Objectif de la caméra

Contexte

L’objectif de la caméra est une invention qui tente de reproduire le fonctionnement de l’œil humain. Tout comme l’œil, l’objectif voit une image, la focalise et transmet ses couleurs, sa netteté et sa luminosité à travers l’appareil photo au film photographique, qui, comme notre mémoire, enregistre l’image pour un traitement et une utilisation future. Les lentilles sont en verre optique ou en plastique. Ils focalisent les rayons lumineux en les réfractant ou en les pliant de sorte qu’ils se rencontrent ou convergent en un point commun.

Une lentille simple « voit » bien en son centre, mais sa vision sur les bords a tendance à s’estomper. Le flou, les changements de couleur, la distorsion des lignes et les halos de couleur autour des objets sont causés par des défauts de la lentille appelés aberrations. Certaines aberrations peuvent être corrigées dans la lentille simple en façonnant une ou les deux surfaces de manière à ce qu’elles soient asphériques; les courbes asphériques varient comme les courbes d’une parabole, plutôt que de rester constantes comme la courbure d’une sphère. Un objectif de caméra réduit les effets des aberrations en remplaçant un objectif simple par un groupe de lentilles appelées éléments de lentille, qui sont des lentilles de différentes formes et distances de séparation. La lentille devient plus complexe à mesure qu’une plus grande correction de la vision est obtenue. L’objectif sera également plus complexe en fonction de la taille de l’ouverture — l’ouverture qui laisse passer la lumière — et de la gamme d’angles qu’elle « voit. »La conception des lentilles reposait autrefois sur l’art de l’opticien et sur une expérimentation considérable. Aujourd’hui, les programmes informatiques peuvent ajuster la mise en forme et l’espacement des éléments de lentille, déterminer leurs effets les uns sur les autres et évaluer les coûts de production de lentilles.

Les éléments de lentille sont généralement décrits par leur forme. La lentille convexe se courbe vers l’extérieur; une lentille biconvexe se courbe vers l’extérieur des deux côtés, et une lentille plano-convexe est plate d’un côté et incurvée vers l’extérieur de l’autre. Il existe également des lentilles concaves, des lentilles biconcaves et des lentilles plano-concaves. Les éléments ne sont pas nécessairement symétriques et peuvent se courber davantage d’un côté que de l’autre. L’épaississement du milieu de la lentille par rapport à ses bords provoque la convergence ou la focalisation des rayons lumineux. Les lentilles avec des bords épais et des milieux minces dispersent les rayons lumineux. Un objectif de caméra complexe contient un certain nombre d’éléments spécialement regroupés. La combinaison de la composition, de la forme et du regroupement des éléments maximise les propriétés de flexion de la lumière des éléments individuels pour produire l’image souhaitée. L’objectif est focalisé en le déplaçant plus près ou plus loin du film ou du plan focal. La lentille peut être tordue, ce qui fait entrer et sortir les éléments de la lentille le long d’un filetage en spirale usiné dans le boîtier de la lentille. La torsion de l’objectif déplace également une échelle sur le boîtier qui indique la distance de la meilleure mise au point.

La butée ou le diaphragme est une partie spécialisée de la lentille. Dans les appareils photo simples, la butée est une butée fixe ou un anneau de tôle noire placé en permanence devant l’objectif. Les caméras Box, les caméras de studio et certaines caméras de fabrication européenne utilisent une butée coulissante, qui est une bande de métal qui glisse sur l’avant de l’objectif entre des rainures. Il a deux trous ou plus de tailles différentes qui sont les ouvertures. Les objectifs à butée variable ont une bague usinée à l’extérieur de la monture d’objectif, imprimée avec des numéros de butée f. En tournant cette bague, le diaphragme peut être ouvert ou fermé. Ce diaphragme à iris fonctionne un peu comme l’iris de l’œil en permettant des ajustements pour des conditions de lumière variées.

