Le lampadaire a changé de couleur : les filtres antipollution lumineuse au smartphone

L’emballage promet un ciel de montagne depuis le balcon. À l’intérieur, un verre rond monté sur une pince en plastique, à clipser sur la caméra du téléphone, et l’étiquette assure que la lumière de la ville reste dehors. Cette promesse a reposé sur de la vraie physique pendant trente ans. Puis deux choses ont changé : les lampes dans la rue, et l’instrument sur lequel vous fixez le filtre. Elles n’ont aucun rapport entre elles, et chacune suffit à elle seule à gâcher l’achat.

Le filtre est né contre deux raies

Les lampes qui ont éclairé nos villes jusqu’à hier n’émettaient pas de lumière blanche : elles émettaient des raies. Le sodium basse pression concentre presque toute son émission dans le doublet à 589,0 et 589,6 nanomètres, celui que les manuels de spectroscopie appellent les raies D. La vapeur de mercure ajoute une poignée de raies brillantes, le bleu à 435,8, le vert à 546,1, le couple jaune autour de 577 et 579. Ces longueurs d’onde figurent depuis des décennies dans les bases atomiques du NIST et ne bougent pas d’un nanomètre.

À ce stade, un filtre interférentiel a une tâche presque triviale. On empile des couches minces qui renvoient ces raies et laissent passer le reste, on met le verre devant l’appareil, et le fond de ciel s’effondre pendant que les étoiles restent où elles étaient. Le signal qui intéresse un astrophotographe tombe heureusement presque toujours ailleurs : l’hydrogène alpha à 656,3 nanomètres, l’oxygène deux fois ionisé à 495,9 et 500,7, la lumière des étoiles étalée sur tout le visible. Soustraire étroit, garder large. C’était de l’arithmétique, et ça marchait.

Puis le lampadaire est devenu blanc

Une LED blanche se fabrique d’une manière qui n’a rien à voir avec les raies. On prend un émetteur bleu, on pose dessus un luminophore qui réémet sur une bande très large, et il en sort un spectre continu qui couvre le visible d’un bout à l’autre. Dans le spectre de ce lampadaire, il n’y a plus rien d’étroit à couper.

DarkSky International résume la conséquence sans ménagement : à quantité de lumière émise égale, une LED blanche riche en bleu pollue le ciel environ deux fois et demie plus qu’une lampe au sodium haute pression, et l’atlas mondial de la brillance artificielle du ciel avertissait qu’une conversion menée sans limiter l’émission bleue pouvait plus que doubler la luminosité du ciel nocturne. Les mesures de terrain vont dans le même sens. En 2023, Kyba et ses collègues ont publié dans Science l’analyse de plus de cinquante mille observations à l’œil nu recueillies entre 2011 et 2022 par le projet Globe at Night : la perte d’étoiles visibles rapportée par les participants équivaut à une croissance de la luminosité du ciel de 9,6 pour cent par an.

Un fond continu occupe exactement les mêmes longueurs d’onde que votre cible. Quelle que soit la bande que le filtre décide de bloquer, il bloque la même fraction de galaxie, d’amas et de Voie lactée. Le verre continue de faire son métier avec précision. Le métier, lui, est devenu inutile.

Devant un grand angle, ce verre travaille de travers

Il y a un deuxième ennui, et celui-là vise le téléphone en particulier. La bande passante d’un filtre interférentiel dépend de l’angle sous lequel la lumière le traverse. Tous les fabricants d’optique écrivent la règle de la même façon, Edmund Optics compris : la longueur d’onde se déplace comme la racine de un moins le carré du sinus de l’angle divisé par l’indice effectif de l’empilement, et cet indice se situe en général entre 1,5 et 2,5. Hors de l’axe, la bande glisse toujours vers le bleu.

Sur un télescope, le calcul se fait sur le cône de lumière, et là déjà ça mord : Astronomik annonce son CLS-CCD pour des rapports d’ouverture de f/3 et plus fermés, c’est-à-dire des cônes assez doux. La caméra principale d’un téléphone tourne autour de f/1,8. Le vrai problème vient pourtant d’ailleurs : la pince se trouve devant l’objectif au lieu d’être derrière, donc ce verre ne voit pas le cône d’un seul point, il voit tout le champ cadré. Un objectif de 24 millimètres équivalents couvre environ 74 degrés en largeur : sur les bords, la lumière arrive sur le filtre à 37 degrés de l’axe, et dans les coins au-delà de 40. Votre ultra grand angle, qui dépasse la centaine de degrés, s’en sort nettement moins bien.

