Ces dernières années, certains concepteurs de lentilles ont mis à jour leurs lentilles avec de nouveaux revêtements de lentilles. Par exemple, les nouveaux objectifs limités de Pentax présentent une conception optique existante avec seulement quelques améliorations, y compris un meilleur revêtement d’objectif.
Lors des tests de tels objectifs, les examinateurs conviennent généralement que les nouveaux revêtements d’objectifs améliorent considérablement la qualité de l’image (en particulier le contraste et les reflets), mais n’expliquent jamais tout à fait comment les revêtements de lentilles fonctionnent. C’est le but de cet article.
Les origines des revêtements de lentilles
Historiquement, des revêtements ont été introduits pour réduire la perte de lumière dans les systèmes optiques. En effet, chaque fois que la lumière passe d’un milieu optique à un autre, une fraction de l’énergie est perdue à cause d’un phénomène de réflexion. Ce phénomène de réflexion se produit naturellement sur tout type de surface entre deux matériaux, que ce soit la surface d’une rivière, d’un verre ou d’un miroir. La seule différence est la quantité de lumière réfléchie. Pour le verre, il est communément admis que 96% de la lumière est transmise et 4% réfléchie.
L’équation derrière ces chiffres est la suivante :
R est l’énergie réfléchie, n1 l’indice de réfraction du premier milieu (1,0 pour l’air) et n2 l’indice de réfraction du second milieu (le verre, dans notre cas). L’indice de réfraction du verre est généralement compris entre 1,4 et 1,8. La valeur de 4 % dérive d’un indice de réfraction typique de 1,5.
Cette perte d’énergie peut sembler mineure au premier abord. Cependant, il s’accumule pour chaque surface de lentille à l’intérieur d’un système de lentille donné. Un objectif à focale fixe contient généralement de 7 à 12 éléments (ce qui signifie environ 15 à 20 surfaces d’objectif, puisque chaque élément d’objectif a à la fois une interface air/verre et une interface verre/air) alors qu’un objectif zoom moderne comporte plus de 20 éléments (ce qui signifie environ 40 surfaces de lentilles).
Cet objectif principal typique ne laisserait passer que la moitié de la lumière, tandis que l’objectif zoom transmettrait moins de 20 % de la lumière entrante.
Le premier revêtement de lentille remonte au mathématicien et scientifique anglais Lord Rayleigh (John William Strutt, 3e baron Rayleigh). À sa grande surprise, il découvre en 1886 que le vieux verre terni transmet plus de lumière que le nouveau verre non terni. Lord Rayleigh a découvert que deux interfaces successives air/ternissement et ternissement/verre transmettent plus de lumière qu’une seule interface air/verre. Plusieurs brevets ont suivi cette découverte et le revêtement des lentilles s’est progressivement amélioré.
Pour les photographes, une amélioration majeure s’est produite dans les années 1930. En 1935, l’ingénieur Zeiss Alexander Smakula a breveté le premier revêtement utilisant plusieurs couches de produits chimiques. Cette conception, comme nous l’expliquerons plus tard, a considérablement amélioré les performances des revêtements de lentilles et conduit à des niveaux de performances optiques sans précédent.
Quelle est l’efficacité des revêtements de lentilles pour améliorer la transmission de la lumière ?
Un revêtement de lentille amène généralement la transmission d’environ 96 % à plus de 99,7 %. Cela signifie qu’un objectif principal typique peut désormais transmettre 95 % de la lumière (au lieu de 50 %) et que notre zoom peut en transmettre 88 % (au lieu de 20 %).
De toute évidence, le revêtement de l’objectif apporte une grande amélioration à la photographie en basse lumière. L’amélioration est d’autant plus frappante que le nombre de lentilles optiques utilisées dans les objectifs photographiques tend à augmenter dans les conceptions modernes. Si aux débuts de la photographie, il était courant d’utiliser un doublet d’objectif, il est aujourd’hui courant de dépasser 15 éléments d’objectif dans les objectifs conçus par ordinateur. Par conséquent, la transmission de la lumière est une question de plus en plus importante pour les concepteurs de lentilles.
Les problèmes de faible contraste et de lumière parasite
L’utilisation d’un revêtement sur les lentilles présente d’autres avantages. L’énergie qui n’est pas transmise est réfléchie plusieurs fois dans la lentille et finit par s’ajouter à l’image finale. Au mieux, les zones sombres sont éclairées par une lumière diffuse, ce qui réduit la plage dynamique et le contraste. Au pire, une puissante source de lumière de la scène produit également des points lumineux à l’intérieur de l’image, appelés fusées éclairantes.
En 2016, le fabricant d’objectifs Zeiss mené une expérience intéressante pour démontrer l’importance des revêtements de lentilles. Le fabricant a produit deux copies exactes du même objectif, un Distagon 21mm f/2.8, l’un avec des revêtements optiques et l’autre sans.
