Les lentilles en fluorite, une correction de l’aberration chromatique au-delà des limites du verre optique classique
(global.canon)- Canon fabrique de la fluorite à base de spath fluor sous forme de cristaux artificiels de haute pureté et l’utilise comme matériau de lentille pour corriger l’aberration chromatique, difficile à réduire avec le seul verre optique classique
- L’aberration chromatique est un phénomène où la mise au point diffère selon les couleurs à cause des variations de réfraction selon la longueur d’onde, et il est difficile d’éliminer complètement l’aberration chromatique résiduelle avec la seule combinaison de lentilles concaves et convexes en verre
- La fluorite présente un faible indice de réfraction, une faible dispersion et une dispersion partielle anormale ; combinée à une lentille concave en verre à forte dispersion, elle améliore fortement la correction de l’aberration chromatique résiduelle
- Canon a lancé le F Project en août 1966, a produit en 1968 de grands cristaux artificiels pour objectifs photo, puis a commercialisé en mai 1969 le FL-F300mm f/5.6
- Les lentilles en fluorite sont utilisées pour améliorer la netteté et le contraste en très longue focale ; en mai 2021, Canon avait produit 39 autres objectifs utilisant des éléments en fluorite après le FL-F300mm
Pourquoi la fluorite est devenue un matériau pour lentilles
- L’un des matériaux qui soutiennent la haute qualité d’image des objectifs Canon est la fluorite, une forme cristalline du fluorure de calcium
- Utilisée avec des lentilles en verre, elle permet de réduire l’aberration chromatique à un niveau très faible
- La fluorite naturelle étant de petite taille, elle ne convenait qu’à de petits instruments optiques comme les objectifs de microscope
- Pour l’appliquer aux objectifs photo, Canon s’est lancé dans le développement d’une technologie permettant de produire de grands cristaux artificiels de fluorite de haute pureté à partir de minerai de spath fluor
- Le FL-F300mm f/5.6, lancé en mai 1969, a été le premier téléobjectif grand public au monde à utiliser un élément de lentille en fluorite
Aberration chromatique et principe de correction
- L’aberration chromatique peut apparaître sous la forme de franges colorées sur les contours du sujet ou d’un flou affectant l’ensemble de l’image
- Lorsque la lumière traverse la surface du verre, les différentes longueurs d’onde — rouge, vert, bleu, etc. — sont réfractées selon des angles différents, et la position de mise au point varie selon chaque couleur
- En général, l’aberration chromatique est corrigée par une combinaison de lentilles concaves et convexes qui réfractent la lumière dans des directions opposées
- Cependant, avec le seul verre optique classique, il est impossible d’éliminer l’aberration chromatique sur toutes les longueurs d’onde, si bien qu’une aberration chromatique résiduelle subsiste à certaines longueurs d’onde
- Comme chaque type de verre optique possède un indice de réfraction différent selon la longueur d’onde, la réduction de cette aberration résiduelle a ses limites lorsqu’on ne joue que sur les combinaisons et propriétés des verres
Propriétés optiques de la fluorite
- La fluorite est un matériau fondamentalement différent du verre optique classique ; combinée au verre, elle permet de corriger plus efficacement l’aberration chromatique
- Son effet est particulièrement important dans les téléobjectifs, où la longue focale accentue l’aberration chromatique
- Les éléments de lentille en fluorite de Canon utilisent de la fluorite naturelle comme matière première et offrent un faible indice de réfraction ainsi qu’une faible dispersion, difficiles à obtenir avec des lentilles en verre
- La fluorite présente une tendance particulière à la dispersion partielle anormale
- Du rouge au vert, la dispersion suit la même tendance que le verre
- Du vert au bleu, la dispersion est plus forte que celle du verre
- L’utilisation conjointe d’un élément convexe en fluorite et d’un élément concave en verre à forte dispersion permet d’éliminer l’aberration chromatique résiduelle et d’obtenir des images nettes et de haute qualité
Différence entre réfraction et dispersion
- La réfraction est le phénomène par lequel la direction de la lumière change lorsqu’elle traverse la surface d’un matériau comme le verre
- L’ampleur de ce changement de direction est appelée indice de réfraction
- Comme l’indice de réfraction varie selon la composition colorée de la lumière, c’est-à-dire selon sa longueur d’onde, chaque couleur est déviée dans une direction différente
- Ce phénomène est la dispersion chromatique
