Objectifs en fluorine, asphériques, UD et BR

Les photographes aiment parfois qualifier les objectifs de « verre » mais ils sont évidemment bien plus complexes que de simples morceaux de verre et les optiques des objectifs modernes peuvent inclure des matériaux tels que de la fluorine et du plastique ainsi que différents types de verre. Tous ces matériaux, chacun présentant des propriétés uniques, sont utilisés pour améliorer les performances optiques, de la réduction des aberrations à l'amélioration de la netteté et du contraste.

Dans ce guide, nous présenterons certains matériaux et technologies utilisés dans les lentilles des objectifs et nous expliquerons en quoi ils contribuent à l'amélioration de la qualité de l'image.

Qu'est-ce que l'aberration chromatique ?
Objectifs en fluorine
Objectifs sphériques versus objectifs asphériques
Fabrication des lentilles d'objectifs asphériques
Verre à dispersion ultra-faible
Optiques diffractives du spectre bleu (BR)

Lorsque la lumière traverse un objectif, elle se réfracte (s'infléchit). En outre, différentes couleurs (longueurs d'onde de lumière) sont réfractées à différents degrés, ce qui peut également diviser les couleurs qui la constituent, telle la lumière qui passe à travers un prisme.

Ce phénomène est appelé aberration chromatique. Cela signifie que l'objectif n'est plus en mesure de rassembler toutes les différentes couleurs sur le même point focal et produit alors une image floue. Dans le pire des cas, un effet de moiré est visible sur certains bords.

L'aberration chromatique est inhérente aux lentilles en verre en raison des propriétés physiques du verre, mais d'autres matériaux peuvent atténuer ce problème dans une certaine mesure. Plus l'indice de réfraction de l'objectif est bas, moins la lumière est infléchie et plus l'image est nette. De même, plus le taux de dispersion est faible, moins la lumière est décomposée, ce qui facilite la correction des aberrations chromatiques.

Il est important de noter qu'en plus des solutions optiques, Canon a développé des solutions avancées pour traiter l'aberration chromatique dans les images lors de la post-production. La technologie de réseau neuronal de Canon utilise l'intelligence artificielle pour analyser les images, détecter l'aberration chromatique et la corriger de manière intelligente afin d'obtenir des images nettes dotées de couleurs réalistes.

La fluorine est un cristal d'origine naturelle doté de trois propriétés spéciales qui le rend particulièrement adapté à une utilisation dans les objectifs : il transmet bien la lumière infrarouge et ultraviolette, dispose d'un indice de réfraction très bas et affiche une faible dispersion. Cela signifie que les lentilles en fluorine réduisent considérablement l'aberration chromatique par rapport aux objectifs en verre.

Dès le XIXème siècle, les cristaux de fluorine naturels étaient utilisés dans les objectifs des microscopes, mais dans la nature, la fluorine se forme en tout petits cristaux qui ne sont pas adaptés à une utilisation dans les objectifs photographiques. Pour résoudre ce problème, Canon crée ses propres cristaux synthétiques de fluorine dans des quantités suffisantes à partir desquels les objectifs photographiques sont fabriqués.

L'étape suivante consiste à meuler la fluorine pour en faire des lentilles. C'est un défi supplémentaire car la fluorine est difficile à meuler. Cependant, les ingénieurs Canon ont développé une nouvelle technique de meulage pour garantir des lentilles en fluorine sans défauts. L'inconvénient est que le meulage d'une lentille en fluorine est quatre fois plus long que pour une lentille en verre, ce qui explique en partie l'augmentation du coût d'un objectif Canon de la série L. Néanmoins, il en résulte des objectifs qui éliminent pratiquement toute aberration chromatique, offrant des images plus nettes puisque la lumière est enregistrée comme un point plutôt que comme un flou de couleurs.

Le premier objectif Canon à contenir une lentille en fluorine était le FL-F 300mm f/5.6, produit en 1969.

À l'origine, tous les objectifs étaient sphériques. Il s'agit de la forme la plus facile à réaliser, mais pas la plus adaptée pour restituer la netteté des images car il est impossible de faire en sorte que des rayons lumineux parallèles convergent vers un même point. Ce phénomène entraîne un problème appelé aberration sphérique. Les concepteurs des objectifs ont découvert qu'une lentille asphérique permettrait d'éliminer ce type d'aberration, car la courbure de l'objectif pourrait servir à faire converger les rayons lumineux vers un seul point. La théorie est une chose, la pratique est tout à fait autre chose.

Le degré d'asphéricité est si faible que des processus de fabrication spéciaux ont été créés pour rester dans la tolérance requise de 0,1 micron. Mesurer la courbure nécessite une précision accrue. Ce n'est qu'en 1971 que le premier objectif d'appareil photo reflex doté d'une lentille asphérique a été produit : le Canon FD55mm f/1.2AL. Mais il n'était pas parfait. En réalité, il a fallu attendre deux autres années avant que les techniques de fabrication atteignent le niveau requis pour obtenir une image bien plus nette.

Aujourd'hui, les lentilles asphériques sont meulées et polies avec une telle précision que si le degré d'asphéricité s'écarte de seulement 0,02 micron (1/50 000e de millimètre) du degré idéal, la lentille est rejetée.

