Qu'arrive-t-il à l'objectif d'un appareil photo avant qu'il n'atteigne le capteur ?

Prendre une photo.

Cela semble instantané.

La lumière pénètre dans l'appareil photo, le capteur la capture et, d'une manière ou d'une autre, une image apparaît sur votre écran.

Simple, non ?

Eh bien, du point de vue d’un ingénieur optique, pas tout à fait.

Entre la scène du monde réel et les minuscules pixels du capteur d’image, la lumière doit parcourir un voyage étonnamment compliqué. Il est réfracté, focalisé, partiellement réfléchi, absorbé, déformé et, espérons-le – après tout cela – livré au bon endroit avec suffisamment de contraste pour être utile.

Cette dernière partie est l'endroit où un bonobjectif de la caméragagne son argent.

Les gens imaginent parfois un objectif comme un morceau de verre dont le seul rôle est de « focaliser l’image ».

Cette description est techniquement vraie à peu près de la même manière que dire qu’une voiture de Formule 1 est « un véhicule à quatre roues » est vrai.

Il se passe beaucoup plus de choses.

Tout commence avec la lumière de la scène

Avant que l’objectif fasse quoi que ce soit, il y a la scène elle-même.

Chaque objet devant la caméra réfléchit ou émet de la lumière. Cette lumière se propage vers la caméra depuis différentes directions et avec différentes longueurs d'onde.

Une voiture rouge, par exemple, n’envoie pas simplement une « lumière rouge » vers la caméra dans un faisceau précis. La lumière arrive de différentes parties du véhicule, sous différents angles et avec différentes intensités.

L’objectif doit prendre cette collection chaotique de rayons lumineux et l’organiser en une image.

C'est essentiellement le travail du système optique :

Prenez la lumière provenant de différentes directions et faites-la former une image contrôlée sur le capteur.

Et tout de suite, il y a un problème.

La lumière ne se comporte pas naturellement comme le souhaiteraient les ingénieurs.

Lorsque la lumière passe de l’air au verre, sa direction change. Lorsqu'il traverse un autre élément optique, il change à nouveau.

C'est ce qu'on appelle la réfraction.

En sélectionnant soigneusement la forme et le matériau de chaque élément optique, les concepteurs de lentilles utilisent ce comportement pour contrôler l'endroit où les rayons finissent par se rencontrer.

C'est pourquoi un objectif d'appareil photo peut contenir plusieurs éléments optiques plutôt qu'un simple morceau de verre.

L'objectif n'est pas un seul objectif

Regardez l’objectif d’un appareil photo moderne et vous verrez peut-être un petit objet cylindrique.

À l’intérieur, cependant, il peut y avoir plusieurs éléments optiques.

Chaque élément a un travail.

Certains aident à concentrer l'image. D'autres corrigent les aberrations. Certains améliorent les performances des bords. Certains aident à contrôler la distorsion ou l’aberration chromatique.

Ce qui est intéressant, c’est que ces éléments ne fonctionnent pas indépendamment.

Ils fonctionnent comme un système.

Un concepteur peut modifier la courbure d'un élément et devoir ensuite ajuster un autre élément pour compenser l'effet.

Changez l'ouverture et le comportement optique peut à nouveau changer.

Réduisez la taille de l'objectif et la conception devient plus difficile.

Augmentez le champ de vision et la distorsion devient plus difficile à contrôler.

Exigez des performances F1.0 et le concepteur optique obtient un autre casse-tête gratuit.

C'est pourquoi la conception optique est fondamentalement un exercice de compromis.

Vous arrivez rarement à tout maximiser simultanément.

Puis vient l'ouverture

Quelque part à l’intérieur du système optique se trouve l’ouverture.

Vous pouvez considérer l’ouverture comme un « gardien » contrôlant la quantité de lumière qui pénètre dans l’objectif.

Un objectif F1.0 a une très grande ouverture relative, permettant à beaucoup plus de lumière d'entrer dans le système optique qu'un objectif à plus petite ouverture.

Cela devient particulièrement important dans l’imagerie en basse lumière.

Mais il y a un piège.

Une plus grande ouverture ne signifie pas simplement « meilleur ».

Lorsque vous ouvrez l’ouverture, davantage de rayons provenant des parties extérieures du système optique participent à la formation de l’image. Ces rayons sont généralement plus difficiles à contrôler.

Les aberrations peuvent alors devenir plus visibles.

C’est l’une des raisons pour lesquelles la conception d’un objectif F1.0 hautes performances est bien plus difficile que la simple augmentation de l’ouverture physiquement plus grande.

Toutefois, pour des applications telles que la surveillance nocturne, le compromis peut en valoir la peine.

Lorsque la lumière disponible est limitée, en collecter davantage peut faire la différence entre une image utile et une image bruyante.

