Introduction
Devant le nombre grandissant de questions liées à l'optique que je peux lire sur les forums (et leur réponses parfois fausses), je me décide à faire une petite synthèse de l'optique géométrique (celle qui nous intéresse dans le cas des objectifs, car facile à assimiler même sans connaissances scientifiques particulières), pour ensuite faire une analogie avec les objectifs et expliquer certains phénomènes. Je n'invente rien et tire les données et schémas de Wikipédia : je ne fais ici que le travail de synthèse pour extraire l'essentiel, et permettre l'analogie.
La base : conception d'une lentille, ou comment former des images
L'optique géométrique
Tout est basé sur l'optique dite géométrique, dans laquelle la lumière est considérée comme composée de rayons droits (comme un rayon laser).
Tout milieu non opaque (ex. : verre, eau, air...) laisse passer la lumière, à une vitesse inférieure à celle dans le vide. L'indice de réfraction n caractérise cette perte de vitesse dans le milieu. L'interface entre deux milieu d'indices différents est appelée dioptre. La perpendiculaire à la surface du dioptre est la normale, le rayon arrivant sur le dioptre, le rayon incident.
Ces quelques définitions données, nous pouvons aborder brièvement la loi de Snell-Descartes. Lors de la traversée d'un dioptre, un rayon incident incliné d'un angle A par rapport à la normale, est dévié. La déviation dépend des différents indices de réfraction. Vous en connaissez la manifestation : c'est par exemple, la paille dans un verre qui semble pliée à l'interface eau/air suivant la façon dont on la regarde, ou encore, la piscine qui semble peu profonde à l'autre bout, lorsque l'on est assis sur un bord. Il est à noter également qu'une partie de la lumière incidente est réfléchie (ex. : reflets dans les vitrines de magasin). Environ 5% de la quantité de lumière est réfléchie dans le cas d'un rayon normal (perpendiculaire à la surface) à la surface d'un verre simple.
Tout est basé sur l'optique dite géométrique, dans laquelle la lumière est considérée comme composée de rayons droits (comme un rayon laser).
Tout milieu non opaque (ex. : verre, eau, air...) laisse passer la lumière, à une vitesse inférieure à celle dans le vide. L'indice de réfraction n caractérise cette perte de vitesse dans le milieu. L'interface entre deux milieu d'indices différents est appelée dioptre. La perpendiculaire à la surface du dioptre est la normale, le rayon arrivant sur le dioptre, le rayon incident.
Ces quelques définitions données, nous pouvons aborder brièvement la loi de Snell-Descartes. Lors de la traversée d'un dioptre, un rayon incident incliné d'un angle A par rapport à la normale, est dévié. La déviation dépend des différents indices de réfraction. Vous en connaissez la manifestation : c'est par exemple, la paille dans un verre qui semble pliée à l'interface eau/air suivant la façon dont on la regarde, ou encore, la piscine qui semble peu profonde à l'autre bout, lorsque l'on est assis sur un bord. Il est à noter également qu'une partie de la lumière incidente est réfléchie (ex. : reflets dans les vitrines de magasin). Environ 5% de la quantité de lumière est réfléchie dans le cas d'un rayon normal (perpendiculaire à la surface) à la surface d'un verre simple.
Schématisation de la loi de Snell-Descartes
Les lentilles
Elles peuvent être convergentes (centre plus épais que les bords, c'est ce que portent les personnes presbytes) ou divergentes (bords plus épais que le centre, c'est ce que portent les personnes myopes). Dans tous les cas, elles possèdent deux foyers, situés à égale distance du centre. Cette distance est la distance focale de la lentille, c'est la distance à laquelle focalisent les rayons provenant de l'infini (ex. : soleil).
