Why Lens Coatings Are So Important in Photography

Ces dernières années, certains concepteurs de lentilles ont mis à jour leurs lentilles avec de nouveaux revêtements de lentilles. Par exemple, les derniers objectifs Pentax Limited présentent une conception optique existante avec seulement quelques améliorations, notamment un meilleur revêtement d’objectif.

Lors des tests de tels objectifs, les examinateurs conviennent généralement que le nouveau revêtement de l’objectif améliore considérablement la qualité de l’image (en particulier le contraste et les reflets), mais ne l’explique jamais complètement. Comment faire Travail de revêtement de lentille. C’est le but de cet article.

Un ensemble de lentilles avec des revêtements antireflet. Photo de Minlio D.

Origines du revêtement de lentille

Historiquement, les 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 partie de l’énergie est perdue à cause du phénomène de réflexion. Le phénomène de réflexion se produit naturellement sur tout type de surface entre deux matériaux, qu’il s’agisse d’une surface de rivière, de verre ou d’un miroir. La seule différence est la quantité de lumière réfléchie. Pour le verre, il est généralement admis que 96 % de la lumière est transmise et 4 % est réfléchie.

L’équation derrière ces chiffres est la suivante :

s est l’énergie réfléchie, n1 L’indice de réfraction du premier milieu (1,0 pour l’air) et n2 L’indice de réfraction du deuxième 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 % est dérivée d’un indice de réfraction typique de 1,5.

Cette énergie perdue peut sembler légère au premier abord. Cependant, il s’accumule pour chaque surface de lentille dans un système de lentille particulier. Un objectif principal a généralement 7 à 12 éléments (ce qui signifie environ 15 à 20 surfaces d’objectif, puisque chaque élément d’objectif a un front air/verre et un front verre/air) tandis qu’un objectif zoom moderne a plus de 20 éléments (ce qui signifie environ 40 surfaces de lentille).

Cet objectif principal typique ne laissera entrer que la moitié de la lumière, tandis que l’objectif zoom transmettra moins de 20 % de la lumière entrante.

Schéma de l’optique à l’intérieur d’un objectif Canon EF 24-105mm f/4 IS USM. Illustration par Alessio Facchin et sous licence CC BY-SA 3.0.

Le premier revêtement de lentille remonte au mathématicien et scientifique anglais Lord Rayleigh (John William Strutt, 3e baron Rayleigh). À sa grande surprise, il découvrit en 1886 que le vieux verre terne transmettait plus de lumière que le nouveau verre non émaillé. Lord Riley a découvert que deux interfaces successives air/distorsion et déformation/verre transmettent plus de lumière qu’une seule interface air/verre. Cette découverte a été suivie de plusieurs brevets et de revêtements de lentilles progressivement améliorés.

Lord Riley a fait une découverte pionnière sur la transmission de la lumière à travers le verre en 1886.

Pour les photographes, une énorme amélioration s’est produite dans les années 1930. En 1935, l’ingénieur Zeiss Alexander Smakola a breveté le premier revêtement utilisant plusieurs couches de produits chimiques. Cette conception, comme nous l’expliquerons plus tard, a considérablement amélioré les performances du revêtement de la lentille et conduit à des niveaux de performances optiques sans précédent.

Transmission lumineuse à l’interface air-verre, sans (à gauche) et avec revêtement (à droite).

Quelle est l’efficacité d’un revêtement de lentille pour améliorer la transmission de la lumière ?

Le revêtement de la 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-dessus de 50 %) et qu’un zoom peut en transmettre 88 % (au-dessus de 20 %).

Le revêtement de l’objectif apporte évidemment une amélioration significative à la photographie en basse lumière. L’amélioration a été encore plus impressionnante car le nombre de lentilles optiques utilisées dans les objectifs photographiques a tendance à augmenter dans les conceptions modernes. S’il était courant au début de la photographie d’utiliser un double objectif, il est aujourd’hui courant de dépasser 15 éléments d’objectif dans les objectifs conçus par ordinateur. Ainsi, la transmission de la lumière est de plus en plus importante pour les concepteurs de lentilles.

Problèmes de faible contraste et reflets de l’objectif

L’utilisation de revêtements sur les lentilles présente d’autres avantages. L’énergie qui ne va pas et vient est réfléchie plusieurs fois dans l’objectif et finit par être ajoutée 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 forte source de lumière de la scène produit également des points lumineux dans l’image, connus sous le nom de fusées éclairantes.

