Cristal de fluorine et verre ED

 



Fluorine naturelle d’Auvergne (gisement découvert en 1529) sur lentille de verre optique.

Tous les possesseurs de téléobjectif ont déjà entendu parler de ces “verres” aux propriétés aussi mystérieuses qu’extraordinaires…
C’est d’ailleurs probablement ce côté mystérieux qui suscite tant de fantasmes sur les qualités, vraies ou supposées, des lentilles taillées dans ces matériaux :
- …la transparence exceptionnelle de la fluorite garantit une pureté des couleurs impossible à obtenir autrement…
- …le traitement ED des lentilles permet d’obtenir des photos extraordinairement piquées…
- …seule la fluorine élimine totalement le spectre secondaire… etc.

Je me propose de faire un point précis sur ces joyaux, en allant bien au-delà de ce que l’on peut lire ou entendre habituellement, tout en essayant de rester simple et compréhensible. Vous ne trouverez donc pas de formules mathématiques dans cet exposé, mais quelques brefs rappels de notions connues de la plupart d’entre vous, quelques graphiques ou dessins car ils valent mieux qu’un long discours, et surtout quelques chiffres qui pourront parfois vous surprendre. Les noms de Canon et Nikon seront souvent cités, non pas pour dénigrer l’un par rapport à l’autre, mais parce que depuis plusieurs décennies, ces deux industriels sont les principaux moteurs de la formidable avancée technologique dont ont bénéficié les téléobjectifs.

Préambule.

L’immense majorité des fabricants d’appareils optiques (lunettes d’observation terrestre ou astronomique, objectifs photographiques, microscopes, etc) ne produisent pas le verre qu’ils utilisent ; ils l’achètent chez de gros producteurs spécialisés. Ces fabricants d’appareils d’observation utilisent souvent, dans leurs fiches techniques, les sigles ED, UD, LD ou encore super ED, super UD pour désigner certains verres optiques à “faible dispersion” (ED = Extra low Dispersion, par exemple). Ces sigles qui ne correspondent en rien aux désignations d’origine du verre ne permettent pas de savoir réellement de quel verre il s’agit, et par conséquent de savoir exactement quelles sont ses caractéristiques. Ainsi, les appellations UD et LD (par exemple) peuvent parfaitement désigner un seul et même verre provenant du même producteur. Dans cet article, pour désigner ces verres particuliers, nous ne parlerons donc que de “verres à faible dispersion” (nous verrons plus loin ce à quoi cela correspond précisément).

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Sommaire :

I  -  Le matériau : fluorine et verre à faible dispersion, de quoi s’agit-il ?

  1-1) La fluorine.
  1-2) Les verres à faible dispersion.

II  - Les propriétés de la fluorine et des verres à faible dispersion.
  2-1) L’indice de réfraction.
  2-2) La constringence.
  2-3) La dispersion partielle relative et les verres à dispersion anormale.
  2-4) La transparence.
  2-5) Le poids.
  2-6) La dilatation thermique.
  2-7) La sensibilité à l’eau.
  2-8) La dureté.
  2-9) Le prix.

III  -  Les verres à faible dispersion sont-ils indispensables ?

IV  - La fluorine est-elle indispensable ?

V  - En guise de conclusion.

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I  -  Le matériau : fluorine et verre à faible dispersion, de quoi s’agit-il ?

1-1) La fluorine.

La fluorine est un cristal de fluorure de calcium (symbole CaF2). On trouve ce minéral à l’état naturel (c’est la principale source de fluor dans l’industrie) mais seule la fluorine synthétique est utilisée pour la fabrication de certaines lentilles de nos chers téléobjectifs. En anglais, on l’appelle fluorite (dans cette langue, fluorine signifie fluor, le corps simple de symbole F). C’est parce que les industriels adorent utiliser le vocabulaire anglais dans la désignation de leurs produits que le mot fluorite s’est peu à peu généralisé dans les fiches techniques françaises puis dans le langage courant. Au début des années 1990, le Larousse ne connaissait encore que fluorine.

