Filtre à densité neutre

En photographie et en optique , un filtre à densité neutre , ou filtre ND , est un filtre qui réduit ou modifie l'intensité de toutes les longueurs d'onde , ou couleurs , de la lumière de manière égale, sans modifier la teinte du rendu des couleurs. Il peut s'agir d'un filtre incolore (transparent) ou gris, et est désigné par le numéro Wratten 96. Le but d'un filtre photographique standard à densité neutre est de réduire la quantité de lumière pénétrant dans l'objectif. Cela permet au photographe de sélectionner des combinaisons d' ouverture , de temps d'exposition et de sensibilité du capteur qui produiraient autrement des images surexposées. Cela permet d'obtenir des effets tels qu'une profondeur de champ plus faible ou un flou de mouvement d'un sujet dans une plus large gamme de situations et de conditions atmosphériques .

Par exemple, on peut vouloir photographier une cascade avec une vitesse d'obturation lente pour créer un effet de flou de mouvement délibéré . ​​Le photographe peut décider que pour obtenir l'effet désiré, une vitesse d'obturation de dix secondes est nécessaire. Par temps très lumineux, il peut y avoir tellement de lumière que même avec une vitesse de film et une ouverture minimales, la vitesse d'obturation de dix secondes laisserait entrer trop de lumière et la photo serait surexposée. Dans cette situation, l'application d'un filtre à densité neutre approprié équivaut à réduire d'un ou plusieurs diaphragmes supplémentaires , ce qui permet d'obtenir une vitesse d'obturation plus lente et l'effet de flou de mouvement souhaité.

Pour un filtre ND avec une densité optique d , la fraction de la puissance optique transmise à travers le filtre peut être calculée comme

où I est l'intensité après le filtre, et I ₀ est l'intensité incidente.

L'utilisation d'un filtre ND permet au photographe d'utiliser une ouverture plus grande qui se situe à la limite de diffraction ou en dessous , laquelle varie en fonction de la taille du support sensoriel (film ou numérique) et pour de nombreux appareils photo se situe entre f /8 et f /11, les supports sensoriels plus petits nécessitant des ouvertures plus grandes, et les plus grands pouvant utiliser des ouvertures plus petites. Les filtres ND peuvent également être utilisés pour réduire la profondeur de champ d'une image (en permettant l'utilisation d'une ouverture plus grande) lorsque cela n'est pas possible en raison d'une limite de vitesse d'obturation maximale.

Au lieu de réduire l'ouverture pour limiter la lumière, le photographe peut ajouter un filtre ND pour limiter la lumière, puis régler la vitesse d'obturation en fonction du mouvement particulier souhaité (flou du mouvement de l'eau, par exemple) et l'ouverture réglée selon les besoins (petite ouverture pour une netteté maximale ou grande ouverture pour une profondeur de champ étroite (sujet net et arrière-plan flou)). À l'aide d'un appareil photo numérique, le photographe peut voir l'image immédiatement et choisir le meilleur filtre ND à utiliser pour la scène capturée en connaissant d'abord la meilleure ouverture à utiliser pour la netteté maximale souhaitée. La vitesse d'obturation serait sélectionnée en trouvant le flou souhaité à partir du mouvement du sujet. L'appareil photo serait configuré pour cela en mode manuel, puis l'exposition globale ajustée plus sombre en ajustant soit l'ouverture, soit la vitesse d'obturation, en notant le nombre d'arrêts nécessaires pour amener l'exposition à celle souhaitée. Ce décalage serait alors le nombre d'arrêts nécessaires dans le filtre ND à utiliser pour cette scène.

Voici quelques exemples d’utilisation de ce type :

• Mouvement flou de l'eau (par exemple cascades, rivières, océans).
• Réduction de la profondeur de champ en cas de lumière très vive (par exemple la lumière du jour).
• Lorsque vous utilisez un flash sur un appareil photo avec un obturateur à plan focal, le temps d'exposition est limité à la vitesse maximale (souvent 1/250e de seconde, au mieux), à laquelle l'intégralité du film ou du capteur est exposée à la lumière en un instant. Sans filtre ND, cela peut entraîner la nécessité d'utiliser f /8 ou plus.
• Utiliser une ouverture plus large pour rester en dessous de la limite de diffraction .
• Réduisez la visibilité des objets en mouvement.
• Ajoutez un flou de mouvement aux sujets.
• Expositions prolongées

Les filtres à densité neutre sont utilisés pour contrôler l'exposition avec les objectifs catadioptriques photographiques , car l'utilisation d'un diaphragme à iris traditionnel augmente le rapport de l'obstruction centrale trouvée dans ces systèmes, ce qui entraîne de mauvaises performances.

