Pourquoi l'optique asphérique est omniprésente dans les appareils photo modernes

Si vous démontez un objectif d’appareil photo moderne, il y a de fortes chances que vous trouviez quelque chose de légèrement différent des autres éléments optiques.

Il peut être plus épais au centre.

Il peut avoir une courbure inhabituelle.

Et contrairement à une surface de lentille sphérique classique, sa courbure ne suit pas une simple sphère.

C'est unélément de lentille asphérique.

L'optique asphérique se retrouve désormais dans tout, des caméras de smartphone et caméras de sécurité compactes aux systèmes d'imagerie automobile, drones, caméras de vision industrielle et objectifs photographiques professionnels.

Cela n'a pas toujours été le cas.

Alors qu’est-ce qui a changé ?

La réponse courte est que les appareils photo modernes demandent aux objectifs de faire beaucoup plus tout en devenant plus petits.

Et la physique, malheureusement, n’a pas accepté de rendre cela facile.

Une lentille sphérique est en fait un compromis pratique

Commençons par l'approche traditionnelle.

Une surface de lentille sphérique est basée sur une sphère.

Cela rend la surface relativement simple à fabriquer.

Mais il y a un problème.

Les rayons lumineux traversant différentes parties d’une lentille sphérique ne convergent pas toujours exactement vers le même point.

Les rayons proches de l’axe optique et les rayons traversant la partie externe de la lentille peuvent se concentrer différemment.

Cela produitaberration sphérique.

L'image devient moins nette, notamment lorsque l'objectif est utilisé à grande ouverture.

Vous pourriez ajouter plus d'éléments optiques pour compenser le problème.

Et historiquement, c’est exactement ce que les concepteurs de verres ont fait.

Mais maintenant vous avez un autre problème :

Plus d’éléments signifie plus d’espace, plus de poids, plus de surfaces, plus de complexité de fabrication et potentiellement plus de coûts.

Finalement, quelqu'un pose la question évidente :

Pourquoi ne pas changer la forme de la surface de la lentille elle-même ?

C'est là que l'optique asphérique devient utile.

Qu’est-ce qui différencie une surface asphérique ?

Une surface sphérique a un rayon de courbure constant.

Ce n’est pas le cas d’une surface asphérique.

Sa courbure évolue progressivement du centre vers le bord.

Cela peut ressembler à une petite différence géométrique.

Optiquement, c’est extrêmement utile.

En contrôlant soigneusement la forme de la surface, les concepteurs peuvent faire converger les rayons lumineux de manière beaucoup plus contrôlée.

Cela permet à un élément asphérique de corriger des aberrations optiques qui nécessiteraient autrement plusieurs éléments sphériques conventionnels.

En termes simples :

Au lieu d’ajouter du verre pour résoudre un problème, vous pouvez parfois modifier la forme du verre.

C’est l’une des principales raisons pour lesquelles l’optique asphérique est devenue si importante.

Le véritable avantage n’est pas seulement « plus net »

Les gens décrivent souvent les lentilles asphériques comme un moyen d’améliorer la netteté.

C'est vrai, mais incomplet.

Le plus gros avantage estliberté de conception optique.

Une surface asphérique peut aider les ingénieurs à gérer plusieurs caractéristiques optiques, en fonction de la conception.

Ceux-ci peuvent inclure :

Aberration sphérique

Coma

Astigmatisme

Distorsion

Performances sur le terrain

Taille globale de l'objectif

Cela est extrêmement important dans les appareils photo compacts.

Les modules de caméra modernes doivent souvent s'adapter à des espaces mécaniques très restreints tout en offrant :

Larges champs de vision

Grandes ouvertures

Haute résolution

Bonnes performances de bord

Essayer de réaliser tout cela en utilisant uniquement des éléments sphériques conventionnels peut devenir extrêmement difficile.

L'optique asphérique offre au concepteur un autre outil.

Et parfois, une surface asphérique bien conçue peut effectuer le travail que plusieurs surfaces conventionnelles devraient autrement effectuer.

Pourquoi les caméras grand angle aiment l'optique asphérique

Les objectifs grand angle sont particulièrement difficiles.

À mesure que le champ de vision s’élargit, la lumière pénètre dans le système optique sous des angles de plus en plus différents.

Garder ces rayons sous contrôle devient plus difficile.

La distorsion devient plus difficile à gérer.

Les performances Edge deviennent plus difficiles à maintenir.