La fluorine n'est pas un verre. C'est un cristal, un vrai, au sens physico-chimique du terme : les cristaux sont constitués d'atomes ou de molécules ordonnés de manière géométrique. Les procédés de fabrication de la fluorine synthétique permettant la réalisation de lentilles de grande taille sont assez particuliers et varient peu d’un producteur à l’autre. Ils sont toujours très coûteux en énergie car la cristallisation est un processus très lent. À titre d’exemple, le procédé Corning : fusion à 1500 °C des matériaux d’apport durant 40 heures, sous vide poussé, en présence d’une “graine” (fragment de fluorine sur lequel la cristallisation de tout le mélange vient s’initier), puis cristallisation au cours d’un lent refroidissement contrôlé pendant 18 jours environ, selon six gradients de température différents et précisément établis.

1-2) Les verres à faible dispersion.

Les verres à faible dispersion sont des verres optiques. Le verre optique, tout comme le “verre à vitre” ou le “verre à vaisselle” n'est pas un cristal, pas plus que le célèbre Cristal d’Arques (appellation commerciale) qui n’est qu’un verre contenant une forte proportion de plomb. Le verre est un matériau amorphe : ses atomes ne respectent aucun ordre. Les verres sont obtenus par fusion d’un mélange de divers matériaux dont le principal est souvent la silice (SiO2). Au fil du temps, verriers et opticiens ont créé un nombre incalculable de verres différents. Ce qui différencie le verre optique du “verre à vitre”, hormis la nature de ses constituants, c’est surtout :
• la précision avec laquelle sont dosés ses constituants,
• le niveau d’exigence dans la pureté de ses constituants,
• la rigueur du processus de fabrication.

Ceci confère au verre optique une pureté, une homogénéité, et des caractéristiques parfaitement reproductibles dans des tolérances définies et très serrées. Selon la qualité réelle finale du produit, un même verre optique peut être classé en catégories de prix différents.

Parmi les verres optiques, les verres à faible dispersion doivent leurs caractéristiques particulières, non pas à un traitement, mais à leur composition (souvent plus d’une douzaine de constituants). Contrairement à la plupart des verres “normaux”, ils ne contiennent pas de silice. Leurs procédés de fabrication sont cependant moins coûteux que ceux de la fluorine : les matériaux d’apport sont fondus à une température comprise entre 1100 et 1400 °C, malaxés selon un processus précis durant quelques heures afin d’assurer une bonne homogénéité et l’élimination des bulles d’air, puis le mélange est refroidi à environ 500 °C avant d’être coulé dans des moules.

On lit parfois que les verres à faible dispersion contiennent de la fluorine. Ce n’est pas tout à fait comme cela qu’il faudrait le formuler. Ces verres contiennent souvent de nombreux fluorures (MgF2, SrF2, BaF2, CaF2, ZnF2, etc). Parmi ceux-ci, le fluorure de calcium (CaF2), comme les autres constituants, entre dans la composition du matériau amorphe final mais il n'est plus question ici de cristal.

Pour information, voici cinq industriels parmi d’autres (Hoya Corp., Corning Inc., ...), producteurs de verre optique et/ou de fluorine.

Schott Glas (Allemagne) fut créé en 1884 à Jena par Otto Schott, Ernst Abbe et les frères Carl et Roderich Zeiss. Aujourd’hui c’est un des plus importants producteurs de verre optique au monde (plus de 17000 personnes en 2005). Ce groupe dont le siège social est basé à Mayence depuis 1952 est présent dans tous les secteurs de pointe de l’optique. Les verres à faible dispersion produits par Schott sont le FK51A et le PK52A que l’on trouve dans certains objectifs ou jumelles ou longues-vues Zeiss, Leica et Swarovski (entre autres). L’objectif Nikkor-H 300 mm f/2.8, sorti en janvier 1972 à l’occasion des jeux Olympiques d’hiver de Sapporo comportait deux lentilles de verre à faible dispersion Schott. Cet industriel produit également de la fluorine utilisée aussi bien dans la technologie des lasers émettant dans l’ultraviolet (chirurgie des yeux, élaboration des semi-conducteurs…) que dans la fabrication de zooms spéciaux pour caméras de télévision.