Il existe trois rayons faciles à tracer pour calculer la position d'un objet vu au travers d'une lentille :
- Ceux passant par le centre de la lentille n'est pas dévié
- Ceux passant par le foyer objet sortent parallèles à l'axe optique
- Ceux arrivant parallèles à l'axe optiques sortent en passant par le foyer image
Ceci peut être résumé par la figure suivante, la double flèche schématisant la lentille (convergente), l'objet étant le segment AB, l'image le segment A'B' :
Elles peuvent être convergentes (centre plus épais que les bords, c'est ce que portent les personnes presbytes) ou divergentes (bords plus épais que le centre, c'est ce que portent les personnes myopes). Dans tous les cas, elles possèdent deux foyers, situés à égale distance du centre. Cette distance est la distance focale de la lentille, c'est la distance à laquelle focalisent les rayons provenant de l'infini (ex. : soleil).
Il existe trois rayons faciles à tracer pour calculer la position d'un objet vu au travers d'une lentille :
- Ceux passant par le centre de la lentille n'est pas dévié
- Ceux passant par le foyer objet sortent parallèles à l'axe optique
- Ceux arrivant parallèles à l'axe optiques sortent en passant par le foyer image
Ceci peut être résumé par la figure suivante, la double flèche schématisant la lentille (convergente), l'objet étant le segment AB, l'image le segment A'B' :
Tracé d'une image, lentille convergente
Ce tracé représente seulement des conditions idéales, théoriques. L'une des principales hypothèses faites est celle des conditions de Gauss : on considère ce genre de tracé valables pour des petits angles uniquement, inférieurs à 5°. Seulement, dans un objectif (la finalité de l'exposé), nous sommes loin de ces conditions : jusqu'à 55.5° dans le cas du Takumar 15/3.5 par exemple. Listons donc quelques unes des aberrations, ou défauts, des lentilles.
Les aberrations
Aberration sphérique
La focale effective diminue lorsque l'on s'éloigne du centre de la lentille : les rayons ne convergent plus en un point mais le long d'un axe. Le capteur n'enregistrant qu'un unique plan, on va avoir un halo autour d'un point plus ou moins net. Elle pose problème en cas d'objets plans (reproduction de documents, philatélie/numismatique, mires...)
Aberration de Coma
Les rayons parallèles qui ne sont pas dans l'axe optique de la lentille ne convergent pas tous de la même manière. On a non plus un point, mais une "trainée" se dirigeant vers le centre. C'est le genre d'aberration très visible dans l'astrophotographie.
Aberration chromatique
La distance focale de la lentille dépend de la longueur d'onde considérée (couleur). Ce sont les fameuses AC.
Astigmatisme
La lentille n'a pas exactement la même focale sur toute sa surface.
Distorsion
Les lignes droites sont courbées par la lentille. C'est un problème notamment en photo d'architecture.
La focale effective diminue lorsque l'on s'éloigne du centre de la lentille : les rayons ne convergent plus en un point mais le long d'un axe. Le capteur n'enregistrant qu'un unique plan, on va avoir un halo autour d'un point plus ou moins net. Elle pose problème en cas d'objets plans (reproduction de documents, philatélie/numismatique, mires...)
Aberration de Coma
Les rayons parallèles qui ne sont pas dans l'axe optique de la lentille ne convergent pas tous de la même manière. On a non plus un point, mais une "trainée" se dirigeant vers le centre. C'est le genre d'aberration très visible dans l'astrophotographie.
Aberration chromatique
La distance focale de la lentille dépend de la longueur d'onde considérée (couleur). Ce sont les fameuses AC.
Astigmatisme
La lentille n'a pas exactement la même focale sur toute sa surface.
Distorsion
Les lignes droites sont courbées par la lentille. C'est un problème notamment en photo d'architecture.
