Le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED en toute transparence.

 



Fig. 1 : Le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED.

Bien qu’il soit consacré au Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED, les thèmes abordés dans cet article concernent également les autres téléobjectifs de la gamme Nikkor (mise au point, stabilisation, vignettage, Nano Crystal Coat).

Fig. 2 : Les 13 éléments du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED : près de 1300 grammes de verre optique.

 

Sommaire :

• Généalogie.
•Système optique.
•Système de mise au point (IF).
•Système de stabilisation de l’image (VR).
•Traitement des lentilles avec “Nano Crystal Coat” (N).
•Éléments de protection.
•Vignettage.
•Bagues allonges.
•En guise de conclusion.

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I  -  Généalogie du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED.

Le verre “ED”.
Le premier Nikkor 300 mm f/2.8 date de 1972. Son système optique “convergent - divergent” (6 éléments en 5 sous-groupes) en fait un véritable téléobjectif classique à mise au point par rampe hélicoïdale. Il est dépourvu de présélection automatique du diaphragme : la mesure de la lumière se fait à ouverture réelle. Sur ce premier modèle, les éléments en verre à faible dispersion, indispensables sur ce type d’objectif, sont d’origine Schott. Ce n’est que sur le modèle suivant, présenté en 1975, que le verre “ED” d’origine Nikon fait sa première apparition. Réservés aux professionnels et peu pratiques à l’usage, ces téléobjectifs produits en très faible quantité n’intéressent probablement plus, aujourd’hui, que de très rares collectionneurs. Le système optique “convergent - divergent” est aujourd’hui totalement abandonné dans cette catégorie d’objectif.

Le mise au point interne.
A partir de 1976, Nikon adopte pour ses objectifs de longue focale un système optique en trois groupes “convergent - divergent - convergent” (8 éléments en 6 sous-groupes) permettant d’effectuer la mise au point par le seul déplacement du groupe intermédiaire : la mise au point interne “IF” (Internal Focusing) est née. Ce système breveté au Japon à la fin de l’année 1975, puis aux USA trois ans plus tard, facilite grandement l’utilisation des téléobjectifs. Le 400 mm f/3.5 IF-ED et le 600 mm f/5.6 IF-ED sont les premiers à bénéficier de cette innovation ; le Nikkor 300 mm f/2.8 IF-ED ne sort que l’année suivante, en 1977. La généralisation de la mise au point interne et l’emploi de verre à faible dispersion sont à l’origine de l’essor des téléobjectifs modernes.

La mise au point automatique.
Lorsqu’en 1986 le premier Nikkor AF 300 mm f/2.8 IF-ED sort des usines Nikon, il est construit autour du même système optique ; une simple adaptation mécanique permet la mise au point motorisée par le boîtier. Cette transposition montre cependant assez vite ses limites en terme de rapidité de mise au point. L’amélioration des performances impose l’incorporation d’un moteur à l’objectif, l’allègement du groupe intermédiaire dédié à la mise au point (par la réduction de son diamètre), et une diminution de sa course. Après quinze années de bons et loyaux services, le système optique du 300 mm f/2.8 est donc modifié en ce sens, et le Nikkor AF-I 300 mm f/2.8 IF-ED apparaît au catalogue en 1992. Le déplacement du groupe d’éléments dédié à la mise au point est assuré par un moteur sans noyau magnétique (coreless) ; les fortes accélérations de ce type de moteur rendent le système particulièrement réactif.

Le piézomoteur.
En 1996, Nikon abandonne la motorisation par moteur coreless et dopte le piézomoteur à onde progressive qu’il nomme ”Silent wave“ (AF-S). Ce type de moteur est plus silencieux et plus simple à gérer. A cette occasion, le système optique du 300 mm n’est que légèrement modifié (d’un point du vue optique, le “300 AF-I” peut donc être considéré comme le véritable ancêtre de l’actuel Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED). Deux modèles de Nikkor AF-S 300 mm f/2.8D IF-ED se succèdent à partir de juillet 1996 (modèle II en février 2001). Ces deux “300 AF-S” ne différent que par leur distance minimale de mise au point (2,5 m sur le premier et 2,2 m sur le second) et leur masse (le modèle II pesant environ 500 g de moins que son prédécesseur grâce à son barillet en alliage de magnésium).

La stabilisation.
Le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED apparaît en septembre 2004. Sur les plans optique et mécanique, il est très proche des “300 AF-S” qui l’ont précédés. Mise à part l’incorporation du système de stabilisation d’image agissant sur le groupe arrière, les améliorations dont il bénéficie touchent essentiellement l’allègement des éléments concernés par cette fonction afin d’assurer une bonne réactivité au système. La réduction de la masse de ce triplet (passant de 58 g environ à près de 43 g) a été obtenue en modifiant les rayons de courbure et les épaisseurs de ses éléments. La longueur focale résultante de ce triplet demeure cependant inchangée, et il en va de même pour les groupes 1 et 2. L’élément 12, autrefois en verre Hikari E-FK5, est maintenant en verre E-PKH1. Un ménisque à faces parallèles est désormais utilisé comme élément de protection de la lentille frontale en lieu et place du filtre plan des modèles précédents (voir § “Ménisque de protection”). Depuis le modèle II, l’iris est à 133,8 mm* du plan image (136 mm* sur le modèle I) et sa bague de commande est désormais supprimée. La longueur “optique“ de l’objectif (distance entre l’apex de la surface frontale de la première lentille et le plan du capteur) est de 298,2 mm. La version VR II, sortie à la fin de l’année 2009, ne diffère que par son système de gestion du groupe de stabilisation.