Ohara Inc. (Japon) est un important producteur de verre optique fondé en 1935. Environ 120 types de verres optiques différents figurent à son catalogue, dont deux verres à faible dispersion : le FPL51 (le verre UD utilisé par Canon) et le FPL53 de caractéristiques optiques très proches de celles de la fluorine. Les données apparaissant dans les brevets des systèmes optiques des gros téléobjectifs Canon correspondent toutes à des verres optiques figurant au catalogue Ohara. Les possesseurs de téléobjectifs Canon sont donc tous clients indirects de cette société.

Hikari Glass Co. (Japon). Il s’agit de la Division verre de Nikon Corporation. Plus d’une centaine de verres optiques différents figurent à son catalogue. Nikon a débuté ses recherches sur le verre à faible dispersion en 1971. Les premiers objectifs Nikon comportant des lentilles taillées dans son propre verre à faible dispersion sont sortis en 1975 (300 mm f/2.8 – 400 et 600 mm f/5.6 – 800 mm f/8 et 1200 mm f/11). Depuis 2001, Nikon produit aussi de la fluorine dont il réserve l’usage aux appareils de très haute technologie. Exemple : la fabrication de lentilles de diamètre compris entre 120 et 250 mm destinées aux objectifs de steppers (photolithographie des semi-conducteurs).

Sumita Optical Glass (Japon) produit du verre optique depuis 1953. Propose plus de 110 verres optiques différents dont deux verres à faible dispersion : le Photaron, mis au point en 1986, dont les caractéristiques optiques sont quasiment identiques à celles de la fluorine, et le PFK85.

Enfin, un mot sur Canon qui a commencé le développement des techniques de production de la fluorine de synthèse dès 1966. Aujourd'hui, l'entreprise Canon Optron Inc., spécialisée dans la production de cristaux optiques et de matériaux destinés à l’évaporation sous vide (traitement des lentilles, entre autres) emploie 250 personnes. Canon ne produit pas de verre optique, ce qui prouve si besoin était que l’on peut fabriquer d’excellents objectifs sans couler son propre verre. Le premier objectif Canon utilisant un élément en fluorine, date de 1969 : le Canon FL-F 300 mm f/5.6.

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II  -  Les propriétés de la fluorine et des verres à faible dispersion.

Concevoir le système optique d’un objectif, c’est déterminer le nombre de lentilles, leur forme, leur position relative et éventuellement leurs mouvements relatifs qui permettront à l’ensemble de remplir sa fonction : créer la meilleure image possible en respectant une fourchette de prix de revient préalablement fixée. Pour ce faire, les opticiens disposent aujourd’hui d’un nombre très important de verres optiques de caractéristiques différentes. Trois de ces caractéristiques leur sont essentielles :
• l’indice de réfraction pour une couleur très précise ; souvent le jaune de longueur d’onde 587,5 nm (nm pour nanomètre),
• la constringence,
• la dispersion relative partielle.

Ces trois caractéristiques (en fait, trois nombres), permettent aux spécialistes, non seulement de concevoir très précisément le système optique d’un objectif en choisissant le verre le plus adapté à chacune des lentilles, mais également de déterminer l’essentiel de ses qualités et défauts, par le calcul, avant même la sortie du premier prototype.

2-1) L’indice de réfraction.