Réduire les aberrations : vers la conception d'un système complexe
Quelques points clé permettant de réduire les aberrations :
- Les lentilles divergentes possèdent les mêmes aberrations que les lentilles convergentes, mais inversées
- Il est possible de modifier l'indice de réfraction d'un verre en fonction de sa composition
- Il existe différents types (minces, épaisses) et formes de lentilles (bi convexe, convexe-plan, ménisque) améliorant ces caractéristiques
Un savant mélange des différentes lentilles permet ainsi de réduire les aberrations au minimum souhaité. Par exemple, un doublet composé d'une lentille convergent et d'une lentille divergente (cas du Takumar 500/5) permet de concevoir des téléobjectifs simples : dans le cas de ceux ci, les petits angles (condition de Gauss) sont respectés et l'on peut avoir une qualité correcte pour un coût de conception réduit. Au plus on s'éloigne de ces conditions, au plus il faudra travailler à réduire les aberrations : c'est ainsi qu'il faut 13 lentilles dans le Takumar 15/3.5.
Comme l'objectif parfait (sans aucune aberration) n'existe pas, tout est affaire de compromis entre le piqué, le bokeh, les diverses aberrations. Un exemple bien parlant parmi les Takumar pourrait être celui des 85/1.8 : le premier a un bokeh très doux mais un piqué en retrait par rapport à la seconde version. A ce que j'ai compris, il y a par exemple le Tomioka 55/1.2, conçu à la base pour l'astrophoto (information à vérifier), qui est très bien corrigé pour l'aberration de Coma. C'est l'exemple type d'une conception répondant à un usage particulier.Les diverses aberrations vont par ailleurs affecter le bokeh, je vous renvoie pour cela au lien correspondant au bas de la page.
- Les lentilles divergentes possèdent les mêmes aberrations que les lentilles convergentes, mais inversées
- Il est possible de modifier l'indice de réfraction d'un verre en fonction de sa composition
- Il existe différents types (minces, épaisses) et formes de lentilles (bi convexe, convexe-plan, ménisque) améliorant ces caractéristiques
Un savant mélange des différentes lentilles permet ainsi de réduire les aberrations au minimum souhaité. Par exemple, un doublet composé d'une lentille convergent et d'une lentille divergente (cas du Takumar 500/5) permet de concevoir des téléobjectifs simples : dans le cas de ceux ci, les petits angles (condition de Gauss) sont respectés et l'on peut avoir une qualité correcte pour un coût de conception réduit. Au plus on s'éloigne de ces conditions, au plus il faudra travailler à réduire les aberrations : c'est ainsi qu'il faut 13 lentilles dans le Takumar 15/3.5.
Comme l'objectif parfait (sans aucune aberration) n'existe pas, tout est affaire de compromis entre le piqué, le bokeh, les diverses aberrations. Un exemple bien parlant parmi les Takumar pourrait être celui des 85/1.8 : le premier a un bokeh très doux mais un piqué en retrait par rapport à la seconde version. A ce que j'ai compris, il y a par exemple le Tomioka 55/1.2, conçu à la base pour l'astrophoto (information à vérifier), qui est très bien corrigé pour l'aberration de Coma. C'est l'exemple type d'une conception répondant à un usage particulier.Les diverses aberrations vont par ailleurs affecter le bokeh, je vous renvoie pour cela au lien correspondant au bas de la page.
Analogie avec nos objectifs
Prenons donc chaque élément que vont rencontrer successivement les rayons lumineux avant d'arriver sur notre capteur :
Le pare-soleil
Étant totalement opaque, il permet d'empêcher les rayons qui ne se trouveront pas sur la photo de rentrer dans l'objectif, dans lequel ils pourraient, par des réflexions sur les lentilles ou le diaphragme si celui ci est trop brillant, perturber l'image. Aucun risque donc, pourvu qu'il soit bien dimensionné (pas trop long).