L’objectif d’un appareil photo compact est généralement un objectif à usage général avec une distance focale normale qui prend des photos d’une image comme nos yeux la voient. Les objectifs conçus à des fins spéciales sont utilisés avec des caméras plus avancées. Les téléobjectifs fonctionnent un peu comme des jumelles ou des télescopes et rapprochent une image distante. Les objectifs grand angle font apparaître l’image plus loin; un objectif panoramique est un type spécial d’objectif grand angle qui est utile pour prendre des photos de larges étendues de paysages. Certains appareils photo jetables sont équipés d’objectifs panoramiques. Un objectif fish-eye est également un type spécial d’objectif grand angle qui déforme délibérément l’image afin que la partie centrale soit agrandie et que les détails extérieurs de l’image soient compressés. Les lentilles Fish-eye couvrent des angles très larges comme des vues d’horizon à horizon. Un autre objectif spécial est l’objectif à focale variable, également appelé objectif « zoom ». Il utilise des éléments d’objectif mobiles pour ajuster la distance focale afin de zoomer plus près ou plus loin du sujet. Ces lentilles sont complexes et peuvent contenir de 12 à 20 lentilles; cependant, une lentille à focale variable peut remplacer plusieurs autres lentilles. Certains appareils photo compacts ont également des fonctions de zoom, de téléobjectif ou de grand angle limitées. L’appareil photo reflex mono-objectif (REFLEX) est conçu de sorte que le photographe voit la même vue que l’objectif à travers le viseur. Cela permet au photographe de planifier l’image qui apparaîtra sur le film avec la flexibilité d’une variété d’objectifs interchangeables.

Historique

L’objectif de la caméra a évolué à partir de lentilles optiques développées à d’autres fins et a mûri avec l’appareil photo et le film photographique. En 1568, un noble vénitien, Daniel Barbaro, a placé une lentille au-dessus du trou d’un boîtier de caméra et a étudié la netteté de l’image et la mise au point. Son premier objectif provenait des lunettes convexes d’un vieil homme. L’astronome Johann Kepler a développé les expériences de Barbaro en 1611 en décrivant des lentilles simples et composées, en expliquant l’inversion d’image et en agrandissant des images en regroupant des lentilles convexes et concaves.

Dans les années 1800, les premières caméras box avaient un objectif monté dans l’ouverture de la boîte. L’objectif a inversé l’image sur une plaque sensible à la lumière à l’arrière de la boîte. Il n’y avait pas d’obturateur pour ouvrir l’objectif; au lieu de cela, un capuchon d’objectif a été retiré pendant plusieurs secondes ou plus pour exposer la plaque. L’amélioration de la sensibilité de la plaque a nécessité des moyens de contrôler l’exposition. Des masques avec des ouvertures de tailles différentes ont été fabriqués pour être insérés près de la lentille. Le diaphragme à iris a également été développé pour contrôler l’ouverture. Ses feuilles métalliques s’ouvrent et se rapprochent pour former une ouverture circulaire dont le diamètre peut varier.

En 1841, Joseph Petzval de Vienne conçoit un objectif portrait à ouverture rapide. Auparavant, les objectifs fabriqués pour les appareils photo daguerréotypes étaient les mieux adaptés à la photographie de paysage. L’objectif de Petzval permettait de prendre des portraits dix fois plus rapidement et la photographie était moins susceptible d’être floue. En 1902, Paul Rudolph a développé l’objectif Zeiss Tessar, considéré comme le plus populaire jamais créé. En 1918, il a produit l’objectif Plasmat, qui est peut-être le plus bel objectif d’appareil photo jamais fabriqué. Rudolph a été suivi peu de temps par Max Berek, qui a conçu des objectifs nets et rapides, idéaux pour les appareils photo miniatures.

D’autres développements essentiels dans l’histoire des lentilles incluent la technologie de revêtement des lentilles, l’utilisation du verre de terres rares et les méthodes de calcul rendues possibles par l’ordinateur. Katharine D. Blodgett a développé des techniques pour les lentilles à revêtement mince avec un film de savon pour éliminer la réflexion et améliorer la transmission de la lumière en 1939. C. Hawley Cartwright poursuivit les travaux de Blodgett en utilisant des revêtements de fluorures métalliques, y compris du magnésium et du calcium évaporés, d’une épaisseur de quatre millionièmes de pouce.

Conception

La conception d’un objectif d’appareil photo commence par identifier le photographe qui l’utilisera. Lorsque le marché est identifié, le concepteur de lentilles sélectionne les matériaux optiques et mécaniques, la conception optique, la méthode appropriée pour fabriquer les pièces mécaniques et, pour les objectifs à mise au point automatique, le type d’inter-face entre l’objectif et l’appareil photo. Il existe des conventions ou des modèles pour les différentes catégories d’objectifs, y compris les objectifs macro, grand angle et téléobjectifs, de sorte que certains aspects de la conception sont normalisés. Les progrès des matériaux donnent aux concepteurs de nombreux défis

Un groupe d’objectifs appelés éléments d’objectif, qui sont de formes et de distances de séparation différentes, constituent l’objectif de la caméra. La conception des lentilles reposait autrefois sur l’art de l’opticien et sur une expérimentation considérable. Aujourd’hui, les programmes informatiques peuvent ajuster la mise en forme et l’espacement des éléments de lentille, déterminer leurs effets les uns sur les autres et évaluer les coûts de production de lentilles.

options, cependant. Dans le choix des matériaux, l’ingénieur doit tenir compte d’une gamme de métaux pour les composants et de différents types de lunettes et de plastiques pour les lentilles, tout en gardant à l’esprit le coût final pour le photographe.