Les premiers brevets déposés par Nikon, portant sur la stabilisation d’un 300 mm (d’ouverture f/4 et f/4.5) par le mouvement contrôlé du groupe arrière, datent de 1995. L’année suivante, le système était validé sur les 85 mm f/1.8, 85 mm f/1.4, 135 mm f/2, 300 mm f/2.8, 500 mm f/4 et 600 mm f/4. Mais il aura fallu près de dix années pour que cela aboutisse à la production en série d'un téléobjectif ; et c’est finalement sur le 300 mm f/2.8 que Nikon a choisi de l’adapter en premier.



Fig. 3 : Plaque d’identification du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED.

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II  -  Système optique.

Les illustrations et calculs qui suivent sont réalisés d’après les données des brevets de M. Susumu Sato, US 5,745,306 du 28 avril 1998 (300 AF-S), et de M. Issei Tanaka, US 7,336,421 B2 du 26 février 2008 (300 VR).
Le tableau suivant défini complètement le système optique de l’objectif, y compris la position du diaphragme (stop). Il est tiré du brevet de M. Tanaka (Embodiment 3).



Fig. 4 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Définition du système optique.
Les données en noir sont issues du document US 7,336,421 B2.


Ce téléobjectif est composé de 11 éléments en 8 sous-groupes, insérés entre 2 éléments de protection, un fixe à l’avant et un amovible à l’arrière (filtre standard Ø 52 mm). Huit verres optiques différents sont utilisés pour la fabrication de ces 13 éléments.

Notons que dans la définition du système, l’élément de protection frontal apparaît comme étant plan, alors qu’en réalité il s’agit d’un ménisque à faces parallèles (voir § “Ménisque de protection”).

Fig. 5 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Groupes, sous-groupes et éléments.


Hormis les deux éléments de protection, ce système optique se décompose en trois groupes d’éléments ayant chacun une fonction particulière.



Fig. 6 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Points cardinaux.


Le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED pèse 2870 g. Dans un téléobjectif de ce type, la masse de verre constituant les différents éléments du système optique est très importante. Ici, elle représente près de 45% de la masse totale de l’objectif.



Fig. 7 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED - Masse des éléments optiques.

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III  -  Système de mise au point (IF).

Principe.

Le système de mise au point interne du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED repose sur le principe d’une combinaison afocale (l’ensemble des groupes 1 et 2) associée à un objectif primaire (le groupe 3). Cette combinaison afocale est maintenue comme telle, quelle que soit la distance du sujet, par le déplacement du groupe 2 (un système optique est dit afocal lorsqu’il renvoie à l’infini l’image d’un objet situé à l’infini).

Fonctionnement.

L’objectif primaire (groupe 3), celui qui forme l’image, est fixe par rapport au capteur de l’appareil photographique (figure 8). Sa position est telle qu’il forme sur le capteur, l’image d’un objet situé à l’infini (faisceau incident de rayons parallèles). Pour que l’image d’un objet soit nette sur le capteur, il faut et il suffit que le faisceau incident au groupe 3 soit composés de rayons parallèles.

Fig. 8 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Groupe 3 (objectif primaire).


Pour ce faire, on place devant le groupe 3 une combinaison afocale formée par le groupe 1, fixe par rapport au capteur, et le groupe 2, mobile (figure 9). Lorsque la position du groupe 2 (en rouge) est telle que son foyer principal objet F2 est quasiment confondu avec le foyer principal image F1’ du groupe 1 (en bleu), un faisceau incident de rayons parallèles pénétrant dans le groupe 1 émerge du groupe 2 en un faisceau de diamètre inférieur dont les rayons sont également parallèles. La condition nécessaire pour que le groupe 3 puisse former l’image sur le capteur est ainsi satisfaite.

Fig. 9 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Système afocal (réglé sur l’infini).

La figure 10 (non survolée par le pointeur de la souris) illustre le chemin emprunté par la lumière à travers les groupes 1 et 2 lorsque l’objet est situé à l’infini. En survolant l'illustration avec le pointeur on visualise ce qu'il se passe lorsque le sujet se rapproche jusqu’à 2,20 m du capteur (mise au point minimum) : le point de focalisation du groupe 1 recule de 12,6 mm, passant de F1’ en PF. Si la position du groupe 2 est maintenue, le système devient divergent (il n’est plus afocal) et le groupe 3 ne peut plus focaliser sur le capteur (l’image se forme à l’arrière du capteur).

Fig. 10 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Groupe 2 en position avancée (infini).
Illustration non survolée : objet à l'infini.
Illustration survolée : objet à 2,20 m.

Pour que le groupe 3 soit à nouveau en mesure de focaliser sur le capteur, il faut rétablir le caractère afocal du système en déplaçant le groupe 2 vers la droite de 12,6 mm également, ramenant ainsi le point F2 en PF. En survolant à l’aide du pointeur de la souris la figure 11 ci-après, on peut visualiser le phénomène. Ce déplacement a également pour conséquence une diminution de la longueur focale de l’ensemble du système qui varie ainsi de 293,8 mm à 271 mm.