Les lentilles asphériques aident à compenser la distorsion des objectifs à grand-angle et à compenser (voire éliminer) les aberrations sphériques des objectifs dotés d'une grande ouverture maximale. Grâce à elles, Canon produit des objectifs plus compacts que ce qui était possible auparavant en utilisant uniquement des lentilles sphériques. Cela est dû au fait que les conceptions des objectifs traditionnels impliquaient souvent des arrangements complexes de plusieurs lentilles pour minimiser les aberrations. Aujourd'hui, un seul objectif asphérique peut produire le même résultat, offrant ainsi un objectif plus léger, plus compact pour une netteté supérieure.

Les lentilles asphériques meulées sont meulées individuellement et polies à un degré de précision extrême. Le processus s'applique à différents types de verre et peut être utilisé pour produire des lentilles asphériques de grand diamètre par rapport aux objectifs sphériques.

Meuler et polir une lentille asphérique est un processus fastidieux et coûteux mais l'évolution de la fabrication permet maintenant de mouler les lentilles asphériques. Les lentilles asphériques en plastique moulé (PMo) sont formées en injectant de la résine optique dans un moule présentant une surface asphérique, puis en appliquant des couches pour apporter une finition à l'objectif. Ces lentilles ont l'avantage de présenter un poids léger, de pouvoir être produites en grande quantité pour un coût réduit et de pouvoir améliorer considérablement la qualité d'image des objectifs d'entrée de gamme.

Les objectifs asphériques en verre moulé (GMo) à grand diamètre sont fabriqués à l'aide de différents types de verre optique ramolli par de fortes températures, puis façonné dans un moule asphérique en métal. Les moules doivent bien sûr être fabriqués de manière très précise pour s'assurer que le verre fondu garde exactement la même forme. Ils doivent également prendre en compte la modification des dimensions des lentilles une fois le verre refroidi et poli.

Le moulage du verre permet une fabrication en grande quantité tandis que les lentilles produites conservent les propriétés de résistance aux rayures et à la chaleur du verre. Bien que leur fabrication reste un processus de précision, les lentilles moulées sont moins chères à produire que les lentilles meulées, ce qui permet de les utiliser sur les objectifs grand public.

En 1990, Canon a développé une quatrième technologie pour produire des répliques d'objectifs asphériques en utilisant une résine pour former une couche de surface de l'objectif asphérique sur une lentille sphérique. Une résine optique est ensuite ajoutée sur un objectif en verre sphérique, formée à l'aide d'un moule de presse de surface asphérique, puis durcie avec la lumière ultraviolette. Ce processus peut être utilisé avec différents matériaux en verre et différentes tailles de base en verre, offrant ainsi une grande flexibilité dans la conception. Outre leur coût réduit, les répliques des objectifs asphériques sont également plus légères que leurs homologues moulés.

Unique fabricant à utiliser quatre technologies pour la production d'objectifs asphériques, Canon peut répondre aux divers besoins en choisissant la technologie la plus appropriée pour chaque lentille requise.

L'émergence du verre à dispersion ultra-faible (UD) et du verre Super UD est survenue après que Canon a réussi à incorporer de la fluorine dans certains de ses objectifs. L'utilisation du verre optique au lieu de la fluorine pour corriger les aberrations chromatiques est plus économique. Canon a donc dirigé ses recherches vers les objectifs hautes performances fabriqués à partir de verre optique. Au fil des ans, Canon a utilisé plus de 100 types de verres différents dans ses objectifs, chacun avec des propriétés légèrement différentes.

Le verre à dispersion ultra-faible est semblable à la fluorine dans le sens où il dispose d'un indice de réfraction bas et d'une dispersion faible. Bien qu'il ne soit pas aussi efficace que la fluorine, ses performances sont nettement meilleures que celle d'un verre optique ordinaire. En utilisant le verre à dispersion ultra-faible, Canon a donc pu fabriquer une gamme d'objectifs dotés de performances supérieures et à un coût plus faible qu'auparavant.

Sur plusieurs objectifs de la série L, les lentilles en fluorine et le verre à dispersion ultra-faible ont été associés pour produire des résultats optimaux. La technologie est adaptée à différentes sortes d'objectifs, du grand-angle au super téléobjectif.

La lumière bleue (longueurs d'onde courtes) est un vrai problème pour les ingénieurs en objectifs car il est difficile de corriger son cheminement à travers une lentille comme les lumières rouge et verte dont les ondes sont plus longues, ce qui peut provoquer un effet de moiré bleu.

Cependant, en août 2015, Canon a introduit le EF 35mm f/1.4L II USM, le premier objectif doté d'optiques diffractives du spectre bleu (BR). Les optiques diffractives du spectre bleu utilisent une nouvelle lentille organique qui dispose de caractéristiques de dispersion différentes des lentilles standard. Elle est insérée entre des objectifs en verre convexe et concave pour contrôler le cheminement de la lumière bleue et réduire l'aberration chromatique.

Canon continue de développer de nouveaux matériaux optiques pour étendre encore les possibilités de conception et de fabrication des objectifs. La technologie d'élément d'optique diffractive multicouche de Canon, par exemple, utilise un phénomène optique pour simuler les caractéristiques des lentilles en fluorine et asphériques, aboutissant alors à des téléobjectifs plus petits et plus légers, dotés de performances améliorées pour les ouvertures plus petites.