- Dans le verre optique, la dispersion se produit selon un rapport constant quelle que soit la longueur d’onde, tandis que dans la fluorite le rapport de dispersion varie selon la longueur d’onde ; c’est ce qu’on appelle la dispersion partielle anormale
Le Canon F Project et la production de cristaux artificiels
- L’origine des lentilles en fluorite remonte au Canon F Project, lancé en août 1966
- Les développeurs d’objectifs Canon ont estimé que, pour créer un objectif supérieur aux modèles existants, il fallait d’abord créer un nouveau matériau
- Le principal défi de la production de cristaux artificiels de fluorite était la cristallisation
- Le verre désigne un état de la matière : il est amorphe, ses atomes sont fixés dans des positions aléatoires, et il peut être refondu pour être façonné différemment
- La fluorite, en revanche, est un matériau cristallin qui ne se forme que lorsque ses atomes adoptent un agencement précis
- Après broyage et purification de la fluorite naturelle, restaurer exactement sa structure atomique puis la recristalliser à une taille suffisante pour un objectif photo relevait presque de l’impossible
- Les ingénieurs devaient garantir un environnement sous vide à contrôle de précision maintenant au moins 1 000℃, et ont conçu un équipement capable de produire artificiellement de grands cristaux de haute pureté
- Deux ans après le lancement du F Project, en 1968, Canon a réussi à produire des cristaux artificiels de fluorite assez grands pour être utilisés dans des objectifs photo
Polissage et commercialisation
- La polissage constituait un autre défi dans la production des lentilles en fluorite
- La fluorite est plus tendre et plus délicate que le verre, si bien que les méthodes de polissage du verre ne convenaient pas
- Canon a mis au point une technique de polissage dédiée à la fluorite, nécessitant jusqu’à quatre fois plus de temps que pour le verre optique classique
- Cette technologie a été commercialisée en mai 1969
- Premier produit à intégrer un élément de lentille en fluorite, le FL-F300mm f/5.6 a été salué pour ses images vives et très contrastées, et a été largement utilisé dans des domaines professionnels comme le photojournalisme
- Par la suite, l’amélioration des techniques de vide à haute température, de contrôle thermique et de polissage a permis d’intégrer des éléments en fluorite dans davantage d’objectifs
Processus de production des lentilles en fluorite
- Matière première : la matière première des lentilles en fluorite est le minerai naturel de spath fluor
- Broyage et purification : le minerai est broyé, les impuretés sont éliminées, puis il est placé dans un creuset en graphite difficile à faire fondre
- Cristallisation : le creuset est placé dans un appareil de croissance cristalline équipé d’un chauffage supérieur, puis chauffé à 1 400℃
- Une fois la fluorite fondue, on abaisse lentement le creuset afin que la cristallisation progresse depuis son fond
- Recuit : procédé visant à éliminer les déformations internes du cristal
- Le cristal est chauffé à une température élevée sans aller jusqu’à la fusion, puis refroidi lentement jusqu’à température ambiante sur plusieurs semaines afin d’éliminer les déformations susceptibles de provoquer des fissures
- Détourage et usinage grossier : les parties inutiles de la surface du cristal sont retirées, la pièce est grossièrement mise à la bonne taille, puis on vérifie l’absence d’anomalies internes
- Meulage : les faces supérieure et inférieure du cristal sont meulées en une forme sphérique rappelant du verre dépoli
- Polissage : la surface est polie avec des pastilles d’abrasif solidifié jusqu’à atteindre un état semi-translucide et les dimensions requises, puis les micro-rayures sont éliminées à l’aide d’un agent de polissage spécial
- Dépôt : dans un vide poussé compris entre un millionième et un cent millionième de la pression atmosphérique, le matériau de revêtement est évaporé thermiquement afin de former un film mince sur la lentille polie
- Inspection finale : des techniciens expérimentés vérifient la pureté à l’aide d’un interféromètre, et seuls les éléments validés passent à l’assemblage des objectifs
Objectifs concernés et profils d’utilisateurs
- En mai 2021, Canon avait produit 39 autres objectifs adoptant des éléments de lentille en fluorite après le FL-F300mm
- Les éléments en fluorite contribuent non seulement à corriger l’aberration chromatique, mais aussi à réduire la taille et le poids des produits
- Pour cette raison, ils sont largement utilisés dans les grands téléobjectifs
- Les lentilles en fluorite sont utilisées par les photographes exigeant une haute qualité d’image en très longue focale
- Photographes sportifs professionnels
- Photojournalistes
- Amateurs photographiant oiseaux sauvages, trains, avions, etc.