Fig. 11 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Objet à 2,20 m du capteur.
Illustration non survolée : groupe 2 en position avancée, système non afocal.
Illustration survolée : groupe 2 reculé, système afocal.

La mise au point de ce téléobjectif, depuis l’infini jusqu’à 2,2 m, est donc assurée par un groupe de trois lentilles pesant au total 43 grammes et dont le déplacement n’excède par 12,6 mm. Depuis 1996 (premier AF-S 300 mm f/2.8 IF-ED), ce déplacement est assuré par un moteur piézoélectrique à onde progressive (piézomoteur).

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IV  -  Système de stabilisation de l’image (VR).

La photographie à main levée souffre du manque de stabilité de l’opérateur, car le moindre mouvement en tangage et/ou en lacet de l’ensemble [objectif + boîtier] induit un changement de direction de l’axe optique provoquant un déplacement de l’image sur le capteur (figure 12). Pour les valeurs de grandissement relativement faibles (distance > 10 x focale), ce déplacement est directement proportionnel à la distance focale de l’objectif. C’est la raison pour laquelle la photographie au téléobjectif demande un soin particulier.

Fig. 12 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. VR OFF.
Illustration non survolée : oscillation en tangage de + 0,4° ; le point image se déplace de + 2,05 mm.
Illustration survolée : oscillation en tangage de - 0,4° ; le point image se déplace de - 2,05 mm.


Dans une certaine mesure ce déplacement d’image peut être “compensé” par le déplacement d’un groupe d’éléments optiques. Ici, ce rôle est assurée par le mouvement contrôlé, perpendiculaire à l’axe optique, du groupe 3.

Le principe est le suivant : considérons un point objet fixe situé sur l’axe optique ; son image se forme au centre du capteur ; lorsque, par exemple, l’objectif se cabre, l’image de ce point objet se déplace vers le haut du capteur ; en déplaçant les éléments optiques de stabilisation vers le bas, l’image du point objet est également ramenée vers le bas, au centre du capteur (Figure 13). Ainsi, le mouvement de cabrage de l’objectif est “compensé”.

Fig. 13 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Effet du déplacement du groupe de stabilisation sur l'image.
Illustration non survolée : oscillation en tangage de + 0,4° ; VR OFF.
Illustration survolée : oscillation en tangage de - 0,4° ; VR ON.

La sensibilité optique d’un système de stabilisation est définie par le rapport du déplacement de l’image sur le déplacement des éléments optiques assurant la stabilisation. Dans le cas présent, cette sensibilité est égale à +1, ce qui signifie que les éléments optiques déplacent l’image d’une quantité équivalente à leur propre déplacement, et dans la même direction (ceci est logique puisque la stabilisation est assurée par l’objectif primaire).

Fig. 14 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Compensation d'une oscillation de ± 0,4°.
Illustration non survolée : + 0,4° ;
Illustration survolée : - 0,4°.

Pour réaliser les figures 12 et 13 et 14, j’ai volontairement choisi un angle de cabrage important pour que le calcul aboutisse à des déplacements visibles sur un dessin. En réalité, le décentrement de quelques éléments optiques au sein d’un système n’étant pas sans conséquence sur ses performances, il est limité à 1 mm* autour de l’axe du système. Ainsi, tout changement de direction de l’axe optique de ± 0,195° autour d’une valeur moyenne est potentiellement compensable par le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Autrement dit, une image peut être optiquement stabilisée tant que l’axe optique de l’objectif se déplace à l’intérieur d’un cercle de 68 mm de diamètre à 10 m. Évidemment, ceci n’est vrai que si la fréquence des oscillations est compatibles avec la capacité de réponse du système (typiquement, pour le 300 VR, entre 3 et 5 Hz*).

Le circuit de commande de déplacement du groupe 3 répond aux classiques du moment (figure 15). La détection des mouvements angulaires de l’objectif en tangage et en lacet est assurée respectivement par deux micro-gyromètres piézoélectriques vibrants à effet Coriolis (A1 et A2). Grâce aux signaux qu’ils délivrent, un microprocesseur calcule la vitesse angulaire instantanée de l’objectif dans le plan horizontal et vertical, en déduit la position instantanée idéale du groupe 3 afin d’assurer la compensation, et commande son déplacement vertical (compensation du tangage) et horizontal (compensation en lacet) à l’aide d’actionneurs électromagnétiques à bobine mobile (voice-coil actuators B1 et B2). Un contrôle précis, en temps réel, des mouvements du groupe 3 est réalisé par le même microprocesseur grâce aux informations en provenance de deux capteurs de position (C1 et C2).

Fig. 15 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Système de stabilisation
(groupe 2 et diaphragme non représentés).

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V  -  Traitement des lentilles avec “Nano Crystal Coat” (N).

L’expression « Nano Crystal Coat” est apparue pour la première fois à la sortie du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Elle fait référence au traitement multi couches (anti réflexion) de certains éléments optiques de l’objectif et, plus précisément, à une des couches constituant le revêtement des surfaces de sortie des deux premiers éléments du groupe 3.

