Objectifs : des allume-feu aux téléphones intelligents et à la réalité virtuelle

Dans l’Antiquité, nous voyons des exemples de cristaux grossissants formés en une forme biconvexe dès le 7ème siècle avant JC. On ne sait pas si les gens de cette période les utilisaient à des fins d’allumage de feu ou pour la vision. Pourtant, on dit que l’empereur Néron de Rome a regardé des jeux de gladiateurs à travers une émeraude.

Inutile de dire que les vues que nous obtenons à travers les objectifs modernes sont beaucoup plus réalistes. Alors, comment sommes-nous passés de simples systèmes de grossissement aux systèmes de lentilles complexes que nous voyons aujourd’hui ? Nous commençons par un rapide voyage à travers l’histoire de l’appareil photo et de l’objectif, et nous finirons par la pointe de la conception d’objectifs pour les appareils photo pour smartphones et les casques VR.

Théorie et pratique

Les philosophes et les scientifiques de la plupart des cultures et des époques ont pensé à la lumière. Nos théories modernes de la lumière remontent aux années 1600 et aux travaux de scientifiques comme Johannes Kepler, Willebrord Snellius, Issac Newton et Christiaan Huygens. Bien sûr, ce n’était pas sans controverse. Netwon et bien d’autres avaient avancé l’idée que la lumière était une particule qui se déplaçait en ligne droite comme un rayon, tandis que Huygens et d’autres ont proposé que la lumière se comporte davantage comme une onde. Pendant un certain temps, le camp de Newton l’a emporté.

Cela a changé dans les années 1800 lorsque les expériences d’interférence de Thomas Young ont montré des données qu’aucune théorie des particules ne pouvait expliquer. Fresnel, en 1821, parvient à décrire la lumière non pas comme une onde longitudinale mais comme une onde transversale. C’est devenu la théorie de facto de la lumière, connue sous le nom de principe de Huygens-Fresnel jusqu’à ce que la théorie électromagnétique de Maxwell arrive et mette fin à l’ère de l’optique classique.

Pendant ce temps, des lunettes pratiques ont probablement été inventées dans le centre de l’Italie vers 1290. Les lunettes se sont répandues dans le monde entier et les fabricants de lunettes ont également commencé à fabriquer des télescopes. Le premier brevet pour un télescope a été déposé en 1608 aux Pays-Bas. Cependant, la demande de brevet n’a pas été accordée car à cette époque, les télescopes étaient déjà assez courants. Ces télescopes réfringents étaient des systèmes très populaires et souvent simples à deux éléments. Des télescopes à réflexion tels que celui construit par Newton en 1668 ont été construits en partie pour prouver ses théories sur l’aberration chromatique. En fin de compte, il a prouvé que les lentilles réfractent la lumière vers un point focal, mais que différentes longueurs d’onde se réfractent différemment. Cela signifie que les couleurs ont des points focaux différents, ce qui déforme l’image.

Lorsque le film est arrivé sur les lieux, on a découvert que les caméras souffraient également d’aberration sphérique – l’objectif ne pouvait pas focaliser l’image sur un large plan plat. Charles Chevalier a créé une lentille achromatique capable de contrôler à la fois les aberrations chromatiques et sphériques. Cependant, cela signifiait que l’ouverture à l’avant était assez petite (f/16), portant le temps d’exposition à vingt ou trente minutes.

Bien qu’elle ne soit pas utile pour les appareils photo, la lentille de Fresnel est apparue à cette époque en 1818 et a sauvé des centaines, voire des milliers de navires. La Commission française des phares avait engagé Fresnel pour concevoir la lentille et cela avait plutôt bien fonctionné. Peut-être à cause de ce succès, en 1840, le gouvernement français a offert un prix à celui qui pourrait proposer un objectif qui pourrait réduire les temps d’exposition des appareils photo.

Un objectif de portrait conçu par Petval d'Autriche en 1841, l'un des premiers objectifs à 2 éléments pour la photographie
Schéma de l’objectif de portrait de Petzval de 1841 – verre couronne ombragé rose, verre silex ombragé bleu

Joseph Petzval était un professeur de mathématiques qui a relevé le défi présenté. Huit ordinateurs d’artillerie humaine ont été prêtés à son projet par un archiduc pendant six mois – c’était une conception de pointe. En fin de compte, il n’a pas reçu le prix car il n’était pas français, mais son objectif était le plus performant parmi ceux soumis cette année-là.

L’objectif de Petzval était l’un des premiers systèmes d’objectifs à quatre éléments et l’un des premiers objectifs conçus spécifiquement pour l’appareil photo plutôt que d’être une caméra obscura ou une pièce de télescope réutilisée. En conséquence, c’était une conception d’objectif répandue pour le siècle suivant. Bien que d’autres ajustements soient courants, ils ont été principalement effectués par essais et erreurs plutôt que de revenir aux fondements mathématiques qui ont créé l’objectif en premier lieu.

Le prochain bond en avant a eu lieu en 1890 avec le Zeiss Protar, qui utilisait de nouveaux types de verre avec différents indices de réfraction et d’autres propriétés optiques. La combinaison de différents verres a abouti à une lentille qui corrigeait presque toutes les aberrations. Ce type d’objectif est connu sous le nom d’Anastigmat, et le Protar a été le premier.

Il y a beaucoup plus d’histoire ici autour de la montée des fabricants d’objectifs japonais et de la chute des fabricants allemands. Mais nous allons passer directement au smartphone.