Le calcul est rapide et mérite d’être fait. Avec un indice effectif de 2, une bande centrée sur l’hydrogène alpha à 656 nanomètres au centre de l’image en mesure environ 626 sur le bord : trente nanomètres de glissement, alors que les filtres à bande étroite se vendent en six ou douze nanomètres de large. Le bord de votre image reçoit un autre filtre que celui que vous avez acheté. Sur un filtre à bande large de type CLS, dont la transition se situe vers 590 nanomètres, ce seuil descend sous 565 sur le bord et commence à manger du vert.

Le résultat se voit avant toute autre chose : une dominante qui change du centre vers les coins, donc une photo où la balance des blancs n’a pas de solution unique, puisque aucune correction ne rattrape l’image entière d’un coup. Empiler cent poses n’y change rien. Le gradient est identique dans les cent, il traverse la moyenne intact.

Le budget de photons finit en déficit

Reste l’argument le plus simple, celui qui tient en deux fractions. Appelons s la part de signal que le filtre laisse passer et b la part de fond de ciel. Tant que le bruit de photon du fond commande, le rapport signal sur bruit évolue comme s divisé par la racine de b.

Avec les vieilles lampes, l’affaire était généreuse. Un filtre coupant deux tiers d’un fond concentré sur quelques raies tout en laissant passer neuf dixièmes du signal porterait le rapport à une fois et demie sa valeur de départ, plus d’un demi-diaphragme gagné sans rien toucher. Avec un fond continu, s et b se ressemblent, le rapport se réduit à la racine de s, et tout ce que le filtre enlève, vous le payez. Couper la moitié de la lumière pour tenir dehors la moitié de la ville vous laisse 70 pour cent du rapport signal sur bruit d’avant, à nombre de poses égal. Le récupérer signifie doubler les poses, et une batterie qui a froid n’a pas envie d’en discuter.

Là où un verre sert encore, et ce n’est pas ici

Le mauvais filtre reste un bon outil conçu pour une autre optique. En bande étroite sur l’hydrogène alpha et l’oxygène, derrière un objectif lent et sur une monture qui suit, il demeure la meilleure façon de photographier les nébuleuses en émission depuis le centre d’une ville, car là, la cible émet vraiment en raies et le fond continu peut être massacré sans pitié. À l’oculaire, un UHC ou un OIII sur une nébuleuse planétaire fait toujours un travail qui ressemble à de la magie.

Et puis il y a le seul filtre qui, sur un téléphone, relève de l’obligation, le solaire certifié, celui qui garde en vie votre capteur et vos yeux. Celui-là s’achète, se contrôle avant chaque usage et ne se remplace par rien.

Ce qui marche vraiment à la place du verre

Contre un ciel éclairé en spectre continu, il reste quatre gestes, tous plus efficaces qu’un accessoire. La distance d’abord : une demi-heure de voiture vers un ciel une classe plus sombre vaut mieux que n’importe quelle lame de verre, et l’échelle de Bortle vous dit ce que vous gagnez avant même de partir. La hauteur ensuite : viser haut en tournant le dos au dôme lumineux de la ville met moins d’air éclairé dans la ligne de visée, puisque à trente degrés au-dessus de l’horizon vous en traversez le double qu’au zénith.

Troisièmement, le nombre de poses. Le bruit du fond décroît comme la racine du nombre d’images empilées, et trois cents poses de huit secondes affrontent le halo urbain mieux que n’importe quel filtre, sans voler un seul photon à la cible. Quatrièmement, le gradient s’enlève après, au traitement, où un modèle de fond de ciel bien soustrait nettoie ce que le verre se serait contenté de colorer autrement.

Une chose physique vaut la peine d’être bricolée : un écran. Quand le lampadaire est hors cadre mais que sa lumière frappe quand même la lentille frontale, un carton noir plié en pare-soleil supprime des reflets et des halos qu’aucun filtre ne peut toucher, parce que cette lumière est exactement celle qu’il doit laisser passer quand elle vient des étoiles.

Le bon verre contre le lampadaire moderne existe, il se vend partout et il coûte peu. Il s’appelle le kilomètre.