Lorsque le concepteur a terminé la conception, ses performances sont testées par simulation informatique. Les programmes informatiques spécifiques aux fabricants d’objectifs indiquent au concepteur le type d’image ou d’image que l’objectif produira au centre de l’image et sur ses bords pour la plage de fonctionnement de l’objectif. En supposant que l’objectif réussisse le test de simulation par ordinateur, les critères de performance qui ont été choisis au départ sont réexaminés pour confirmer que l’objectif répond aux besoins identifiés. Un prototype est fabriqué pour tester les performances réelles. L’objectif est testé dans des conditions de température et d’environnement variables, à chaque position d’ouverture et à chaque distance focale pour les zooms. Les graphiques des cibles dans un laboratoire sont photographiés, tout comme les conditions de champ de lumière et d’ombre variables. Certaines lentilles sont vieillies rapidement lors de tests en laboratoire pour vérifier leur durabilité.

Un travail de conception supplémentaire est nécessaire si l’objectif se concentre automatiquement, car le module de mise au point automatique (AF) doit fonctionner avec une gamme de boîtiers de caméra. Le module AF nécessite à la fois une conception logicielle et mécanique. Des tests de prototypes approfondis sont effectués sur ces objectifs en raison de leurs fonctions complexes et du fait que le logiciel est ajusté à chaque objectif.

Matières premières

Les matières premières pour les objectifs eux-mêmes, le revêtement, le barillet ou le boîtier de l’objectif de la caméra et les supports d’objectif sont décrites ci-dessous dans la section fabrication.

Le processus de fabrication

Éléments de lentille de meulage et de polissage

• 1 Le verre optique est fourni aux fabricants de lentilles par des fournisseurs spécialisés. Habituellement, il se présente sous la forme d’une « plaque pressée » ou d’une plaque de verre tranchée à partir de laquelle les éléments sont découpés. Les éléments en verre sont façonnés en formes concaves ou convexes par une machine génératrice de courbes qui est une meuleuse de première étape. Pour atteindre les spécifications de sa forme, une lentille passe par une séquence de processus dans lesquels elle est broyée par polissage de particules dans l’eau. Les particules de polissage deviennent plus petites à chaque étape à mesure que la lentille est affinée. La génération de courbes et le broyage ultérieur varient en vitesse en fonction des propriétés de fragilité, de douceur et d’oxydation des matériaux optiques.

  Après meulage et polissage, les éléments sont centrés de sorte que le bord extérieur de la lentille soit parfaitement circonférentiel par rapport à l’axe central ou à l’axe optique de la lentille. Les lentilles en plastique ou en verre collé et en résine sont produites par les mêmes procédés. Des matériaux collés sont utilisés pour fabriquer des lentilles à surfaces non sphériques, et ces lentilles sont appelées « asphériques hybrides. » Les surfaces asphériques de ces lentilles sont complétées lors du centrage.

Lentilles de revêtement

• 2 Les lentilles formées sont revêtues pour protéger le matériau de l’oxydation, pour empêcher les reflets et pour répondre aux exigences de « transmission spectrale conçue » ou d’équilibre et de rendu des couleurs. Les surfaces de la lentille sont soigneusement nettoyées avant le revêtement. Les techniques d’application des revêtements et les revêtements eux-mêmes sont des arguments de vente majeurs pour les lentilles d’un fabricant et sont des secrets soigneusement gardés. Certains types de revêtements comprennent des oxydes métalliques, des fluorures d’alliage léger et des couches de quartz qui sont appliquées sur des lentilles et des miroirs par un procédé sous vide. Plusieurs couches de revêtement peuvent être appliquées pour la meilleure transmission de la couleur et de la lumière, mais un revêtement excessif peut réduire la lumière qui traverse la lentille et limiter son utilité.