En 2016, le fabricant de lentilles Zeiss a mené une expérience intéressante pour prouver l’importance des revêtements de lentilles. Le fabricant a produit deux versions du même objectif, le 21mm f/2.8 Distagon, l’un avec revêtements optiques et l’autre sans.

Objectif Zeiss Distagon 21mm f2.8 ZE (à gauche) et un
T * – une enveloppe (à droite). Photographie d’Andréas
Bogenschütz, Via Zeiss.

Voici quelques photos des deux lentilles dans le même état. En général, la qualité d’image est considérablement réduite pour toutes les photos prises avec l’objectif sans traitement.

Images capturées (ci-dessus) et sans revêtement de lentille (ci-dessous). Photos Zeiss.
Images capturées (ci-dessus) et sans revêtement de lentille (ci-dessous). Photos Zeiss.

Physique des conceptions de revêtement de lentille

La conception du revêtement peut être basée sur différents 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 anti-retour, historiquement, nous ramène à l’équation de transmission. Il apparaît que la transmission globale peut être améliorée en ajoutant un milieu avec un indice de réfraction plus faible (par exemple, 1,3) que le milieu de verre (par exemple, 1,5).

Avec le simple revêtement suggéré 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 réflectance.

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 matériau pour annuler complètement la réflexion. Une couche d’1/4 de longueur d’onde d’épaisseur signifie que l’onde réfléchie sur le verre se déplacera à 1/2 longueur d’onde (1/4 longueur d’onde entrante, 1/4 longueur d’onde sortante) par rapport à l’onde réfléchie sur le verre. Revêtement AR. Ainsi, les deux ondes sont décalées en phases opposées et leur somme est vide.

Présentation artistique de la théorie de la diffraction avec un revêtement de longueur d’onde/4. Les rayons réfléchis par le verre et les rayons réfléchis par la peinture s’annulent.

Il y a deux mises en garde à ce cas idéal. Premièrement, la lumière vient généralement dans un spectre plutôt qu’une seule longueur d’onde (la longueur d’onde unique 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 nanomètres (lumière bleue) à 800 nanomètres (lumière rouge). Cela signifie que l’épaisseur nécessaire pour éliminer les reflets varie considérablement avec la couleur. Cela pourrait également signifier que toutes les couleurs ne sont pas transmises de la même manière, ce qui signifie en réalité que le revêtement de la lentille présentera une couleur indirecte.

Deuxièmement, notre calcul suppose que les rayons lumineux sont perpendiculaires à la surface du verre. Cependant, dans des cas pratiques, il peut tomber sur l’objectif avec un grand angle. Une fois l’angle introduit, le chemin optique à l’intérieur du boîtier antireflet augmente, entraînant une diminution de la transmission.

Pour résoudre ces problèmes, la meilleure solution consiste à ajouter plusieurs couches de peinture. La structure commune alterne le revêtement 1/4 de la longueur d’onde avec le revêtement 1/2 de la longueur d’onde. Il est courant d’avoir des lentilles avec 7 couches de revêtement.

Motif de revêtement multicouche.

Comment les revêtements de lentilles sont-ils produits ?

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 prendre cela en considération, les cheveux humains moyens sont environ mille fois plus épais.

La couche est également supposée uniforme dans tout le verre, de sorte que l’épaisseur de cette couche ne varie que d’un faible pourcentage. Cette étape ne peut pas être effectuée tant que le verre n’a pas été coupé et poli jusqu’à sa forme finale, car le processus de polissage éliminerait autrement le revêtement.

Le processus industriel moderne utilise des techniques de dépôt en phase vapeur. Il est généralement effectué dans une chambre à vide qui contient des produits chimiques à évaporer.

Voici une courte vidéo d’une machine construite à cet effet :

Vous pouvez voir en haut du système un ensemble de lentilles prêtes à être peintes. Ces lentilles seront tournées tout au long du processus de revêtement afin d’aplanir le revêtement antireflet.

Conclusion

La science des revêtements de lentilles remonte à près d’un siècle. Cependant, le sujet est toujours activement étudié. Les technologies de méta-matériaux très discutées qui font les gros titres ces jours-ci peuvent apporter des améliorations potentielles aux revêtements de lentilles existants.

En raison de la complexité croissante des conceptions de lentilles, toute avancée dans les revêtements de lentilles est préférable car elle améliore également la transmission de la lumière et le contraste de l’image.


A propos de l’auteurTimothee Cognard est un expert visuel et photographe basé à Paris, France.


Crédits image : Image du titre de Depositphotos

Leave a Comment