Tous les rayons n'arrivent pas au capteur de la même manière

Voici un détail qui devient particulièrement important lors de la sélection d'un objectif pour un capteur d'image moderne :

L'angle sous lequel la lumière atteint le capteur est important.

Les ingénieurs parlent souvent deChef Ray Angle, ou CRA.

En termes simples, CRA décrit l'angle du rayon principal atteignant différentes zones du capteur.

Pourquoi devrions-nous nous en soucier ?

Parce que les capteurs d’images modernes ne sont pas de simples morceaux de matériau sensible à la lumière qui attendent patiemment que quelque chose les frappe.

Il existe des structures microscopiques au-dessus des photodiodes, notamment des microlentilles et d’autres couches.

Si la lumière entrante arrive sous un angle inapproprié, en particulier vers le bord du capteur, celui-ci risque de ne pas utiliser cette lumière aussi efficacement que prévu.

C’est l’une des raisons pour lesquelles l’appariement des objectifs et des capteurs est important.

Un objectif peut avoir la distance focale et le format de capteur corrects sans toutefois constituer une correspondance optique idéale.

Le cercle d’image : l’objectif couvrira-t-il réellement le capteur ?

Voici un autre problème étonnamment courant.

Une lentille produit un cercle d'image.

Le capteur se trouve à l’intérieur de ce cercle d’image et utilise la partie qui tombe sur sa zone active.

Si le cercle d'image est trop petit, les coins du capteur risquent de ne pas recevoir suffisamment d'informations sur l'image.

Le résultat peut être un vignettage ou même des coins sombres visibles.

C'est pourquoi le format du capteur est important.

Un objectif conçu pour un capteur plus petit ne peut pas simplement être fixé à un capteur beaucoup plus grand et fonctionner parfaitement.

Vous pourriez physiquement connecter les deux.

Optiquement, cependant, la relation pourrait être plutôt moins coopérative.

C'est également la raison pour laquelle les ingénieurs examinent les dimensions réelles du capteur plutôt que de se fier uniquement à des étiquettes telles que « 1/2,7 pouce » ou « 1/1,8 pouce ».

Ces noms de format sont des raccourcis utiles, mais ce sont la zone active réelle et les exigences optiques qui comptent en fin de compte.

Et puis il y a des aberrations

C’est ici que l’ingénierie optique devient un peu moins glamour.

La lumière traversant une lentille réelle ne se concentre pas toujours exactement là où nous le souhaitons.

Différentes longueurs d'onde peuvent se comporter différemment.

Les rayons traversant différentes parties d’une lentille peuvent également se concentrer différemment.

Cela crée diverses aberrations optiques.

L'aberration chromatique peut produire des franges de couleur.

L'aberration sphérique peut réduire la netteté de l'image.

L'astigmatisme peut affecter la façon dont les détails sont reproduits.

Coma peut faire apparaître des objets ponctuels déformés, en particulier vers les bords.

Et la courbure du champ signifie que le plan de mise au point optimal peut ne pas se comporter comme le préféreraient les ingénieurs des capteurs parfaitement plats.

Aucun de ces problèmes ne semble particulièrement passionnant.

Mais c’est exactement le genre de choses qui déterminent si un objectif produit une image nette ou quelque chose qui semble étrangement nécessiter des lunettes.

La conception optique moderne consiste en grande partie à contrôler ces imperfections.

L'image n'est pas aussi nette partout

Cela nous amène à l’un des plus grands malentendus concernant la résolution des objectifs.

Un objectif n’est pas nécessairement aussi performant au centre qu’au bord.

Le centre de l’image est généralement plus facile à contrôler.

À mesure que vous vous rapprochez du bord, les performances optiques peuvent diminuer.

Ceci est particulièrement important pour les objectifs grand angle.

Imaginez une caméra de surveillance surveillant un parking.

Le centre de l'image peut être extrêmement net.

Mais que se passe-t-il lorsqu’un véhicule entre par le côté ?

Si la résolution des bords est mauvaise, la caméra peut techniquement disposer d'un capteur haute résolution tout en fournissant des détails beaucoup moins utiles là où cela compte.

C'est pourquoi les ingénieurs optiques examinent les performances MTF sur l'ensemble du champ d'image, plutôt que de simplement demander si un objectif est « 4MP » ou « 8MP ».

Le nombre de pixels vous indique ce que le capteur peut échantillonner.

MTF vous aide à indiquer avec quelle efficacité le système optique peut fournir des détails à ces pixels.

Avant que la lumière n'atteigne enfin le capteur

Même après avoir traversé les éléments de l'objectif, l'ouverture et les corrections optiques, la lumière peut rencontrer des composants supplémentaires.

Selon la conception de la caméra, le chemin optique peut inclure :

Fenêtres de protection

Filtres anti-IR

Couvercle du capteur en verre

Filtres passe-bas

Autres revêtements ou structures optiques

Chaque surface supplémentaire peut influencer le système optique.