Production du canon

• 3 Le canon comprend le châssis qui supporte les différents éléments de lentille et l’extérieur cosmétique. Les supports métalliques, les rainures et les parties mobiles de la lentille sont essentiels aux performances de la lentille et sont usinés selon des tolérances très spécifiques. Les supports d’objectif peuvent être en laiton, en aluminium ou en plastique. La plupart des composants de baril en métal sont moulés sous pression et usinés. Les supports métalliques durent plus longtemps, conservent leurs dimensions, peuvent être usinés plus précisément et peuvent être démontés pour remplacer les éléments, si nécessaire. Les supports en plastique sont moins chers et plus légers. Si le canon est en plastique d’ingénierie, il est produit par une méthode de moulage par injection très efficace et précise. Les surfaces intérieures du canon sont également revêtues pour les protéger et empêcher la réflexion interne et l’évasement.

Assemblage de la lentille

• 4 D’autres parties de l’objectif, telles que le diaphragme et le module de mise au point automatique, sont produites sous forme de sous-ensembles. Le diaphragme à iris est constitué de feuilles incurvées découpées dans de fines feuilles de métal. Les feuilles métalliques sont maintenues en place par deux plaques. Une plaque est fixe, l’autre se déplace et comporte des fentes pour les broches coulissantes. Ceux-ci font glisser les feuilles vers le canon pour ouvrir le diaphragme ou vers le centre pour fermer l’ouverture lorsque l’anneau de butée en f est tourné. L’ensemble diaphragme est fixé en place lorsque la monture d’objectif est fixée à l’extrémité du canon. La mise au point automatique est également ajoutée, les éléments optiques sont positionnés et l’objectif est scellé. Après l’assemblage final, la lentille est ajustée et inspectée rigoureusement. Il doit répondre aux normes de conception pour la résolution optique, la fonction mécanique et la réponse de mise au point automatique. Les lentilles peuvent également être testées en les soumettant à des chocs, des chutes et des vibrations.

Contrôle de la qualité

Les approches de fabrication des lentilles varient considérablement d’une entreprise à l’autre. Certains utilisent une automatisation complète, y compris des robots industriels, pour fabriquer leurs produits, d’autres utilisent de grandes chaînes de montage et d’autres encore sont fiers de l’artisanat. La qualité et la précision sont cependant essentielles à la production de lentilles, quelle que soit l’approche de fabrication. Les matériaux et composants entrants sont rigoureusement inspectés pour leur qualité et leur conformité aux spécifications techniques. Les processus automatisés sont également inspectés en permanence et soumis à des contrôles de tolérance. L’artisanat est réalisé uniquement par des artisans qualifiés avec de longues années de formation. Le contrôle de la qualité et les tests de résistance sont intégrés à chaque étape de fabrication, et les éléments et composants sont mesurés avec des instruments précis. Certains appareils de mesure sont commandés par laser et peuvent détecter des écarts de moins de 0,0001 millimètre dans une surface de lentille ou dans un centrage de lentille.

L’avenir

Les objectifs de caméra bénéficient de nouveaux développements dans de nombreux domaines. L’intérêt du consommateur pour les meilleures photos au moindre coût a conduit à des appareils photo jetables avec des objectifs simples mais efficaces. Les objectifs pour les photographes professionnels et pour des utilisations spécialisées telles que les jumelles ou les télescopes hautes performances sont fabriqués avec des lunettes exotiques et « non préférées » qui sont plus sensibles, coûteuses et plus difficiles à obtenir que les matériaux traditionnels. Ce sont des matériaux appelés « dispersion anormale » car ils fusionnent toutes les couleurs de la lumière traversant la lentille pour produire les meilleures images, plutôt que de permettre aux couleurs de se disperser comme une simple lentille. L’eau et d’autres liquides courbent également la lumière, et les scientifiques ont identifié des liquides anormalement dispersifs qui peuvent être piégés entre des couches de verre ordinaire pour produire la même qualité d’image que le verre optique exotique. Le verre ordinaire ou « préféré » (préféré en raison de son faible coût et de sa maniabilité) est collé autour du liquide avec un adhésif silicone flexible. La « lentille liquide » résultante peut remplacer plusieurs éléments dans une lentille de qualité professionnelle. Il réduit également le revêtement requis et la quantité de polissage de la lentille nécessaire car le liquide comble les imperfections du verre. Le coût de la lentille est réduit et les propriétés de transmission de la lumière sont améliorées. Les fabricants de lentilles aux États-Unis, au Japon et en Europe se préparent à produire des lentilles liquides dans un avenir proche.