- Parmi les objectifs lancés en 2021 figurent le RF400mm F2.8 L IS USM et le RF600mm F4 L IS USM, qui utilisent chacun deux éléments de lentille en fluorite
1 commentaires
Avis de Hacker News
Comme je n’ai pas encore vu de résumé qui me convienne, voici une mise au point : l’indice de réfraction d’un matériau n’est généralement pas une valeur fixe autour de 1,5, mais varie selon la longueur d’onde.
Comme la diffraction, à la manière d’une interférence quantique, se renforce dans certaines directions et s’annule dans d’autres, la courbe longueur d’onde–indice de réfraction devient une courbe décroissante monotone, un peu exponentielle/asymptotique, en allant de l’ultraviolet vers l’infrarouge.
Ainsi, avec une lentille convexe, le bleu est davantage grossi que prévu, le vert l’est aussi, le rouge est à peu près correct et, à strictement parler, seul le jaune de la vapeur de sodium est juste, ce qui produit sur le plan focal une image aberrée avec des couleurs décalées.
Pour corriger cela, on associe des lentilles convexes/concaves de compositions dont le taux de diminution de l’indice de réfraction diffère, comme Schott BK7 et F2 : la puissance positive excessive dans le bleu de la première lentille convexe est compensée par la puissance négative excessive dans le bleu de la lentille concave qui suit.
En allongeant encore la chaîne de lentilles, on peut corriger autant de longueurs d’onde supplémentaires, d’effets secondaires et d’autres défauts que souhaité.
Dans ce contexte, si la fluorine (CaF2) est importante, c’est parce que sa courbe longueur d’onde–indice de réfraction présente une « dispersion anormale » presque plate, rassemblant les couleurs de l’ensemble du spectre visible presque au même point, ce qui permet de se passer de nombreuses lentilles correctrices.
En revanche, produire en masse des cristaux de fluorure de calcium optiquement transparents à l’échelle d’un objectif photo est difficile, et c’est un domaine dans lequel Canon travaille depuis des décennies.
https://en.wikipedia.org/wiki/Folk_etymology
https://en.wiktionary.org/wiki/aberro#Latin
Le problème de la croissance cristalline a été résolu dans les années 1960 et c’est aujourd’hui une technique courante.
La fluorine est aussi utilisée dans les objectifs Fuji, et Nikon/Sony disposent également de leurs propres verres spéciaux pour traiter le même problème.
L’indice de réfraction n’est pas un angle ; c’est une valeur que l’on peut calculer à partir de l’angle d’incidence et de l’angle de réfraction : https://en.m.wikipedia.org/wiki/Snell%27s_law
Ajoutons que l’indice de réfraction peut dépendre non seulement de la longueur d’onde, mais aussi de la polarisation de la lumière, ce qui entraîne la biréfringence : https://en.m.wikipedia.org/wiki/Birefringence
La dispersion anormale est généralement appelée anomalous dispersion, et désigne un cas où, au lieu que l’indice de réfraction diminue quand la longueur d’onde augmente comme dans la dispersion normale, il augmente au contraire : https://en.wikipedia.org/wiki/Dispersion_(optics)#Material_dispersion_in_optics
S’il existait un matériau non dispersif, on pourrait en faire à lui seul une lentille et éviter l’aberration chromatique, mais comme cela n’existe pas en pratique, il faut combiner les dispersions de différents matériaux pour les annuler.
La fluorine ne présente pas une dispersion anormale dans le domaine visible ; elle a une faible dispersion.
Canon semble produire avec succès en masse des cristaux de fluorure de calcium à l’échelle d’objectifs photo depuis les années 1960, et les autres entreprises font de même.
