0,92 1,7 km 89 cm
0,20 3,4×10-6 0,69 1,3 km 67 cm
Télescope 1 m 1,0 6,7×10-7 0,14 260 m 13 cm
Hubble 2,4 2,8×10-7 0,058 110 m 55 mm
VLT 8,0 8,4×10-8 0,017 32 m 16 mm
Télescopes du Keck 10 6,7×10-8 0,014 25 m 13 mm
E-ELT (2024) 40 1,7×10-8 0,0035 6 m 3,3 mm
Les calculs ci- dessus sont effectués, comme précédemment, avec le critère de Rayleigh et pour une longueur d'onde de 550 nm ; .

Résolution des microscopes[modifier | modifier le code]

Pour un microscope optique de 1 cm de diamètre, le pouvoir de résolution théorique est d'environ 14 secondes d'arc[b] (3,8×10-3 degré). Pour un échantillon situé à 1 cm, ce microscope permettrait de distinguer deux points situés à 0,67 μm[b]. Afin d'obtenir une meilleure résolution l'observation peut être effectuée des longueurs d'ondes plus petites grâce aux ultraviolets en microscopie optique. La microscopie électronique exploite aussi ce phénomène en utilisant des électrons de très faible longueur d'onde.

Photographie[modifier | modifier le code]

Les fabricants d'objectifs[12], de négatifs[13] ou de capteurs fournissent des courbes de fonction de transfert de modulation (FTM), qui constituent une autre façon de présenter la capacité d'un système à restituer les détails. La résolution est fournie sous forme d'une fréquence spatiale en cycles par millimètre[12],[13] ou en nombre de lignes par hauteur d'image[14]. Cependant, il est possible d'évaluer le pouvoir de résolution pour les surfaces photosensibles ou pour les objectifs selon les critères précédemment cités.

Pellicule photographique[modifier | modifier le code]

Le pouvoir de résolution d'un négatif photographique est limité par la finesse des grains de l'émulsion ː il est de l'ordre de 50 à 100 paires de lignes par millimètre[15],[13].

Capteur électronique[modifier | modifier le code]

Pour un capteur photographique, la résolution est limitée par la définition du capteur. Selon le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon, pour un capteur 24 × 36 mm de 3 840 × 5 760 pixels[16], la résolution est de 80 pl/mm ; il faudrait pondérer cette valeur à la baisse par un facteur de Kell (en) prenant en compte l'ouverture des pixels (le fait qu'il ne soit pas ponctuels). De plus, les capteurs sont souvent précédés d'un filtre passe bas (filtre antialiasing ou anticrénelage) qui permet la formation d'un image légèrement flou afin d'éviter le moiré mais qui diminue la résolution. Mais bien souvent, l'optique est le facteur limitant.

Objectifs photographiques[modifier | modifier le code]

Dans le cas des petites ouvertures, le pouvoir de résolution est limité par le phénomène de la diffraction comme présenté au paragraphe précédent. Les résultats des calculs rassemblés dans le tableau ci-dessous sont indépendants du format utilisé : il en découle le fait que les petits capteurs sont plus affectés que les gros par la diffraction. La tache d'Airy est bien plus grosse qu'un pixel pour les petits capteurs dès les ouvertures moyennes.

Nombre d'ouverture f /2,8 f /4 f /5,6 f /8 f /11 f /16 f /22
Diamètre de la tache d'Airy (μm) 3,8 5,4 7,6 11 15 21 30
Distance minimale entre deux points (μm) 1,9 2,7 3,8 5,4 7,6 11 15
Fréquence spatiale (pl/mm) 530 370 260 190 130 93 66
Les calculs ci- dessus sont effectués, comme précédemment, avec le critère de Rayleigh et pour une longueur d'onde de 550 nm.

La résolution d'un système optique complet (optique PLUS capteur) est le résultat de la combinaisons des effets de l'objectif et du capteur. En effet, l'objectif ayant un diamètre donné, la résolution maximale est donnée par le diamètre de la tache d'Airy. Traduit mathématiquement, cet effet est représenté sous la forme d'une courbe "modulation en fonction de la fréquence spatiale". Par définition la modulation vaut 1 pour les objets uniformes. Quand le nombre de points, ou la fréquence spatiale, augmentent, la modulation diminue pour arriver à zéro quand plus aucun contraste n'est visible sur le capteur. On est en présence d'un filtre "passe-bas" c'est à dire un objet qui ne donne que les détails de faible fréquence.

D'autre part, le capteur est composé d'un nombre élevé de détecteurs individuels. Ces capteurs sont soumis au Théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon qui donne la fréquence maximale qu'ils peuvent détecter. Si les images des objets sur le capteur sont plus proches que la distance entre deux détecteurs voisins, des phénomènes de déphasage apparaissent jusqu'à reproduire l'objet comme s'il avait une fréquence spatiale plus basse que la réalité. C'est le phénomène d'Aliaising aussi connu comme effet de Moiré.

Un système optique bien pensé doit empêcher que les images des objets soient plus rapprochées sur le capteur que la distance entre deux détecteurs. On profite heureusement du pouvoir "filtre passe-bas" de l'optique pour obtenir ce résultat. Grâce à l'optique, les objets à trop haute fréquence spatiale sont projetés sur le capteur avec un contraste nul et ne sont donc pas visibles par le capteur.

Inversement, il ne sert à rien d'avoir un capteur miniature avec des millions de pixels si l'optique ne permet pas de former une image à haute résolution sur le capteur, c'est le cas des optique trouvées dans les téléphones portables et autres appareils miniature.

Pour les grandes ouvertures, la diffraction devient négligeable ː l'image est principalement perturbée par les diverses aberrations. Les objectifs présentent généralement un pouvoir de résolution optimum pour les ouvertures moyennes.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Détail du calcul ː .
  2. a et b Détail du calcul ː  ; .

Références[modifier | modifier le code]