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 limités de Pentax 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, mais ne l’expliquent jamais complètement, que les nouveaux revêtements d’objectif améliorent considérablement la qualité de l’image (en particulier le contraste et les reflets). Comment les revêtements de lentilles fonctionnent. C’est le but de cet article.

Une collection de verres avec revêtement antireflet. Photo de Mengliu Di.

Origines des revêtements de lentilles

Historiquement, des revêtements ont été introduits pour réduire la perte de lumière dans les systèmes optiques. En fait, chaque fois que la lumière passe d’un milieu optique à un autre, une partie de l’énergie est perdue en raison d’un événement de réflexion. Ce phénomène de réflexion se produit naturellement sur tout type de surface entre deux matériaux, que ce soit la surface de la rivière, le verre ou le 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 :

R est l’énergie réfléchie, nune indice de réfraction du premier milieu (1,0 pour l’air), et n2e 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 % est dérivée d’un indice de réfraction typique de 1,5.

Cette énergie perdue peut sembler insignifiante à première vue. Cependant, il s’accumule pour chaque surface de lentille dans un système de lentille donné. Un objectif principal contient généralement entre 7 et 12 éléments (cela signifie environ 15 à 20 surfaces d’objectif car chaque élément d’objectif a à la fois une interface air/verre et une interface verre/air), tandis qu’un objectif zoom moderne est de 20′. contient plus de un élément (c’est-à-dire environ 40 surfaces de lentilles).

Cet objectif principal typique ne laisse passer que la moitié de la lumière, tandis que l’objectif zoom transmet moins de 20 % de la lumière incidente.

Schéma de l’optique à l’intérieur de l’objectif Canon EF 24-105 mm 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). Étonnamment, il découvrit en 1886 que le vieux verre noirci transmettait plus de lumière que le verre nouvellement non teinté. Lord Rayleigh a découvert que deux interfaces consécutives air/hybride et gradation/verre transmettent plus de lumière qu’une seule interface air/verre. Cette découverte a été suivie de plusieurs brevets et le revêtement de la lentille s’est progressivement amélioré.

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

Il y a eu un grand développement pour les photographes dans les années 1930. En 1935, l’ingénieur Zeiss Alexander Smakula a breveté le premier revêtement à utiliser plusieurs couches chimiques. Cette conception a considérablement amélioré les performances des revêtements de lentilles, entraînant des niveaux de performances optiques sans précédent, comme nous l’expliquerons plus tard.

Transmission lumineuse non revêtue (à gauche) et (à droite) à l’interface entre l’air et le verre.

Quelle est l’efficacité des revêtements de lentilles pour améliorer la transmission de la lumière ?

Un revêtement de lentille améliore généralement la transmission d’environ 96 % à plus de 99,7 %. Cela signifie qu’un objectif principal typique peut maintenant transmettre 95 % (plus de 50 %) de la lumière et 88 % (plus de 20 %) de notre zoom.

Franchement, le revêtement de l’objectif apporte une énorme amélioration à la photographie en basse lumière. Cette amélioration est d’autant plus frappante que le nombre de lentilles optiques utilisées dans les objectifs photographiques tend à augmenter avec les conceptions modernes. S’il était courant d’utiliser deux objectifs au début de la photographie, il est courant de dépasser 15 éléments d’objectif dans les objectifs conçus par ordinateur aujourd’hui. Par conséquent, la transmission de la lumière devient un problème de plus en plus important pour les concepteurs de verres.

Problèmes de faible contraste et de lumière parasite

L’utilisation de revêtements sur les lentilles présente d’autres avantages. L’énergie non transmise est réfléchie d’avant en arrière à travers la lentille plusieurs fois et 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 lumineuse de la scène produit également des points lumineux connus sous le nom de fusées éclairantes dans l’image.

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

Un objectif Zeiss Distagon 21 mm f2.8 ZE non traité (à gauche) et un
T* enduit (à droite). La photo d’Andréas
Via Bogenschütz et Zeiss.

Vous trouverez ci-dessous quelques images capturées par les deux objectifs dans la même situation. En général, la qualité d’image se dégrade considérablement pour toutes les images prises avec un objectif non traité.

Photos prises sans revêtement de lentille (ci-dessus) et (ci-dessous). Photos publiées avec l’aimable autorisation de Zeiss.
Photos prises sans revêtement de lentille (ci-dessus) et (ci-dessous). Photos publiées avec l’aimable autorisation de Zeiss.

Physique des conceptions de revêtement de lentille

La conception d’un revêtement peut être basée sur une variété de 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 globale peut être améliorée en ajoutant un milieu avec un indice de réfraction plus faible (par exemple 1,3) que le verre (par exemple 1,5).

La transmission lumineuse peut être augmentée de 96% à 97,8% avec le simple revêtement suggéré ci-dessus. 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, une fine couche de matériau peut être choisie pour annuler parfaitement la réflexion. Une couche d’une épaisseur de 1/4 de 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 en entrée et 1/4 de longueur d’onde en sortie) par rapport à l’onde réfléchie sur le verre. Revêtement AR. Ainsi, les deux ondes sont décalées avec des phases opposées et leur somme est nulle.

Vue d’art de la théorie de la diffraction introduite avec un revêtement longueur d’onde/4. La lumière réfléchie par le verre et la lumière réfléchie par le revêtement s’annulent.

Il y a quelques mises en garde à cette situation idéale. Premièrement, la lumière vient souvent dans un spectre plutôt qu’une seule longueur d’onde (il n’y a vraiment pas de longueur d’onde unique 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 créera une dominante de couleur.

Deuxièmement, notre calcul supposait que les rayons lumineux étaient perpendiculaires à la surface du verre. Cependant, dans des situations pratiques, ils peuvent tomber sur l’objectif avec un grand angle. La saisie d’un angle augmente le chemin optique à l’intérieur du revêtement antireflet, ce qui réduit la transmission.

La meilleure solution pour résoudre ces problèmes est d’ajouter quelques couches de revêtement. Une structure commune remplace le placage à 1/4 de longueur d’onde par un placage à 1/2 longueur d’onde. Il est courant d’avoir des lentilles qui ont généralement 7 couches de revêtement.

Un modèle de revêtement multicouche.

Comment les revêtements de lentilles sont-ils produits en masse ?

Dans la lumière visible, la longueur d’onde 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, les cheveux humains moyens sont environ mille fois plus épais.

La couche doit également être uniforme dans tout le verre afin que l’épaisseur de la couche ne change que de quelques pour cent. 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 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 :

En haut du système, vous pouvez voir un ensemble de lentilles prêtes pour le revêtement. Ces lentilles seront tournées tout au long du processus de revêtement pour niveler la couche de revêtement antireflet.

Solution

La science des revêtements de lentilles est vieille de près d’un siècle. Cependant, la question fait toujours l’objet de recherches actives. Les technologies de méta-matériaux très discutées qui font les gros titres ces jours-ci peuvent apporter des améliorations potentielles par rapport aux revêtements de lentilles existants.

Compte tenu de la complexité croissante des conceptions de lentilles, toute avancée dans le revêtement des lentilles est la meilleure car elle améliore également la transmission de la lumière et le contraste de l’image.


A propos de l’auteur: Timothée Cognard est un opticien et photographe basé à Paris, France.


Crédit image : Photo d’en-tête de Depositphotos

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