D’après https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorite, le fluorure de calcium est transparent dans l’infrarouge et l’ultraviolet, et son indice de réfraction varie très peu avec la longueur d’onde ; il est donc couramment utilisé en laboratoire comme matériau de fenêtre, tandis que Canon et d’autres ont employé des cristaux de fluorure de calcium obtenus par croissance synthétique dans des objectifs afin de faciliter les conceptions apochromatiques et de réduire la dispersion optique.
En outre, sodium, fluorite, calcium et fluoride ne sont pas des noms de marque ni des noms propres ; en anglais, il est donc correct de ne pas les écrire avec une majuscule comme en allemand.
En cherchant une explication simple de pourquoi la dispersion est importante, cet article m’a été utile : https://www.targettamers.com/guides/apochromatic-lenses/
Contrairement aux objectifs achromatiques, optimisés pour seulement deux longueurs d’onde, les objectifs apochromatiques sont optimisés pour trois longueurs d’onde.
Autrefois, les calculs se faisaient à la main ; ce n’est pas extraordinaire en soi, mais il est étonnant qu’on ait pu aboutir ainsi à des conceptions d’objectifs aussi remarquables.
Aujourd’hui, les ordinateurs effectuent l’optimisation très rapidement, mais les calculs dépendent des propriétés physiques réelles des verres, et ces propriétés varient aussi avec le coût, la durabilité, etc.
Autrement dit, l’ordinateur n’optimise pas librement une plage continue d’indices de réfraction et de dispersion : il ne peut travailler qu’avec des matériaux réels, discrets, catalogués par les fabricants de verre et spécifiés par le concepteur dans le programme.
Le fluor a aussi des propriétés particulières en tant que revêtement : https://www.digitalcameraworld.com/features/this-is-why-your-camera-lens-needs-a-fluorine-coating
L’objectif est de réduire la précision nécessaire à l’assemblage, afin que les éléments puissent être placés dans le fût puis expédiés avec très peu de réglages.
C’est particulièrement utilisé dans les objectifs de kit, très sensibles au prix.
Avec les films noir et blanc panchromatiques, c’est généralement satisfaisant aussi, mais avec la pellicule couleur, les aberrations chromatiques commencent à se voir.
Les objectifs apochromatiques sont corrigés pour le bleu, le vert et le rouge.
Il est aussi possible de corriger des objectifs pour un spectre plus large incluant l’ultraviolet et l’infrarouge ; Nikon a par exemple fabriqué des objectifs comme le UV 105mm f4.5 pour des usages techniques/scientifiques.
Il existe deux types d’aberration chromatique, et les deux proviennent de la dispersion.
L’aberration chromatique longitudinale survient quand la distance focale varie selon la longueur d’onde, ce qui rend une mise au point parfaite impossible. Si l’on fait la mise au point sur le vert, le rouge et le bleu sont décalés ; cela affecte toute l’image et c’est très difficile à corriger en post-traitement.
L’aberration chromatique latérale survient quand le grandissement varie selon la longueur d’onde, de sorte qu’il n’existe pas une image unique bien définie. L’image bleue est un peu plus grande que la verte, et la verte plus grande que la rouge, ce qui apparaît sous forme de franges colorées sur les bords et dans les coins, loin de l’axe optique. Une correction algorithmique est possible en redimensionnant les sous-images rouge/bleue pour les aligner sur le vert.
J’ai déjà vu des lentilles fractales et des objectifs composites vraiment étranges.
Les lentilles en fluorite sont impressionnantes, mais elles ne constituent pas un avantage décisif tant qu’on n’est pas à fort grossissement ou proche des limites de vitesse du système.
La vraie différence apparaît lorsqu’elles sont combinées à la stabilisation VR et permettent de gagner plus de 4 stops en vitesse d’obturation.
Quand le sujet est aussi net, l’aberration chromatique devient très perceptible — ou bien ne l’est pas, grâce à la fluorite.
Fait intéressant, les outils modernes de retouche photo corrigent désormais en logiciel à la fois les effets d’objectif comme le vignettage ou la distorsion en coussinet, et l’aberration chromatique.
Comparé à mes débuts avec un Nikkor 70-210 f/4 et de la pellicule vers 1989, les photos qu’on peut prendre aujourd’hui sont stupéfiantes.
Personnellement, le vrai problème est qu’il y a trop de très bonnes photos, au point qu’il faut les réduire à un nombre assimilable.