C’est l’une des raisons pour lesquelles les éléments asphériques apparaissent si fréquemment dans les conceptions de caméras grand angle.

Pensez à une caméra de sécurité compacte.

Le fabricant souhaite peut-être un champ de vision large, des lentilles de petites dimensions, une haute résolution et de bonnes performances en basse lumière.

Ces exigences entraînent la conception optique dans différentes directions.

Une ouverture plus large permet de collecter la lumière.

Un champ de vision plus large augmente la couverture.

Un package plus petit facilite l’intégration du produit.

Mais chacune de ces décisions crée des défis optiques.

Les surfaces asphériques peuvent aider les concepteurs à trouver un équilibre réalisable.

Pourquoi les smartphones ont rendu l'optique asphérique encore plus importante

Les smartphones sont probablement l’exemple le plus simple à comprendre.

L'appareil photo d'un smartphone est minuscule.

Pourtant, les fabricants s'attendent à ce qu'il produise des images qui auraient semblé remarquables avec un appareil photo beaucoup plus grand il y a vingt ans.

Il n’y a tout simplement pas assez d’espace physique pour résoudre tous les problèmes optiques en ajoutant un grand nombre d’éléments en verre conventionnels.

La solution est une conception optique hautement optimisée.

Les surfaces asphériques peuvent fournir une correction substantielle dans un boîtier très compact.

Le même principe s'applique à d'autres systèmes d'imagerie miniatures.

Les caméras de sécurité, les modules de vision intégrés, les caméras automobiles, les drones, les robots et les appareils intelligents sont tous confrontés à une pression similaire :

Plus de performances optiques dans moins d’espace physique.

Mais asphérique ne signifie pas « automatiquement meilleur »

C'est un point important.

Un élément de lentille asphérique n’est pas automatiquement supérieur à un élément sphérique.

C'est un outil de conception.

Une surface asphérique mal conçue peut néanmoins produire de mauvaises performances optiques.

Et l'utilisation d'un élément asphérique n'élimine pas la nécessité de gérer :

Aberration chromatique

Distorsion

Tolérances de fabrication

Alignement

Performance du revêtement

Comportement thermique

L’ensemble du système optique doit encore fonctionner ensemble.

En fait, les surfaces asphériques peuvent parfois rendre la fabrication et le contrôle qualité plus exigeants car la géométrie de la surface est plus complexe.

La véritable réussite n’est donc pas simplement :

"Nous avons utilisé une lentille asphérique."

C'est:

"Nous avons utilisé la bonne géométrie optique pour résoudre le bon problème."

C'est dans la fabrication que la théorie devient intéressante

Il y a une grande différence entre concevoir une surface asphérique sur un ordinateur et en fabriquer des milliers de manière cohérente.

Le profil de surface requis doit être réalisé avec précision.

L'élément doit ensuite être assemblé correctement.

Même une bonne conception optique peut perdre en performances si les tolérances de fabrication sont mal contrôlées.

C'est pourquoi les fabricants d'optiques tels queOptique BoshiIl faut considérer la conception et la fabrication ensemble.

La production optique moderne peut impliquer un moulage de précision, le traitement des composants optiques, l’assemblage, l’inspection dimensionnelle et les tests de performances optiques.

Plus la surface optique est exigeante, plus le contrôle du processus devient important.

La principale raison pour laquelle les optiques asphériques sont partout

Alors pourquoi voyons-nous des optiques asphériques dans tant d’appareils photo modernes ?

Parce que les caméras ont évolué.

Ils sont plus petits.

Les capteurs sont plus performants.

Les champs de vision sont plus larges.

Les ouvertures sont plus grandes.

Les exigences de résolution sont plus élevées.

Et les caméras sont placées dans des environnements de plus en plus contraints.

Un drone ne peut pas transporter un énorme objectif.

Un robot a besoin de modules de vision compacts.

Un véhicule a besoin de caméras qui s’intègrent dans des boîtiers soigneusement conçus.

Un smartphone n’a presque pas de place libre.

L'optique asphérique offre aux ingénieurs optiques un autre degré de liberté pour résoudre ces problèmes.

Ce n’est pas un ingrédient magique.

Ils constituent tout simplement l’un des outils les plus utiles dont disposent les concepteurs optiques modernes.

Et compte tenu de tout ce que nous demandons désormais à ces petites caméras, nous devrions probablement leur en être reconnaissants.