Comme son nom l’indique, un revêtement anti réflexion sert à réduire le phénomène de réflexion apparaissant à la surface de séparation de deux milieux transparents d’indices de réfraction différents lorsque cette surface est polie. Dans un système optique composé de nombreux éléments et donc de nombreuses surfaces polies, ceci permet :

- d’augmenter très sensiblement la transmission globale du système optique,
- d’éviter que des rayons lumineux ayant subit plusieurs réflexions atteignent le capteur, créant ainsi un “flare” ou des images “fantômes”,
- accessoirement, de corriger une dominante colorée.

Ainsi, toutes les surfaces dioptriques air-verre des objectifs actuels sont revêtues de plusieurs films transparents d’épaisseurs et d’indices de réfraction différents : le traitement multi couches. Cette technique permet de diminuer la réflectivité du verre de manière très importante pour toutes les longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nm (lumière visible) tant que l’angle d’incidence n’est pas trop important (< 60°).

Origine de “Nano Crystal Coat”…

Les steppers sont des appareils servant à la fabrication des semi-conducteurs par projection d’un “photomask“ (image du circuit) sur un “wafer” (pastille de silicium). Le niveau d’intégration des semi-conducteurs étant de plus en plus élevé (jusqu’à 0,18 mm*), ces steppers utilisent des sources de lumière de longueur d’onde de plus en plus courte (parfois moins de 200 nm*) et des objectifs de projection de plus en plus ouverts (de manière à diminuer l’effet de la diffraction). Dans de telles conditions, les traitements multi couches conventionnels ne sont pas adaptés car ils absorbent les radiations de courtes longueurs d’onde (ils sont donc peu transparents au radiations utilisées) et ils sont peu efficaces aux angles d’incidence élevés rencontrés avec des objectifs aussi ouverts (diamètre allant jusqu’à 300 mm*). Nikon, fabricant de steppers, a donc développé des traitements particuliers pour les éléments de ces énormes objectifs. “Nano Crystal Coat“ est le résultat de l’adaptation aux lentilles d’objectifs photographiques d’une technologie développée au départ pour les lentilles des objectifs de projection des steppers.

Particularités de “Nano Crystal Coat”…

L’efficacité d’un traitement multi couches augmente lorsque :

- la différence entre les indices de réfraction des différents matériaux utilisés augmente,
- l’indice de réfraction le plus faible diminue (point particulièrement important).

La plage d’indices de réfraction des matériaux utilisés pour le traitement conventionnel des lentilles d’objectifs photographiques (pour une longueur d’onde de référence l = 550 nm) s’étend de 1,35* (fluorure de magnésium) à un maximum de 2,7* (dioxyde de titane). Ces matériaux sont déposés par des techniques dites “à sec” (dépôt sous vide, projection, vapeur chimique).
Contrairement aux films conventionnels, une couche Nano Crystal est déposée par un procédé dit “humide” (dépôt en phase liquide suivi d’un séchage). Ce procédé a la particularité de provoquer l’agrégation des atomes ou des molécules en particules de quelques nanomètres ou dizaines de nanomètres en formant un film poreux. Le matériau utilisé est le fluorure de magnésium (d’où le terme “Crystal”), et le film ainsi créé mesure 143 nm* d’épaisseur (0,26 l). Traité de cette manière, il présente un indice de réfraction de 1,25*. Lorsque le même matériau est déposé par un procédé à sec, sa densité est telle qu’il présente un indice de réfraction de 1,35*.
Cet indice de réfraction de 1,25* assure un bon écart entre les indices de réfraction des différentes couches (qui s'étend ainsi de 1,25 à 2,12 pour le traitement d’un verre d’indice proche de 1,52), mais également abaisse la valeur d’indice minimum. Ces deux raisons expliquent l’efficacité des traitements incluant une couche Nano Crystal : la réflectivité du verre traité de cette manière est ramenée à moins de 0,5 %* pour les rayons lumineux dont l’angle d’incidence est compris entre 0 et 25° et à un maximum de 3,5 %* pour les rayons dont l’angle d’incidence est de 60°. En contre partie, ce procédé étant plus long à mettre en œuvre, il est aussi plus coûteux que les procédés à sec.

En résumé, Nano Crystal Coat fait référence au dépôt d’un film dont les caractéristiques particulières permettent d’améliorer sensiblement les performances d’un revêtement multi couches. Actuellement, cette couche Nano Crystal déposée par procédé humide vient en complément de trois autres couches déposées par un ou plusieurs procédés à sec conventionnels (oxyde d’aluminium, oxyde de titane+oxyde de zirconium et à nouveau oxyde d’aluminium).

Pourquoi seulement deux éléments sont-ils traités de cette manière ?