Petit rappel afin de se remémorer quelques chiffres : on appelle lumière, les ondes électromagnétiques auxquelles l’œil humain est sensible. La longueur d’onde de ces radiations est comprise grosso modo entre 0,4 µm (violet) et 0,7 µm (rouge), ou encore 400 nm et 700 nm. L’usage relie généralement la notion de couleur à la longueur d’onde. En toute rigueur, la couleur est liée à la fréquence. Lorsque la lumière traverse un corps transparent, sa célérité décroît et sa longueur d’onde augmente, seule sa fréquence (sa couleur) ne change pas.

Fig. 1 – Le spectre visible.

Schématiquement, on peut dire que l’indice de réfraction d’un corps transparent caractérise sa capacité à dévier la lumière. Plus l’indice de réfraction d’un corps transparent est élevé, plus il dévie la lumière qui le traverse. Ainsi, deux lentilles de forme strictement identiques, ont des distances focales différentes si les verres dont elles sont constituées ont un indice de réfraction différent. La lentille taillée dans le verre de plus fort indice aura la distance focale la plus courte. La connaissance de cette seule caractéristique pourrait suffire à concevoir un objectif si cette déviation était la même quelle que soit la couleur de la lumière. Hélas, la déviation dépend de la couleur de la lumière, le bleu étant plus dévié que le vert qui est lui-même plus dévié que le rouge : on dit qu’il y a dispersion chromatique (tout le monde a déjà vu le fameux prisme décomposant la lumière blanche en un spectre multicolore). Un indice de réfraction doit donc toujours être accompagné de la longueur d’onde pour laquelle il a été déterminé.

Le graphe ci-après illustre la variation de l’indice de réfraction de six verres optiques Ohara utilisés dans le téléobjectif Canon EF 300 mm f/2.8L IS et de la fluorine (CaF2) en fonction de la longueur d’onde de la lumière.

Fig. 2 – Évolution des indices de réfraction de quelques verres Ohara et de la fluorine (CaF2).

2-2) La constringence.

Les corps transparents ayant autant d’indices de réfraction qu’il y a de couleurs (dans une certaine mesure), on définit leur capacité à disperser les couleurs par un autre indice : le pouvoir dispersif. Le pouvoir dispersif des verres optiques varie entre 0,01 et 0,05 environ —ce qui n’est pas très parlant. En fait, les opticiens préfèrent utiliser l’inverse du pouvoir dispersif : la constringence. Celle-ci varie donc entre 20 et 100 environ. La constringence est d’autant plus forte que le verre est peu dispersif.

Fig. 3 - Diagramme nd-Vd des verres optiques Schott.

Le diagramme ci-dessus présente une centaine de verres optiques produits par la société Schott. Chacun des points représente un verre optique différent ; il est placé à l’intersection de son indice de réfraction (établi pour la couleur jaune à 587,56 nm) et de sa constringence. On appelle “flint” le verre de faible constringence (fortement dispersif). Le verre “crown” est de forte constringence (peu dispersif). En moyenne, l’indice de réfraction est plus faible pour le flint que pour le crown. Un verre est considéré comme faiblement dispersif lorsque sa constringence est supérieure à 80 (certains crowns atteignent 97). La constringence de la fluorine vaut 95,2 (point vert).

Fig. 4 - Indice de réfraction (à 587,56 nm) et constringence des principaux verres à faible dispersion, comparés à la fluorine.

Le phénomène de dispersion chromatique étant un problème majeur dans la réalisation des téléobjectifs, il semblerait logique que seul le verre à faible dispersion ou la fluorine soit utilisé pour la fabrication de leurs lentilles. Hélas, nous verrons plus loin que les verres à faible dispersion, tout comme la fluorine, doivent aussi être corrigés de l’aberration chromatique pour donner de bonnes images (même si cette correction est plus facile à réaliser qu’avec des verres conventionnels).