Les filtres
Comme nous l'avons vu, ils constituent deux dioptres (une interface air/verre puis verre/air). Si vous avez bien suivi, dans le cas de rayons parallèles à l'axe optique, il n'y aura qu'une perte d'intensité due à la réflexion sur les faces, pouvant être négligeable dans le cas. Or, même en photo de paysage, ou tout est à l'infini (et donc, les rayons arrivent parallèles à l'axe optique), il y aura des rayons non parallèles provenant des objets hors champ, qui peuvent, par réflexion, perturber l'image. Dès lors que l'on est en proxi, il y aura des rayons non parallèles, qui vont donc être déviés par le filtre. Si vous avez un doute, prenez un filtre dans votre main, regardez un endroit fixe au travers et inclinez le, vous verrez que ça bouge : l'image est déviée. Le filtre va donc perturber quelque peu l'image, tout en ajoutant des risques dus aux réflexions.
Les rayures
Elles modifient localement la surface du verre (imaginez la terre labourée, c'est le même principe). En modifiant l'orientation de la surface par rapport au rayon, il en résulte une modification locale de la déviation de celui ci (donc, en quelque sorte, de la focale). Les rayons passants donc par les rayures vont aller ou ils ne devraient pas et perturber l'ensemble de l'image en exposant des zones qu'ils ne devraient pas exposer. La encore, il faut réfléchir à la part de la surface modifiée par rapport à la surface totale : seules des rayures importantes, profondes, pourraient engendrer une baisse notable du contraste.
Le traitement anti-reflet
Il s'agit d'une ou plusieurs couche de matériau d'indice de réfraction différent, déposé par évaporation sur la surface des lentilles. Les épaisseurs sont de l'ordre de la centaine de nanomètres (un milliardième de mètre). Ils permettent une arrivée progressive du rayon sur la lentille en elle même (par inclinaison croissante du rayont) et diminue ainsi les réflexions : on observe une augmentation du contraste en général et une augmentation de la transmission lumineuse. Quelques chiffres sur la part de lumière réfléchie (chiffres tirés de l'Asahi Pentax Manual) :
- Verre simple : 7%
- Traitement mono couche : 1,7%
- Traitement S-M-C (7 couches) : 0,2%
A noter que le traitement anti-reflet est lui aussi sensible à la longueur d'onde (couleur) et est de ce fait plus ou moins efficace selon celle ci. Ceci explique les différentes couleurs de coating que l'on peut observer. Un coating ambré est plus efficace sur les longueurs courtes (400-500nm, violet à bleu), tandis qu'un coating magenta a son maximum d'efficacité sur la plage 500-650nm (vert-jaune-orange). L'œil humain ayant le maximum de sensibilité dans le vert, c'est d'ailleurs pour cette raison que la plupart des traitements anti-reflet des lunettes sont verts, afin de maximiser le rendement dans cette gamme à laquelle l'œil est sensible.
Le diaphragme
Situé au plus près du centre optique de l'objectif (l'objectif en lui même pouvant être assimilé à une lentille simple, ayant moins de défauts qu'une lentille réelle) il commande le diamètre de celui ci. Il permet ainsi de s'approcher des conditions de Gausse en réduisant l'angle maximum des rayons et masque la partie la plus "mauvaise" des lentilles. Il en résulte une amélioration de la qualité générale, au détriment de l'apparition d'un nouveau défaut : la diffraction. C'est ce qui entraine la baisse de qualité passé généralement f/8-f/11, la zone diffractée prenant une part trop importante par rapport à la zone "saine".
Les poussières et champignons
Optiquement parlant, ils sont de même nature : un corps opaque sur le trajet des rayons. Ils vont induire une diffraction et des réflexions microscopiques qui ne seront visibles que si ceux ci sont en grandes quantité (lentille couverte de poussière comme un meuble non nettoyé pendant un mois, champignons sur plus de 20-25% de la surface d'une lentille). A noter que les champignons peuvent par contre se développer, font généralement des fils (j'ai vu quelques fois le cas de départs à partir d'un gros point noir bien visible, les champignons sont alors dense et l'influence avérée) et surtout, peuvent attaquer le coating, ce qui se voit lorsqu'on les retire. En aucun cas les poussières, champignons, ne peuvent se voir sur les photos : sinon, le diaphragme se verrait également. Le seul endroit ou l'on pourrait voir quelquechose serait le bokeh : mais faites donc le rapport de taille entre un grain de poussière ou un fil de champignon et un rond lumineux dans le bokeh, vous me direz si vous pouvez voir quelquechose.