Les enfants d’aujourd’hui n’en seront peut-être pas très impressionnés, mais l’ingénierie colossale derrière la photo force l’humilité.
Tant qu’on shoote en RAW, la correction automatique en post-traitement est triviale.
C’est pourquoi on les voit surtout dans les gros téléobjectifs à longue focale, où la taille et le poids deviennent vraiment problématiques.
Je possède un objectif FD 300/2.8 S.S.C. Fluorite sorti en 1975, et c’est vraiment un objectif fantastique.
Même à pleine ouverture f/2.8, il est net jusque dans les coins et excellent en astrophotographie.
Avec une seule pose, on peut capturer la nébuleuse d’Orion, la nébuleuse de la Tête de Cheval et même les détails des bras spiraux de la galaxie d’Andromède.
Il est aussi superbe pour les portraits en extérieur et produit un flou d’arrière-plan crémeux, mais il faut être assez loin du sujet pour avoir besoin d’un appel en haut-parleur si l’on veut lui parler.
Son prix catalogue à l’époque était de 420000 yens, soit 5364 dollars en valeur actuelle, et je l’ai acheté d’occasion 400 dollars.
À l’époque, les prix des objectifs en monture FD avaient fortement chuté, car leur distance de tirage était trop courte pour les adapter sur des reflex numériques.
J’ai fini par démonter tout l’arrière de l’objectif et usiner une monture de conversion pour pouvoir l’utiliser sur un reflex numérique. Une simple bague d’adaptation ne convenait pas, car elle ajoutait de l’épaisseur.
Depuis l’arrivée des hybrides, les objectifs FD peuvent de nouveau être utilisés avec une simple bague d’adaptation, et leurs prix en occasion sont remontés.
Malgré tout, si l’on compare leurs performances optiques à celles des équivalents modernes à autofocus, le rapport qualité-prix reste excellent. Mon objectif vaut aujourd’hui environ 600 à 1000 dollars sur eBay, tandis qu’un Sony 300/2.8 GM neuf coûte 6000 dollars.
Si vous cherchez un téléobjectif rapide à grande ouverture, je recommande vivement les objectifs FD avec éléments en fluorite, à condition d’accepter la mise au point manuelle.
Je l’avais acheté 750 dollars, donc c’était aussi une affaire incroyable.
Cela dit, comme les usages principaux des téléobjectifs lumineux sont le sport et la faune, l’autofocus rapide est une fonction décisive.
De plus, l’optimisation informatique moderne a considérablement réduit le poids des objectifs, amélioré la répartition des masses et offre une qualité d’image irréprochable ; pour beaucoup de gens, les 6000 dollars sont donc pleinement justifiés.
Je ne savais pas que Canon utilisait des éléments en fluorine
On en apprend un peu tous les jours, et c’est chouette
Les téléobjectifs Canon intègrent aussi des éléments holographiques, et vers 1990 j’ai assisté à une conférence où un concepteur optique expliquait une méthode astucieuse consistant à utiliser une paire d’ordres de diffraction (n et n+1) pour se corriger mutuellement
Grâce à cela, on pouvait utiliser non seulement le verre et la fluorine, mais aussi la dispersion diffractive pour la correction chromatique, sans générer de stray light (fantômes) dû à des ordres de diffraction indésirables
Ces objectifs sont des œuvres d’art
J’ai découvert récemment que les éléments optiques des objectifs actuels ne sont pas seulement du « simple verre », mais incluent aussi souvent des éléments en plastique spécialement conçus
Vidéo de Gordon Laing, “Canon lens TEARDOWN! What's INSIDE a new lens?” : https://youtube.com/watch?v=YH5_nVRWHZ0
Il y a aussi des articles de démontage comme celui-ci : https://www.lensrentals.com/blog/2021/01/the-secret-of-the-broken-element-a-canon-rf-100-500mm-f4-7-7-1-teardown/
Un élément de lentille asphérique répliqué est fabriqué en formant une couche de surface asphérique sur une lentille sphérique en verre, à l’aide d’un moule de surface asphérique et d’une résine durcissant aux UV
J’espérais que l’article expliquerait pourquoi la fluorine réduit l’aberration chromatique, mais malheureusement il se contente de dire que c’est le cas, sans vraiment entrer dans le pourquoi
Au début, je pensais que c’était parce que son indice de réfraction correspondait bien, mais il est presque identique à celui du verre