T*-enduit un (à droite). Photo d’Andréas
Bogenschütz et via Zeiss.
Voici quelques-unes des images obtenues par les deux lentilles dans le même état. Dans l’ensemble, la qualité d’image est considérablement réduite pour toutes les photos prises avec l’objectif sans revêtement.
La physique des conceptions de revêtement de lentille
La conception d’un revêtement peut être basée sur divers principes physiques. La liste comprend les méthodes basées sur l’indice, les matériaux GRIN, la polarisation, la théorie de la diffraction et même les métamatériaux…
La forme la plus simple de revêtement antireflet, historiquement, nous ramène à l’équation de la transmission. Il apparaît que la transmission totale peut être améliorée en ajoutant un milieu avec un indice de réfraction inférieur (par exemple, 1,3) à celui du verre (par exemple, 1,5).
Avec le simple revêtement proposé ci-dessus, on peut améliorer la transmission lumineuse de 96% à 97,8%. Cependant, ce type de revêtement monocouche est encore loin de 0% de réflexion.
Pour améliorer les performances du revêtement, les concepteurs de lentilles ont plutôt tendance à utiliser la théorie de la diffraction. En utilisant la nature ondulatoire de la lumière, on peut choisir une fine couche de matière pour annuler parfaitement la réflexion. Une couche d’une épaisseur de 1/4 de la longueur d’onde signifie que l’onde réfléchie sur le verre parcourra une 1/2 longueur d’onde supplémentaire (1/4 de longueur d’onde entrant et 1/4 de longueur d’onde sortant) par rapport à l’onde réfléchie sur le verre. Revêtement AR. Ainsi, les deux ondes sont décalées de phases opposées et leur somme est nulle.
Il y a quelques mises en garde à ce cas idéal. Premièrement, la lumière vient généralement dans un spectre au lieu d’une seule longueur d’onde (une seule longueur d’onde n’existe pas vraiment dans la nature, vous pouvez en trouver dans les sources laser artificielles). Pour la lumière visible, les longueurs d’onde vont de 400 nm (lumière bleue) à 800 nm (lumière rouge). Cela signifie que l’épaisseur nécessaire pour éliminer les reflets varie considérablement avec la couleur. Cela peut également signifier que toutes les couleurs ne sont pas transmises de la même manière, ce qui signifie en fait que le revêtement de la lentille introduira une dominante de couleur.
Deuxièmement, notre calcul suppose que les rayons lumineux sont perpendiculaires à la surface du verre. Dans des cas pratiques, cependant, ils peuvent tomber sur l’objectif avec un grand angle. Dès qu’un angle est introduit, le chemin optique à l’intérieur du revêtement antireflet augmente ce qui se traduit par une transmission plus faible.
Afin de résoudre ces problèmes, la meilleure solution consiste à ajouter plusieurs couches de revêtement. Une structure commune alterne un revêtement 1/4 de longueur d’onde avec un revêtement 1/2 longueur d’onde. Il est courant d’avoir des lentilles avec généralement 7 couches de revêtement.
Comment les revêtements de lentilles sont-ils produits en masse ?
La longueur d’onde de la lumière visible est d’environ 500 nm et les revêtements des lentilles sont généralement des couches minces de 100 nm à 250 nm. Pour mettre cela en perspective, un cheveu humain moyen est environ mille fois plus épais.
La couche est également censée être uniforme dans tout le verre, de sorte que l’épaisseur de la couche ne varie que de quelques pour cent. Cette étape ne peut pas être effectuée tant que le verre n’est pas coupé et poli jusqu’à sa forme finale, car le processus de polissage éliminerait autrement le revêtement.
Le processus industriel moderne utilise des technologies de dépôt en phase vapeur. Cela se fait généralement dans une chambre à vide avec des produits chimiques à évaporer.
Voici une courte vidéo d’une machine conçue à cet effet :
Vous pouvez voir sur la partie supérieure du système un ensemble de lentilles prêtes à être traitées. Ces lentilles seront tournées tout au long du processus de revêtement afin d’uniformiser la couche de revêtement antireflet.
Conclusion
La science des revêtements de lentilles est presque centenaire. Pourtant, le sujet fait toujours l’objet de recherches actives. Les technologies de méta-matériaux très discutées qui font les gros titres ces jours-ci pourraient apporter des améliorations possibles par rapport aux revêtements de lentilles existants.
Compte tenu de la complexité croissante des conceptions de lentilles, tout progrès dans le traitement des lentilles est le meilleur car il améliore également la transmission de la lumière et le contraste de l’image.
A propos de l’auteur: Timothée Cognard est un expert en optique et photographe basé à Paris, France.
Crédits image : Photo d’en-tête de Depositphotos
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