La lentille arrière
Elle est comme les autres, à ceci près que c'est la dernière que traversent les rayons lumineux : il n'y a plus rien derrière pour gommer les éventuels défauts (poussières, rayures...). Il faudrait donc idéalement l'avoir dans le meilleur état possible. Cependant, comme pour le reste, si défaut il y a, il faut tenir non pas compte du défaut en lui même, mais de sa taille par rapport à la lentille.
Il est intéressant de noter que par la construction des image exposée plus haut, le centre de l'objectif participe aussi bien à la formation des bords de l'image que les bords participent à la formation du centre de l'image. Il n'y a donc pas à dire que les défauts sur les bords sont moins gênants qu'au centre
De même, on ne peut pas plus que l'on puisse dire que l'on utilise le centre des lentilles dans le cas d'objectifs 24x36 utilisés sur capteur APS-C (ou objectifs moyens format sur 24x36/APS-C). C'est le centre de l'image que l'on utilise (théoriquement meilleur, comme on vient de le voir), pas uniquement le centre des lentilles.
Le pare-soleil
Étant totalement opaque, il permet d'empêcher les rayons qui ne se trouveront pas sur la photo de rentrer dans l'objectif, dans lequel ils pourraient, par des réflexions sur les lentilles ou le diaphragme si celui ci est trop brillant, perturber l'image. Aucun risque donc, pourvu qu'il soit bien dimensionné (pas trop long).
Les filtres
Comme nous l'avons vu, ils constituent deux dioptres (une interface air/verre puis verre/air). Si vous avez bien suivi, dans le cas de rayons parallèles à l'axe optique, il n'y aura qu'une perte d'intensité due à la réflexion sur les faces, pouvant être négligeable dans le cas. Or, même en photo de paysage, ou tout est à l'infini (et donc, les rayons arrivent parallèles à l'axe optique), il y aura des rayons non parallèles provenant des objets hors champ, qui peuvent, par réflexion, perturber l'image. Dès lors que l'on est en proxi, il y aura des rayons non parallèles, qui vont donc être déviés par le filtre. Si vous avez un doute, prenez un filtre dans votre main, regardez un endroit fixe au travers et inclinez le, vous verrez que ça bouge : l'image est déviée. Le filtre va donc perturber quelque peu l'image, tout en ajoutant des risques dus aux réflexions.
Les rayures
Elles modifient localement la surface du verre (imaginez la terre labourée, c'est le même principe). En modifiant l'orientation de la surface par rapport au rayon, il en résulte une modification locale de la déviation de celui ci (donc, en quelque sorte, de la focale). Les rayons passants donc par les rayures vont aller ou ils ne devraient pas et perturber l'ensemble de l'image en exposant des zones qu'ils ne devraient pas exposer. La encore, il faut réfléchir à la part de la surface modifiée par rapport à la surface totale : seules des rayures importantes, profondes, pourraient engendrer une baisse notable du contraste.
Le traitement anti-reflet
Il s'agit d'une ou plusieurs couche de matériau d'indice de réfraction différent, déposé par évaporation sur la surface des lentilles. Les épaisseurs sont de l'ordre de la centaine de nanomètres (un milliardième de mètre). Ils permettent une arrivée progressive du rayon sur la lentille en elle même (par inclinaison croissante du rayont) et diminue ainsi les réflexions : on observe une augmentation du contraste en général et une augmentation de la transmission lumineuse. Quelques chiffres sur la part de lumière réfléchie (chiffres tirés de l'Asahi Pentax Manual) :
- Verre simple : 7%
- Traitement mono couche : 1,7%
- Traitement S-M-C (7 couches) : 0,2%
A noter que le traitement anti-reflet est lui aussi sensible à la longueur d'onde (couleur) et est de ce fait plus ou moins efficace selon celle ci. Ceci explique les différentes couleurs de coating que l'on peut observer. Un coating ambré est plus efficace sur les longueurs courtes (400-500nm, violet à bleu), tandis qu'un coating magenta a son maximum d'efficacité sur la plage 500-650nm (vert-jaune-orange). L'œil humain ayant le maximum de sensibilité dans le vert, c'est d'ailleurs pour cette raison que la plupart des traitements anti-reflet des lunettes sont verts, afin de maximiser le rendement dans cette gamme à laquelle l'œil est sensible.