L’étude de la formation des images “fantômes” par suite de réflexions multiples à l’intérieur d’un système optique est un sujet particulièrement intéressant.
Il y a création d’une image “fantôme” lorsqu’un faisceau lumineux issu d’un point objet atteint le capteur après avoir subit deux réflexions partielles : une première réflexion renvoie une partie du faisceau en direction de l’objet, et une seconde réflexion le renvoi à nouveau vers le capteur. Pour avoir un effet visible, et donc néfaste, le faisceau ainsi réfléchi doit cependant rester suffisamment intense et concentré lorsqu’il émerge du système optique en direction du capteur. Dans un objectif photographique, les surfaces d’éléments les plus à même de provoquer des réflexions pouvant conduire à la création d’images fantômes sont les surfaces concaves par rapport au diaphragme (dont “le creux” est tourné vers le diaphragme) car, dans certaines conditions, elles tendent à focaliser les faisceaux réfléchis, alors que les surfaces convexes par rapport au diaphragme les font plutôt diverger. Ainsi, selon leur géométrie (surfaces de préférence non planes, de rayon de courbure supérieur à 1/5* de la longueur focale du système), selon leur position relative au sein du système optique, et selon la différence d’indice de réfraction de part et d’autre des surfaces dioptriques, on peut établir un classement par ordre d’importance des surfaces sur lesquelles les réflexions peuvent conduire à la création d’images fantômes. Dans le cas du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED, les trois surfaces les plus à même de générer des images fantômes sont :

- la face de sortie du 10ème élément (surface n°17),
- la face d’entrée du 5ème élément (surface n°8),
- la face de sortie du 11ème élément (surface n°19).

Ceci est facilement vérifiable par le calcul : la figure 16, ci-dessous, illustre la manière dont un faisceau lumineux créé une image fantôme sur le capteur après une première réflexion partielle sur la surface n°17, puis une seconde réflexion sur la surface n°8.

Fig. 16 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Réflexions partielles sur les surfaces n°17, puis n°8.

De la même manière, la figures 17 illustre le comportement d’un faisceau lumineux partiellement réfléchi par les surfaces n°19, puis n°8 : il y a aussi création d’une image fantôme sur le capteur.

Fig. 17 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Réflexions partielles sur les surfaces n°19, puis n°8.

On peut observer que la face d’entrée du 5ème élément (surface n°8) agit toujours après une première réflexion sur les faces de sortie des éléments 10 et 11 (surfaces n°17 et n°19). Par conséquent l’application d’un traitement multi couches incluant un film Nano Crystal sur ces deux surfaces (aire cumulée 3000 mm2 environ), en réduisant très fortement les premières réflexions, rend inutile un traitement identique de la face d’entrée du 5ème élément (aire 4400 mm2 environ).

Il m’a semblé intéressant d’étudier d’autres cas de réflexions partielles sur des surfaces n’ayant pas été retenues par Nikon pour recevoir un traitement particulier : sans surprise, elles aboutissent à la création de faisceaux fortement divergents en avant du capteur, et ne sont donc pas de nature à engendrer des images fantômes. Les figures 18 et 19 ci-après, illustrent les résultats de deux de ces simulations.

Fig. 18 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Réflexions partielles sur les surfaces n°21, puis n°8.

Fig. 19 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Réflexions partielles sur les surfaces n°17, puis n°15.

Cas des réflexions partielles sur le capteur.

Dans l’étude des réflexions internes à l’objectif, les opticiens ayant mis au point le film Nano Crystal ne considèrent que la lumière incidente pénétrant dans le système par la lentille frontale. La lumière retournant dans le système par l’arrière, après une éventuelle réflexion sur le capteur, n’est jamais prise en compte. Ceci va à l’encontre d’une idée assez répandue voulant que le traitement incluant un film Nano Crystal ait été mis au point pour s’affranchir du problème dû à la réflectivité des capteurs d’appareils photographiques numériques.

Pour ce qui concerne le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED, il est évident que les opticiens de Nikon n’appliquent pas leur traitement incluant une couche Nano Crystal aux surfaces n°17 et n°19 pour protéger le capteur des réflexions qu’il a lui-même engendrées.
Pour comprendre pourquoi, il faut tout d’abord faire l’hypothèse que le capteur (placé à l’arrière d’un filtre passe bas) puisse être considérée comme une surface polie (ce qui n’est pas avéré). Dès lors, tout faisceau partiellement réfléchi par le capteur après formation d’un point image, est par nature divergent (puisqu’il est convergent avant réflexion). Seules les surfaces concaves par rapport au capteur pourraient éventuellement refocaliser ce faisceau partiellement réfléchi en direction du capteur. Or, les surfaces ayant reçu un traitement incluant une couche Nano Crystal (n°17 et n°19) sont convexes par rapport au capteur, et par conséquent divergentes par réflexion. Ainsi, un faisceau réfléchi une première fois par le capteur, subissant une deuxième réflexion sur l’une des surfaces n°17 ou n°19, émerge du système en étant très fortement divergent et par conséquent sans effet notable sur l’image. La figure 20, ci-après, illustre le résultat d’un calcul de réflexions partielles sur le capteur puis sur la surface N°17. Un calcul identique, mais impliquant cette fois la surface n°19, conduit à un faisceau émergent encore plus divergent car le rayon de courbure de la surface n°19 est plus faible que celui de la surface n°17.

Fig. 20 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Réflexions partielles sur le capteur, puis sur la surface n°17.

Nota :
Je n’ai représenté ici que des résultats obtenus à partir de faisceaux issus d’objets situés à l’intérieur du champ angulaire de l’objectif, mais des images fantômes ou du flare peuvent parfaitement être provoqués par des faisceaux issus d’objets situés au-delà du champ embrassé par l’objectif. Il suffit pour cela que des rayons lumineux issus de ces objets atteignent l’élément frontal de l’objectif (ce qui arrive fréquemment lorsque le pare-soleil est trop court et/ou mal conçu). Les zooms, dont le pare-soleil est évidemment adapté à leur focale la plus courte, sont particulièrement sensibles à ces phénomènes.