La réflexion peut réduire la transmission.

De mauvais revêtements peuvent augmenter les reflets ou les images fantômes.

L'épaisseur et les propriétés réfractives des composants situés devant le capteur peuvent également affecter la mise au point et les performances optiques.

Ceci est particulièrement important dans les systèmes de caméras compactes où tout est emballé dans un très petit espace.

Le concepteur optique ne peut pas simplement dire :

"C'est le problème du fabricant du capteur."

L’ensemble de la pile optique compte.

Enfin, la lumière atteint le capteur

Après toutes ces interactions, la lumière atteint enfin le capteur d’image.

Le capteur convertit les photons entrants en signaux électriques.

À ce stade, il peut sembler que l’objectif a terminé son travail.

En fait, c'est ici que l'on peut enfin voir si l'objectif a bien fait son travail.

Si le système optique livré :

Assez de lumière

Bon contraste

Détails fins

Aberrations contrôlées

Angles de rayons appropriés

Couverture d'image adéquate

le capteur dispose d’informations utiles avec lesquelles travailler.

Dans le cas contraire, le système de traitement d’image aura un problème difficile à résoudre.

La réduction du bruit peut réduire le bruit.

L'affûtage peut améliorer les bords.

Les algorithmes d’IA peuvent améliorer les images.

Mais les logiciels ne peuvent pas récupérer parfaitement les informations optiques qui n’ont jamais été capturées.

C’est pourquoi la qualité optique reste importante même si l’imagerie informatique devient plus sophistiquée.

Pourquoi la sélection des objectifs et des capteurs doit se faire ensemble

C’est probablement la leçon pratique sur laquelle je voudrais insister le plus.

Ne choisissez pas d'abord un capteur et demandez ensuite avec désinvolture :

« Quel objectif pouvons-nous mettre dessus ? »

Pour de nombreux projets, la sélection de l’objectif et du capteur doit être considérée ensemble.

L'ingénieur doit comprendre la relation entre :

Capteur + Objectif + Ouverture + Champ de vision + Traitement d'image + Éclairage

Une modification apportée à une partie peut affecter les autres.

Une taille de pixel plus petite peut augmenter les exigences en matière de résolution optique.

Un champ de vision plus large peut augmenter les problèmes de distorsion et de performances de pointe.

Une ouverture plus grande peut améliorer les performances en basse lumière tout en rendant le contrôle des aberrations plus difficile.

Un capteur différent peut modifier les exigences de l’ARC.

C'est pourquoi les fournisseurs d'optique expérimentés posent souvent des questions étonnamment détaillées avant de recommander un verre.

Ce n’est pas parce qu’ils aiment la paperasse.

Habituellement, ils essaient d’éviter de recommander quelque chose qui semble parfait sur le papier et qui vous déçoit lorsqu’il est connecté à l’appareil photo lui-même.

Le chemin optique est en réalité une chaîne de décisions

Une fois que l’on comprend ce qui se passe entre la scène et le capteur, une chose devient claire :

Un objectif d’appareil photo ne consiste pas simplement à « focaliser la lumière ».

C’est gérer la lumière.

Chaque surface optique, chaque courbure, chaque espacement, chaque revêtement et chaque tolérance mécanique affecte l'image finale.

L'objectif doit collecter suffisamment de lumière.

Il doit diriger cette lumière correctement.

Il doit contrôler les aberrations.

Il doit fournir une résolution suffisante.

Il doit correspondre au capteur.

Et idéalement, il doit faire tout cela des milliers ou des millions de fois avec des performances constantes.

C’est pourquoi un petit objectif d’appareil photo peut contenir une quantité impressionnante d’ingénierie.

Chez Boshi Optics, les solutions optiques sont développées pour des applications allant de la surveillance de sécurité et de la vision IA aux drones, à l'imagerie automobile, aux dispositifs médicaux et autres systèmes d'imagerie. Les capacités de fabrication de l'entreprise couvrent le traitement des composants optiques, le moulage de précision, le moulage par injection, l'assemblage de lentilles et les tests optiques.

L'image finale peut paraître simple.

Le voyage qui l’a créé est tout sauf.

Une dernière façon d'y penser

La prochaine fois que vous examinerez les spécifications d'une caméra et verrez :

Capteur 8MP

n'imaginez pas immédiatement huit millions de petits détails.

Imaginez huit millions d'occasions d'enregistrer des informations.

Demandez ensuite :

Que leur a réellement apporté l’objectif ?

Cette question est bien plus proche du cœur de l’ingénierie optique.

Parce que le capteur enregistre l'image.

Mais avant que le capteur puisse enregistrer quoi que ce soit, l’objectif doit lui donner quelque chose qui mérite d’être enregistré.