D’autre part, l’utilisation de ces verres ne résout en aucune manière le problème des aberrations géométriques, bien au contraire. En effet, ces aberrations sont d’autant plus faibles que les rayons de courbure des dioptres sont grands. Or, les grands rayons de courbure nécessitent de forts écarts d’indice de réfraction que malheureusement les verres à faible dispersion ne peuvent offrir. Ces verres sont donc par nature plus enclins que les autres verres à générer de fortes aberrations géométriques.

Il n’y a donc pas de verre parfait ou idéal (surtout si l’on tient compte de leur coût) : tous ont leur utilité. Ainsi, pas moins de 8 verres optiques différents sont utilisés pour la fabrication des onze éléments du Nikon AF-S 300 mm f/2.8G VR.

Fig. 5 - Nikon AF-S 300 mm f/2.8G VR. Désignation des 8 types de verre utilisés
et leur position dans le diagramme Hikari (en rouge).

Le système optique du Canon EF 300 mm f/2.8L IS, plus “sophistiqué” (15 éléments) et plus compact, nécessite onze verres optiques différents, plus la fluorine. Les filtres avant et arrière sont fabriqués à l’aide d’un douzième type de verre.

Fig. 6 - Canon EF 300 mm f/2.8L IS. Désignation des 12 types de verre utilisés + la fluorine
et leur position dans le diagramme Ohara (en rouge).

Rappel sur deux types d’aberrations particulièrement importantes (Figure 7) : les aberrations chromatiques et les aberrations de sphéricité (appelées parfois aberrations sphériques).

Nous savons que l’aberration chromatique longitudinale est directement proportionnelle à la longueur focale : lorsque la longueur focale est doublée, l’aberration chromatique longitudinale est également doublée.

L’aberration chromatique transversale d’une lentille est directement proportionnelle à son diamètre : lorsque le diamètre de la lentille est doublé, le diamètre du cercle de moindre diffusion est également doublé.

Nota : Le diamètre du cercle de moindre diffusion est indépendant de la distance focale. Deux lentilles de diamètres identiques, taillées dans un même verre, mais de distances focales différentes présentent le même diamètre de cercle de moindre diffusion.

Fig. 7 - Aberrations chromatiques et aberrations de sphéricité (schémas).

Les aberrations de sphéricité, comme leur nom l’indique, sont dues au fait que les surfaces réfractives des lentilles sont presque toujours sphériques —car c’est une forme compatible avec une production à grande échelle, donc bon marché. Or, de telles surfaces ne permettent pas de faire converger en un même point les rayons incidents marginaux et les rayons incidents paraxiaux (proches de l’axe de symétrie). Pour les téléobjectifs lumineux ceci constitue un problème très important car l’aberration longitudinale de sphéricité augmente très vite avec le diamètre des lentilles. Une bonne gestion de cette aberration est responsable de la qualité des flous des téléobjectifs lumineux.

Attardons-nous un instant sur ces aberrations. Au-delà des généralités, il est intéressant de les quantifier. Prenons, par exemple, la lentille frontale du Canon EF 300 mm f/2.8L IS. Elle est constituée de verre Ohara S-FPL51 (Canon UD), et sa distance focale en lumière jaune est de 193,5 mm pour un diamètre de 103 mm. Nous pouvons calculer ses aberrations chromatiques longitudinale et transversale sur l’axe de symétrie, ainsi que ses aberrations longitudinale et transversale de sphéricité. Nous pouvons également voir ce que deviendraient les valeurs de ces aberrations si cette lentille avait été en fluorine, puis si elle avait été façonnée dans le verre habituellement utilisé pour fabriquer les filtres neutres (le S-BSL7, un excellent crown standard) et enfin, juste par curiosité, en verre S-NPH53, le verre le plus dispersif utilisé dans ce téléobjectif (pour la fabrication des éléments 8 et 10). Ces valeurs sont rassemblées dans le tableau suivant (les rayons de courbure des deux faces de la lentille ont été adaptés à l’indice de réfraction de chaque type de verre afin de maintenir la longueur focale constante, sans quoi aucune comparaison n’aurait été possible).