Les filtres ND trouvent des applications dans plusieurs expériences laser de haute précision car la puissance d'un laser ne peut pas être ajustée sans modifier d'autres propriétés de la lumière laser (par exemple la collimation du faisceau). De plus, la plupart des lasers ont un réglage de puissance minimal auquel ils peuvent fonctionner. Pour obtenir l'atténuation lumineuse souhaitée, un ou plusieurs filtres à densité neutre peuvent être placés sur le trajet du faisceau.

Les grands télescopes peuvent rendre la Lune et les planètes trop lumineuses et leur faire perdre du contraste. Un filtre à densité neutre peut augmenter le contraste et réduire la luminosité, ce qui rend ces objets plus faciles à observer.

Un filtre ND gradué est similaire, sauf que l'intensité varie sur toute la surface du filtre. Cela est utile lorsqu'une région de l'image est lumineuse et le reste non, comme dans une photo d'un coucher de soleil.

La zone de transition, ou bord, est disponible en différentes variantes (doux, dur, atténuateur). Le plus courant est un bord doux et offre une transition en douceur entre le côté ND et le côté clair. Les filtres à bord dur ont une transition nette du ND au clair, et le bord de l'atténuateur change progressivement sur la majeure partie du filtre, de sorte que la transition est moins perceptible.

Un autre type de configuration de filtre ND est la roue à filtre ND . Elle se compose de deux disques en verre perforés sur lesquels un revêtement progressivement plus dense est appliqué autour de la perforation sur la face de chaque disque. Lorsque les deux disques tournent en sens inverse l'un en face de l'autre, ils passent progressivement et uniformément de 100 % de transmission à 0 % de transmission. Ils sont utilisés sur les télescopes catadioptriques mentionnés ci-dessus et dans tout système qui doit fonctionner à 100 % de son ouverture (généralement parce que le système doit fonctionner à sa résolution angulaire maximale ).

En pratique, les filtres ND ne sont pas parfaits, car ils ne réduisent pas l'intensité de toutes les longueurs d'onde de manière égale. Cela peut parfois créer des dominantes de couleur dans les images enregistrées, en particulier avec des filtres bon marché. Plus important encore, la plupart des filtres ND ne sont spécifiés que sur la région visible du spectre et ne bloquent pas proportionnellement toutes les longueurs d'onde du rayonnement ultraviolet ou infrarouge . Cela peut être dangereux si vous utilisez des filtres ND pour observer des sources (comme le soleil ou le métal ou le verre chauffé à blanc ) qui émettent un rayonnement invisible intense, car l'œil peut être endommagé même si la source ne semble pas brillante lorsqu'elle est observée à travers le filtre. Des filtres spéciaux doivent être utilisés pour observer ces sources en toute sécurité.

Une alternative peu coûteuse et artisanale aux filtres ND professionnels peut être fabriquée à partir d'un morceau de verre de soudeur. Selon la valeur nominale du verre de soudeur, cela peut avoir l'effet d'un filtre à 10 arrêts.

Le principal inconvénient des filtres à densité neutre est que différentes situations peuvent nécessiter une gamme de filtres différents. Cela peut devenir une proposition coûteuse, en particulier si vous utilisez des filtres à vis avec différentes tailles de filtre d'objectif, ce qui nécessiterait de transporter un jeu pour chaque diamètre d'objectif transporté (bien que des bagues d'adaptation peu coûteuses puissent éliminer cette exigence). Pour contrer ce problème, certains fabricants ont créé des filtres à densité neutre variable. Ceux-ci peuvent fonctionner en plaçant deux filtres polarisants ensemble, dont au moins un peut pivoter. Le filtre polarisant arrière coupe la lumière dans un plan. Lorsque l'élément avant tourne, il coupe une quantité croissante de la lumière restante, à mesure que les filtres avant se rapprochent de la perpendiculaire au filtre arrière. En utilisant cette technique, la quantité de lumière atteignant le capteur peut être modifiée avec un contrôle presque infini.

L’avantage de cette approche est la réduction de l’encombrement et des coûts, mais l’inconvénient est la perte de qualité de l’image causée à la fois par l’utilisation de deux éléments ensemble et par la combinaison de deux filtres polarisants.

Pour créer des paysages marins et des paysages à l'aspect éthéré avec de l'eau extrêmement floue ou d'autres mouvements, l'utilisation de plusieurs filtres ND empilés peut être nécessaire. Cela a, comme dans le cas des filtres ND variables, pour effet de réduire la qualité de l'image. Pour remédier à cela, certains fabricants ont produit des filtres ND extrêmes de haute qualité. En général, ceux-ci sont évalués à une réduction de 10 niveaux, ce qui permet des vitesses d'obturation très lentes même dans des conditions relativement lumineuses.