Le diaphragme
Situé au plus près du centre optique de l'objectif (l'objectif en lui même pouvant être assimilé à une lentille simple, ayant moins de défauts qu'une lentille réelle) il commande le diamètre de celui ci. Il permet ainsi de s'approcher des conditions de Gausse en réduisant l'angle maximum des rayons et masque la partie la plus "mauvaise" des lentilles. Il en résulte une amélioration de la qualité générale, au détriment de l'apparition d'un nouveau défaut : la diffraction. C'est ce qui entraine la baisse de qualité passé généralement f/8-f/11, la zone diffractée prenant une part trop importante par rapport à la zone "saine".
Les poussières et champignons
Optiquement parlant, ils sont de même nature : un corps opaque sur le trajet des rayons. Ils vont induire une diffraction et des réflexions microscopiques qui ne seront visibles que si ceux ci sont en grandes quantité (lentille couverte de poussière comme un meuble non nettoyé pendant un mois, champignons sur plus de 20-25% de la surface d'une lentille). A noter que les champignons peuvent par contre se développer, font généralement des fils (j'ai vu quelques fois le cas de départs à partir d'un gros point noir bien visible, les champignons sont alors dense et l'influence avérée) et surtout, peuvent attaquer le coating, ce qui se voit lorsqu'on les retire. En aucun cas les poussières, champignons, ne peuvent se voir sur les photos : sinon, le diaphragme se verrait également. Le seul endroit ou l'on pourrait voir quelquechose serait le bokeh : mais faites donc le rapport de taille entre un grain de poussière ou un fil de champignon et un rond lumineux dans le bokeh, vous me direz si vous pouvez voir quelquechose.
La lentille arrière
Elle est comme les autres, à ceci près que c'est la dernière que traversent les rayons lumineux : il n'y a plus rien derrière pour gommer les éventuels défauts (poussières, rayures...). Il faudrait donc idéalement l'avoir dans le meilleur état possible. Cependant, comme pour le reste, si défaut il y a, il faut tenir non pas compte du défaut en lui même, mais de sa taille par rapport à la lentille.
Il est intéressant de noter que par la construction des image exposée plus haut, le centre de l'objectif participe aussi bien à la formation des bords de l'image que les bords participent à la formation du centre de l'image. Il n'y a donc pas à dire que les défauts sur les bords sont moins gênants qu'au centre
De même, on ne peut pas plus que l'on puisse dire que l'on utilise le centre des lentilles dans le cas d'objectifs 24x36 utilisés sur capteur APS-C (ou objectifs moyens format sur 24x36/APS-C). C'est le centre de l'image que l'on utilise (théoriquement meilleur, comme on vient de le voir), pas uniquement le centre des lentilles.
Liens
Quelques liens sur lesquels je me suis basé pour cette page :
Wikipédia - Optique géométrique
Wikipédia - Lentille optique
Wikipédia - Aberration géométrique
Wikipédia - Diffraction
Toothwalker - Bokeh
Complément à cette page :
http://pics.idemdito.org/fr/tech/optiques.htm
Wikipédia - Optique géométrique
Wikipédia - Lentille optique
Wikipédia - Aberration géométrique
Wikipédia - Diffraction
Toothwalker - Bokeh
Complément à cette page :
http://pics.idemdito.org/fr/tech/optiques.htm