Le candidat le plus plausible que j’aie trouvé jusqu’ici est que la dispersion de vitesse de groupe est opposée, mais si je comprenais ce que cela signifie, cela aurait peut-être valeur d’explication
Si l’on n’utilise qu’un même type de verre, l’optimiseur a du mal à trouver une solution qui corrige l’aberration chromatique sur l’ensemble du spectre
Par exemple, en ajustant pour corriger l’aberration dans le vert, on dégrade le bleu
Mais en utilisant un matériau dont le profil de dispersion des couleurs est différent, comme la fluorine, on donne à l’optimiseur des degrés de liberté supplémentaires, ce qui permet de contrôler plus indépendamment les aberrations selon les couleurs et de fabriquer des objectifs plus performants
La fluorine a une faible dispersion globale, donc moins d’aberrations, tout en ayant une forme de courbe de dispersion particulière qui offre davantage de possibilités de contrôle
Les verres ordinaires ont globalement des courbes de dispersion similaires, tandis que la forme inhabituelle de celle de la fluorine fournit un levier supplémentaire à la fonction d’optimisation
L’explication est la suivante : avec uniquement des verres situés sur la « ligne des verres », on peut fabriquer une lentille ayant la même distance focale pour deux longueurs d’onde, mais c’est difficile pour trois ; il faut alors un matériau situé hors de cette ligne, dont le fluorure de calcium fait partie
Certains plastiques comme l’acrylique ou le polystyrène peuvent aussi être utilisés, mais ils ont leurs propres problèmes, comme la dilatation thermique
Avoir la même distance focale pour deux longueurs d’onde signifie que le graphe distance focale-longueur d’onde est à peu près parabolique ; pour trois longueurs d’onde, le graphe devient plutôt une courbe cubique
Le verre doit être économique, bien se polir, être transparent, chimiquement stable, ne pas se tacher et être mécaniquement robuste
Plus un verre « exotique » possède des propriétés de réfraction extrêmes, plus ses propriétés matérielles globales ont tendance à être mauvaises ; ce n’est donc pas un problème de conception facile
C’est la dispersion partielle qui apporte un degré de liberté supplémentaire
Il dit en substance : « Les longueurs d’onde rouge-vert se dispersent selon la même tendance que le verre, mais les longueurs d’onde vert-bleu se dispersent davantage que dans le verre. Ainsi, en utilisant un élément convexe en fluorine avec une lentille concave en verre à forte dispersion, l’aberration chromatique résiduelle est éliminée »
Super UD et UD sont depuis longtemps des références quasi standard dans le monde des objectifs, et la fluorine y joue un grand rôle
Lecture complémentaire intéressante : https://www.canon-europe.com/pro/infobank/fluorite-aspherical-ud-lenses/
Je pensais qu’il s’agissait de verres de lunettes, dommage
Pendant les années où j’ai porté des lunettes, je ne faisais pas vraiment attention à l’aberration chromatique, mais après être passé aux lentilles de contact, quand je remets des lunettes, elle devient très visible, surtout sur les bords des verres
Pour s’approcher, côté distorsion, de la qualité d’image des lentilles de contact, les verres de lunettes doivent aussi être de très bonne qualité
Je ne comprends pas bien pourquoi on ne corrige pas simplement l’aberration chromatique par logiciel
Si l’on sait que les images rouge, verte et bleue ont des positions de mise au point et des tailles légèrement différentes, cela semble facile à corriger
Pour une scène statique, il suffirait de prendre trois photos mises au point séparément par couleur, puis de les redimensionner pour les faire correspondre
Pour une scène en mouvement, les maths seraient plus complexes, mais on devrait tout de même pouvoir corriger la plupart des problèmes
Le vrai problème, ce sont les lumières dont la longueur d’onde se situe entre différentes couleurs, comme le « jaune »
La seule solution parfaite serait que chaque pixel devienne un spectromètre, et avec des capteurs à bande interdite variable, cela semble aussi possible
Beaucoup d’outils possèdent une base de données d’objectifs correspondant aux données EXIF de l’objectif utilisé pour la prise de vue, ce qui aide à appliquer automatiquement l’ajustement approprié à l’image
L’aberration chromatique réduit la résolution spatiale