Fig. 8 - Aberrations chromatiques et aberrations de sphéricité (exemple de valeurs numériques).

Que constate-t-on ?

A la vue de ces chiffres, les avantages offerts par le verre à faible dispersion et la fluorine sur le verre optique “conventionnel”, bien que réels, n’apparaissent pas décisifs. En tout cas, l’importance des diamètres des cercles de moindre diffusion obtenus montrent que, dans tous les cas, une correction est indispensable. Nous allons voir que c’est précisément là que réside la supériorité des verres à faible dispersion et, plus encore, celle de la fluorine. En effet, le réel avantage de ces matériaux (en matière de correction des aberrations chromatiques), au-delà du fait qu’ils sont moins dispersifs que les autres, provient surtout du fait qu’ils permettent une correction bien plus efficace que les verres optiques conventionnels. Pourquoi ? Parce que contrairement aux verres optiques conventionnels, les verres à faible dispersion et la fluorine sont des corps transparents à “dispersion anormale”.

Ce qui nous conduit à la troisième caractéristique importante du verre optique, après l’indice de réfraction et la constringence : la “dispersion partielle relative”.

2-3) La dispersion partielle relative et les verres à dispersion anormale.

Tous les verres ont tendance à disperser certaines radiations plus fortement que d’autres, et cette différence de dispersion selon à la couleur varie d’un verre à l’autre. La dispersion partielle relative permet d’avoir instantanément une idée précise de la manière dont un verre disperse certaines radiations par rapport à d’autres. Elle caractérise la non linéarité de l’indice de réfraction.

Comment la calcule-t-on ?

Fig. 9 – Dispersion partielle relative Pg,F du verre Ohara S-NPH53.

Considérons, par exemple, l’évolution de l’indice de réfraction du verre Ohara S-NPH53 (figure 9). Choisissons comme plage de référence les radiations comprises entre 486 et 656 nm (cette plage de référence est couramment utilisée par les opticiens). Dans cette plage de référence, l’indice de réfraction du verre varie d’une certaine quantité : c’est sa dispersion partielle dans la plage de référence (également appelée “dispersion principale”). Considérons maintenant une autre plage de radiations, plus réduite : celles des radiations bleues, entre 436 et 486 nm. Dans cette petite plage de radiations bleues, l’indice de réfraction du verre varie d’une quantité inférieure à la première : c’est la dispersion partielle dans le bleu du verre considéré. En faisant le rapport des deux dispersions partielles, on obtient un nombre qui exprime la proportion de la dispersion des radiations bleues par rapport à la dispersion dans la plage de référence : c’est ce que l’on appelle une dispersion partielle relative. Pour le verre Ohara S-NPH53, cette dispersion partielle relative vaut 0,62 ; cela signifie que la dispersion des radiations bleues est égale à 62 % de la dispersion des radiations de référence. En résumé : plus la courbe d’indice de réfraction d’un verre est incurvée, plus sa dispersion partielle relative est élevée.

À quoi cela sert-il ?

Petit rappel sur la correction de l’aberration chromatique d’un système optique convergent (un objectif photographique)…

Comme tous les verres dispersent la lumière (plus ou moins), on corrige l’aberration chromatique d’un système optique en associant au moins deux lentilles : l’une convergente, l’autre divergente (la lentille convergente fait converger le bleu plus fortement que le rouge, et la lentille divergente fait diverger le bleu plus fortement que le rouge). Pour que le système reste convergent, la lentille convergente doit être plus puissante que la lentille divergente (en valeur absolue). Cette dernière doit donc être constituée de verre plus dispersif que la lentille convergente pour que leurs aberrations chromatiques se compensent malgré leur différence de puissance.