Dans un objectif grand angle, compte tenu de l’importance des angles d’incidence, les surfaces génératrices d’images fantômes concernent principalement les éléments des groupes frontaux. C’est donc plutôt sur les faces de ces lentilles qu’un traitement incluant une couche Nano Crystal est appliquée.

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VI  -  Éléments de protection.

Le ménisque frontal.

L’AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED est le premier téléobjectif Nikkor à recevoir un ménisque à faces parallèles comme élément de protection de sa lentille frontale. La vergence très faiblement positive de cet élément n’a aucune incidence sur la définition du système optique de l’objectif. Les brochures Nikon indiquent que ce ménisque permet de minimiser la formation d’images fantômes lorsqu’une partie de la lumière est réfléchie par le capteur du boîtier numérique.

Néanmoins, l’installation de ce ménisque rajoute deux surfaces concaves par rapport au diaphragme. Comme nous l’avons vu au chapitre précédent, ces surfaces sont susceptibles de créer des images fantômes après une première réflexion partielle sur l’un des autres éléments. Le calcul montre cependant qu’il n’en est rien : l’utilisation d’un ménisque à la place d’un filtre plan n’a pas de répercussion véritablement néfaste (ni véritablement bénéfique d’ailleurs) sur la formation d’éventuelles images fantômes après une première réflexion partielle sur une des autres surfaces d’éléments.

Qu’en est-il après une première réflexion partielle sur le capteur (figure 21) ?

Fig. 21 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED.
Réflexions partielles sur le capteur, puis sur la face de sortie d’un filtre plan.

Les images fantômes créées par un filtre plan après réflexion partielle sur le capteur ont deux particularités :

Il en découle :

Ceci est vrai en théorie. En pratique, les choses sont vraisemblablement différentes car, d’une part, l’image fantôme est formée par un faisceau ayant traversé trois fois la quasi totalité des éléments de l’objectif (soit 65 réfractions + 2 réflexions, dans le cas présent) et, d’autre part, ceci suppose que le capteur soit assimilé à une surface parfaitement polie.

En installant un ménisque à faces parallèles à la place du filtre plan, le plan de focalisation du faisceau réfléchi est repoussé vers l’avant du capteur. Le faisceau réfléchi émergent est alors divergent en avant du capteur, et l’image fantôme se retrouve très fortement “diluée” (figure 22). Le faisceau émergent est d’autant plus divergent que le rayon de courbure du ménisque est plus faible.

Fig. 22 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED.
Réflexions partielles sur le capteur, puis sur la face de sortie d’un ménisque à faces parallèles.

Pour se rendre compte de l’efficacité d’un tel système, il faut garder à l’esprit le fait que l’éclairement engendré par un flux lumineux sur une surface plane est inversement proportionnelle au carré du diamètre de la tâche lumineuse créée par ce flux. Ainsi, par exemple, lorsque deux flux lumineux d’égales intensités créés deux tâches lumineuses circulaires, l’une de 1 mm et l’autre de 10 mm de diamètre, l’éclairement de la tâche lumineuse de 10 mm est 100 fois moindre que celui de la tâche de 1 mm. En langage “photographique” une telle différence correspond à plus de six valeurs de diaphragme ! Entre les deux figures ci-dessus, le rapport des diamètres est supérieur à cet exemple…

Nota :
L’épaisseur des filtres plans utilisés sur les premiers AF-S 300 mm est de 4 mm*. Concernant les ménisques à faces parallèles utilisés actuellement, je n’ai trouvé aucune donnée, à ce jour. Pour les calculs impliquant un ménisque, j’ai donc arbitrairement conservé une épaisseur de 4 mm (une épaisseur effective légèrement différente aurait un effet parfaitement négligeable sur les résultats). Quant au rayon de courbure des faces du ménisque, j’ai retenu la valeur de +1020 mm par analogie avec le ménisque utilisé sur le 300 mm Canon (en pratique, une valeur comprise entre +1000 et +2000 mm ne change pas fondamentalement les résultats).

Le filtre arrière.

Le filtre NC (Neutral Contrast) placé d’origine à l’arrière de l’objectif est généralement considéré comme un élément de protection, mais il faut bien reconnaître qu’en tant que tel il n’est pas très utile.

En fait, lorsqu’il est placé à l’arrière d’un objectif, un filtre devient partie intégrante du système optique. Ce filtre neutre n’est donc là que pour permettre de l’échanger éventuellement contre un filtre “créatif” sans que les caractéristiques de l’objectif en soient changées. Dès lors, il faut s’attendre à ce qu’un objectif comme le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED, optimisé avec son filtre arrière, voit ses performances évoluer s’il est utilisé sans.

Nikon aurait pu concevoir cet objectif sans filtre arrière. Le photographe désirant utiliser un filtre “créatif” aurait alors dû acheter un filtre frontal de grand diamètre dont le coût aurait été sans commune mesure avec celui d’un filtre Ø 52 mm placé à l’arrière.