Le téléphone intelligent moderne

Système de smartphone moderne à trois éléments
Formulaire de brevet américain US8558939B2

Nous en avons discuté brièvement dans notre article plus long qui parle de ce qui compose un smartphone. Mais les objectifs des smartphones modernes sont complexes car ils ont dû gérer la capture d’une lumière adéquate tout en étant petits. Une excellente ressource est cet article de blog auquel nous avons lié dans l’article ci-dessus.

De nombreux smartphones utilisent encore aujourd’hui un système de lentilles à trois éléments, fortement inspiré du triplet Cooke.

Il a l’avantage d’être assez facile à expliquer et relativement simple à fabriquer. Le premier objectif a une puissance optique élevée et un faible indice de réfraction et de dispersion puisque nous ne pouvons pas corriger de telles aberrations. La deuxième lentille compense toutes les aberrations qui se produisent dans la première et est un matériau différent, aidant à réduire l’effet sphérique produit par la première lentille. La troisième lentille corrige la distorsion des deux premières et aplatit les rayons sur le plan image.

À partir du brevet américain US20170299845A1

Ensuite, nous passons brusquement à quelque chose comme ça. Regardez les lentilles. Aucune d’entre elles n’est de jolies formes sphériques. Au lieu de cela, ils sont étranges et mystérieux.

Il s’agit de la pile d’objectifs autour d’un iPhone 7 – il n’est pas clair quel brevet a été utilisé dans quel téléphone. La lentille frontale a une puissance optique élevée, et la deuxième lentille essaie de corriger cela. Mais ensuite, les quatre dernières lentilles sont toutes des formes bancales qui corrigent la distorsion et l’aberration sphérique.

Contrairement aux appareils photo plus grands, la plupart des objectifs d’un téléphone portable sont faits du même matériau. Pourquoi? La réponse simple est qu’ils doivent le faire. Les objectifs des smartphones sont principalement en plastique plutôt qu’en verre rodé. Contrairement à ce que l’on pourrait penser, les fabriquer en plastique est plus complexe que le verre. Quiconque a travaillé avec de la résine peut vous dire qu’obtenir du plastique transparent sans défaut n’est pas une mince affaire. Les plastiques que nous pouvons utiliser pour les lentilles ne se déclinent qu’en deux variétés principales, avec deux indices de réfraction parmi lesquels choisir. Le verre est disponible dans tout un spectre, dopé avec divers matériaux pour obtenir des nombres IoR et Abbe exotiques. En fait, certains des objectifs d’appareil photo les plus exotiques contiennent des matériaux radioactifs tels que le thorium. Cependant, les plastiques peuvent mieux former des formes uniques que le verre. Le rodage du verre dans autre chose qu’une sphère est difficile à mettre à l’échelle et à fabriquer de manière cohérente. Le plastique est moulé et peut prendre la forme que vous souhaitez.

De plus, les smartphones offrent de nombreuses autres fonctionnalités, telles que la stabilisation optique de l’image qui utilise MEMS pour déplacer l’objectif en réponse au mouvement. Bien sûr, cela nécessite de déplacer un ou plusieurs objectifs ou même le module caméra lui-même, ce qui introduit une foule de problèmes car chaque objectif a un rôle spécifique dans la gestion des aberrations. Dans le dernier iPhone 12, le capteur d’image CMOS se déplace plutôt que les objectifs. Cela permet aux lentilles de conserver une grande partie de leur puissance optique tout en corrigeant les aberrations.

Casques VR

Si la photographie a été le moteur de l’innovation en matière d’objectifs dans les années 1800, c’est probablement le téléphone portable qui l’a conduite dans les années 2000. Mais il y a une autre application de niche qui pourrait faire bouger les choses dans un avenir proche : VR. Actuellement, les casques VR sont grands et encombrants. Ils ressentent cela en partie parce qu’une grande partie de leur poids est éloignée de votre visage, tirant plus fort. Si le casque pouvait être plus fin, cela rendrait l’expérience plus confortable.

À l’heure actuelle, une grande partie de ce volume provient des objectifs et des distances nécessaires pour focaliser l’image afin qu’elle ait l’air correcte lorsque le casque est allumé. Récemment, Facebook/Oculus/Meta a présenté certains de ses prototypes de casques, et quelques-uns ont tenté de résoudre ce problème. Selon l’endroit où l’utilisateur regarde, le casque fait des choses comme faire varier le plan focal et corriger la distorsion de l’objectif dans le logiciel à la volée.

L’avenir des verres

Certains disent que nous pouvons nous débarrasser complètement des lentilles. Plusieurs entreprises, telles que Metalenz, construisent des guides d’ondes à partir de nanostructures de silicium. L’avantage est qu’il peut être intégré directement au-dessus du capteur d’image CMOS sans boîtier complexe. Étant donné que les systèmes qui utilisaient des dizaines d’objectifs pour obtenir la précision et les faibles niveaux de distorsion nécessaires peuvent être compressés en une seule couche, cela permettrait aux caméras et aux spectromètres ordinaires de se rétrécir.

De plus, c’est quelque chose qui intéresse beaucoup les casques VR, car des guides d’ondes pourraient être intégrés dans les écrans permettant un champ de vision plus large avec moins de poids et de volume. L’avenir réserve certainement de nombreux nouveaux développements passionnants pour la conception des objectifs. Au fur et à mesure que nous nous dirigeons vers des objectifs sans distorsion dans plus de scénarios avec plus de contrôle, certains reviennent à des objectifs plus anciens. Parfois c’est par nostalgie et parfois c’est parce qu’ils aiment le look. Peut-être que si Emporer Nero louchait à travers nos différents objectifs, caméras et casques VR aujourd’hui, il préférerait peut-être encore le rubis, les distorsions optiques et tout.