En procédant de cette manière on parvient à faire coïncider les foyers du système pour deux longueurs d’onde (ou trois, en associant trois lentilles). Mais pour les autres longueurs d’onde, l’aberration persiste. Pour réduire cette aberration résiduelle (appelée spectre secondaire) l’association d’une lentille convergente peu dispersive et d’une lentille divergente plus dispersive ne suffit pas ; il faut aussi que les dispersions partielles relatives des deux verres ne soient pas trop différentes. En d’autres termes, pour réduire efficacement le spectre secondaire d’un système les courbes d’indice des verres doivent présenter à peu près la même courbure. Or les verres dispersifs présentent une courbe plus incurvée que les verres peu dispersifs conventionnels. Il y a là un antagonisme sur lequel les opticiens sont longtemps restés bloqués.

C’est ici que les verres de forte constringence à dispersion anormale entrent en scène…

Considérons toujours les mêmes plages de longueurs d’onde, et calculons la dispersion partielle relative des verres optiques figurant au catalogue Hikari actuel : nous obtenons le diagramme de la figure 10.

Fig. 10 - Dispersion partielle relative de plus de 110 verres Hikari et de la fluorine (CaF2).
Longueurs d’onde de référence : 486 et 656 nm.

Sur ce diagramme, il apparaît clairement que la dispersion partielle relative de tous les verres varie presque linéairement avec leur constringence. Dans le nuage de points obtenu, deux verres "typiquement normaux", mais de constringences très différentes (le E-BK7 et le E-F2), définissent une droite caractéristique autour de laquelle la plupart des verres optiques sont alignés : la “droite d’Abbe” (le monsieur qui a participé à la création de la société Schott). Dès lors, les verres optiques proches de cette droite sont dits à "dispersion normale" ; ceux qui s’en écartent sont les verres à "dispersion anormale".

Cette répartition caractéristique illustre ce qui a été dit plus haut : la réalisation d’objectifs bien corrigés de l’aberration chromatique est longtemps restée impossible car deux verres de constringences très différentes présentaient obligatoirement un écart de dispersions partielles relatives important (avant le début des années 1970, les verres de constringence supérieure à 80 n’existaient pas). La découverte de verres à faible dispersion (constringence supérieure à 80) et forte dispersion partielle relative (dispersion anormale) a donc constitué une avancée majeure permettant enfin une réduction décisive du spectre secondaire.

Prenons pour exemple le Nikkor AF-S VR 300 mm f/2.8 IF-ED. Le groupe convergent frontal de ce téléobjectif est le plus critique sur le plan de l’aberration chromatique. Il est constitué de deux lentilles convergentes en verre E-FKH1 (verre ED) et une lentille divergente en verre E-LASF015. Sur le diagramme de la figure 11, les points représentant ces deux verres parlent d’eux-mêmes : différence de constringence importante (82,5 – 46,6 = 38,1) et faible écart de dispersion partielle relative (0,557 – 0,539 = 0,018). Si ces deux verres avaient été sur la droite d’Abbe, l’écart de dispersion partielle relative aurait été multiplié par 2,3. La valeur résultante n’aurait pas permis d’assurer une bonne correction du spectre secondaire.

Fig. 11 - Dispersion partielle relative des verres E-FKH1 et E-LASF015.
Longueurs d’onde de référence : 486 et 656 nm.

L’examen attentif du diagramme montre que, depuis de nombreuses années, les verriers s’efforcent de mettre au point, d’une part des verres de forte constringence et forte dispersion partielle relative, et d’autre part des verres de constringence moyenne et faible dispersion partielle relative afin d’offrir aux opticiens un large éventail de possibilités dans la conception de systèmes corrigés de l’aberration chromatique.

Pour expliquer ce qu’est un verre à dispersion anormale, certains auteurs prennent un raccourci en affirmant que ces verres “dévient proportionnellement plus le bleu que les autres couleurs”. Cette explication n’est pas satisfaisante car tous les verres optiques présentent une dispersion partielle relative dans le bleu supérieure à 0,29 (valeur de linéarité), et donc tous les verres optiques, que leur dispersion soit normale ou pas, dévient proportionnellement plus le bleu que les autres couleurs.