Que se passe-t-il lorsqu’un objectif optimisé avec un filtre arrière est utilisé sans ce filtre ?
L’effet le plus évident est la réduction du tirage optique du système : sans filtre, l’image se forme en avant du capteur. Le déplacement du plan de mise au point est proportionnel à l’épaisseur du filtre que l’on enlève (à indice de réfraction constant). Sur le graphe de la figure 21, le déplacement du plan de mise au point est symbolisé par la lettre E ; ce déplacement vaut 0,68 mm au centre de l’image pour un filtre de 2 mm d’épaisseur en verre BK7. Aux distances de mise au point intermédiaires ceci est sans conséquence car il est possible de “compenser” cet écart en agissant sur la bague de mise au point. Mais aux limites de la plage des distances, cette réduction du tirage à deux conséquences :

Dans le cas du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED, le tirage optique en l’absence de filtre arrière diminuant de 0,68 mm, il faut avancer le groupe 2 de 0,18 mm (en tournant légèrement la bague de mise au point au-delà de l’infini) pour retrouver le point à l'infini. A l’opposé, la distance minimale de mise au point passe de 2,20 m à 2,175 m. On peut donc dire que, de ce point de vue, le retrait du filtre arrière est sans conséquence pratique.


Fig. 23 : Position et déformation du plan image avec et sans filtre arrière.


Le fait de retirer le filtre arrière modifie également la planéité de champ. Lorsqu’un ensemble objectif + filtre arrière présente un champ image parfaitement plan, l’absence de filtre incurve le plan image vers l’avant. Cette courbure de champ augmente avec l’angle moyen d’émergence des faisceaux lumineux. Pour réaliser l’illustration 23 j’ai choisi une valeur d’angle moyen de 20° créant une courbure de champ importante, donc bien visible. Dans le cas du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED, la pupille de sortie est beaucoup plus loin du capteur, et l’angle moyen d’émergence des faisceaux lumineux éclairant les bords du champ image n’excède pas 7,3°. La courbure de champ due à l’absence de filtre arrière est donc bien plus faible (environ 0,02 mm en limite du champ image).
L’absence de filtre arrière augmente aussi légèrement l’aberration de sphéricité.

En conclusion, les conséquences d’un retrait du filtre arrière sur les performances du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED, bien que réelles dans l’absolu, sont peu importantes et difficiles à mettre en évidence en pratique. Retirer ce filtre ne présente cependant aucun intérêt : les réflexions partielles sur le capteur, renvoyées par ce filtre étant divergentes, elles ne sont pas de nature à créer des images fantômes. C’est la raison pour laquelle Nikon préconise de le laisser en place.

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VII  -  Vignettage.

Lorsque les bords d’une photographie apparaissent plus sombres que le centre, on dit généralement qu’il y a du “vignettage”. De nombreux facteurs peuvent être à l’origine de ce phénomène dû à une inégalité d’éclairement entre le centre et la périphérie du capteur de l’appareil photographique : vignettage naturel (loi en cos4), vignettage optique, distorsion de la pupille d’entrée, distorsion de l’image, pare-soleil mal adapté (vignettage mécanique)… Selon les objectifs, certains facteurs peuvent être prépondérants. Dans le cas des téléobjectifs, le vignettage optique est la cause principale de l’assombrissement des bords du champ image. Pourquoi ?
Parce qu’un faisceau incident oblique ne peut traverser un téléobjectif sans qu’une partie de ce faisceau ne soit occultée par les lucarnes d’entrée et de sortie de l’objectif (les sections de passage de la lumière à l’entrée et à la sortie de l’objectif). Or, les faisceaux lumineux éclairant les photo-sites situés à la périphérie du cercle image sont obliques par rapport à l’axe optique. Cette oblicité est au maximum égale au demi angle de champ de l’objectif (Oméga = 4,18° dans le cas présent, en format 24 x 36).

La figure 24 montre qu’un faisceau incident formant un angle Oméga = 4,18° avec l’axe optique est limité dans sa partie basse par la lucarne d’entrée de l’objectif (en A sur la figure), et dans sa partie haute par la lucarne de sortie de l’objectif (en B). Une partie non négligeable du faisceau (rayons bleus) est arrêtée par des éléments de structure interne à l’objectif et ne parvient donc pas à traverser l’objectif. Ainsi, le faisceau oblique (en rouge) éclairant les photo-sites situés dans les angles du capteur ne rempli pas l’espace laissé libre par le diaphragme, alors que le faisceau axial (en jaune) éclairant les photos sites du centre du capteur utilise toute la section de passage du diaphragme : il y a bien inégalité d’éclairement entre le centre et les bords du capteur. Tous les téléobjectifs présentent un vignettage sensiblement identique précisément pour cette raison.

Fig. 24 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED.
Inégalité entre faisceau axial et faisceau oblique à f/2.8 (format 24 x 36 mm).

En examinant la figure 24, on imagine aisément qu’en fermant progressivement l’iris, la section du faisceau axial commence à diminuer bien avant la section du faisceau oblique. Le centre de l’image s’assombrit donc progressivement avant les bords puis, lorsque les sections des deux faisceaux s’égalisent (généralement après avoir fermé le diaphragme de 2 ou 3 crans) le vignettage disparaît. Dans le cas du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED, l’égalité des deux faisceaux est atteinte à f/8 mais, dans la pratique, à f/5.6 la différence n’est déjà plus sensible.

La figure 25, ci après, met en évidence les différences de formes et de tailles de la section du faisceau utile incident axial et oblique à Oméga = 4,18° pour différentes valeurs d’ouverture. La section du faisceau axial est toujours définie par la pupille d’entrée (l’image de la section de passage de l’iris vue à travers les éléments frontaux de l’objectif). La section du faisceau oblique est définie, à pleine ouverture, par la lucarne d’entrée, la pupille d’entrée et l’image de la lucarne de sortie (vue à travers les éléments frontaux de l’objectif) ; à f/4 et f/5.6, par la lucarne d’entrée et la pupille d’entrée ; à partir de f/8, par la pupille d’entrée uniquement. En toute rigueur, même au-delà de f/8, il reste toujours une petite différence entre les deux faisceaux due au fait que l’image de la pupille d’entrée vue par le faisceau axial est circulaire alors qu’elle est ovale pour le faisceau oblique (mais en pratique, sur ce type d’objectif, cette différence est négligeable).

Fig. 25 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED. Forme comparée du faisceaux axial (en jaune)
et oblique à w = 4,18° (en rouge), en format 24 x 36 mm.

La différence importante qui apparaît à pleine ouverture (f/2.8) entre la section du faisceau axial et celle du faisceau oblique n’a rien d’exceptionnel. Gardons simplement à l’esprit que cette différence, à 4,18° d’oblicité, ne concerne que les bords extrêmes du cercle image (le tout dernier photo-site situé à chaque extrémité des angles du capteur) et s’amenuise assez rapidement en s’approchant du centre.

En format 15,8 x 23,6 (APS-C, Nikon D300), le demi angle de champ étant réduit, Oméga = 2,76°, on constate que la différence de section entre le faisceau axial et le faisceau oblique est bien moindre qu’en format 24 x 36 (figure 26). La taille du capteur APS-C est telle que le faisceau oblique n’est d’ailleurs plus limité à pleine ouverture par la lucarne de sortie mais, en amont, par l’iris lui-même (en C) puis par le diamètre des éléments du groupe 3.

Fig. 26 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED.
Inégalité entre faisceau axial et faisceau oblique à f/2.8 (format 15,8 x 23,6 mm).

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VIII  -  Bagues allonges.

La documentation Nikon n’est pas très loquace lorsqu’il est question de l’usage des bagues allonges sur ses téléobjectifs. Le tableau ci-dessous indique les plages de distances de mise au point couvertes par le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED utilisé avec une ou plusieurs bagues allonges Nikon, et les valeurs de grandissement correspondantes.



Fig. 27 : Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED.
Grandissement et champ embrassé avec bagues allonges.

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IX  -  En guise de conclusion.

Je suis de ceux qui, comme Chenz en son temps, pensent “qu’il n’y a que deux catégories d’objectifs : les bons, et les autres”. De nombreux rapports d’utilisateurs compétents montrent que les performances optiques, mécaniques et opérationnelles du Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED le placent incontestablement parmi “les bons”.
Relativement simple, le système optique du “300 VR” (qui date de 1996) a fait ses preuves et ne pêche en définitive que par son manque relatif de compacité (rapport téléobjectif légèrement supérieur à 1). A l’heure du choix, la question porte donc moins sur la qualité de l’objectif que sur l’estimation précise de ses propres besoins en terme de longueur focale et sur la nécessité réelle de pouvoir disposer d’une ouverture aussi importante, avec tout ce que cela implique…
Au sein de la gamme des longues focales fixes stabilisées, le “300 VR” s’insère actuellement entre le 200 mm f/2 et le 400 mm f/2.8 auxquels on le compare fréquemment (à tort, car leurs caractéristiques respectives en font des objectifs très différents en pratique). De toute évidence, le “300 VR” est celui dont le caractère est le moins “marqué” des trois. Cependant, son utilisation ne va pas sans contraintes, et seuls les photographes utilisant régulièrement tout son potentiel y trouvent leur compte. Les autres, une fois passée la période d’enchantement que suscite immanquablement ce type de téléobjectif, seront rapidement tentés de relativiser la réalité de ses performances face à la masse, au volume et au prix qu’elles induisent…



Fig. 28 : Combat de tétras lyres mâles à l’aube
(Nikon D200 - Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8G IF-ED - 400 ISO - 1/320 s - f/2.8).

Nota :

Dans cet article, les données numériques marquées d'un astérisque sont tirées des documents cités en référence.

PT, le 4 septembre 2009.
Page révisée le 20 mai 2010.

Références :

“Optical system capable of correcting image position” (1997) – Sato (Nikon Corp.)
“Internal focusing telephoto lens” (1998) – Sato (Nikon Corp.)
“Piezoelectric vibration angular velocity meter and camera using the same” (1998) – Watanabe (Nikon Corp.)
“Blur correction apparatus” (2002) – Usui (Nikon Corp.)
“Optical system with anti-reflection coating” (2008) – Tanaka (Nikon Corp.)
“Lens design fundamentals” (1978) – Rudolf Kingslake
“Optique géométrique” (2007) – Bernard Balland

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