Le caractère anormal de la dispersion d’un verre est intimement liée à sa constringence : un verre est dit à dispersion anormale lorsque, compte tenu de sa constringence, sa dispersion dans les bleus s’écarte de la normale.

La mesure de l’écart entre la dispersion partielle relative d’un verre et la droite d’Abbe (dans le sens vertical sur le diagramme) permet de quantifier l’anormalité de la dispersion de ce verre. C’est parce que cet écart est deux fois plus important pour la fluorine (CaF2) que pour le verre Ohara S-FPL51 (verre UD de Canon) que l’on peut lire dans certaines documentations : “deux éléments de lentille UD équivalent à un élément en fluorine”. C’est un peu “tiré par les cheveux”, mais c’est une formule qui impressionne (…et qui oublie les aberrations de sphéricité).

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Après avoir vu les trois caractéristiques essentielles du verre optique, pour le concepteur d’objectifs, peut-être serait-il intéressant de parler d’autres caractéristiques à propos desquelles la plupart des auteurs restent généralement assez vagues, se contentant de formules allant dans le sens du message qu’ils cherchent à faire passer.

2-4) La transparence.

Les opticiens préfèrent parler de transmittance interne : propriété à laisser passer la lumière sans l’absorber. Cette propriété est souvent mise en avant lorsqu’il est question de la fluorine. En effet, la transmittance de la fluorine est beaucoup plus étendue que celle du verre optique puisqu’elle garde une valeur élevée pour les radiations allant de l’ultraviolet à l’infrarouge. C’est d’ailleurs cette haute transmittance dans l’ultraviolet qui en fait un matériau incontournable dans les secteurs de pointe (laser UV, photolithographie, etc). Pour ce qui nous concerne, la photographie en lumière visible (entre 400 nm et 700 nm), la transmittance de la fluorine est tout à fait comparable à celle des verres à faible dispersion utilisés dans nos téléobjectifs, à savoir, supérieure à 99 % (Figure 12).

Fig. 12 - Transmittance interne de 6 verres à faible dispersion et de la fluorine (CaF2).

Si on compare sur un même graphe, les courbes de transmittance des onze types de verre optique utilisés dans la construction du téléobjectif Canon EF 300mm f/2.8L IS (Figure 13), on constate que certains d’entre eux limitent très légèrement la transmittance dans le bleu. Or, en la matière, le maillon le plus faible est celui qui détermine les performances maximales du système. Affirmer que “la transparence de la fluorine est responsable de la brillance des couleurs obtenues avec un tel objectif” n’a donc aucun sens, puisqu’elle est utilisée en association avec des verres de transmittance moins étendue.

Fig. 13 - Transmittance interne des 11 verres utilisés dans le Canon EF-300 mm f/2.8 IS et de la fluorine (CaF2).

Pourquoi les opticiens utilisent-ils des verres de transmittance limitée dans le bleu ?
Parce qu’ils n’ont pas le choix ! La correction des aberrations (chromatiques et géométriques) impose l’utilisation de verres d’indices de réfraction différents, et certains verres de fort indice sont souvent indispensables. Or, indice de réfraction, constringence et transmittance sont des caractéristiques largement interdépendantes ; la physique est ainsi faite. En effet, pour élever l’indice de réfraction d’un verre, on utilise des matériaux d’apport lourds (plomb, barium, nobium, titane, lanthane). Malheureusement, ces matériaux augmentent aussi la dispersion du verre et limitent sa transmittance pour les courtes longueurs d’onde (les UV et parfois le bleu). Les photographies prisent avec de vieux objectifs de transmittance trop limitée dans le bleu présentent une dominante jaune.

2-5) Le poids.

En physique, on parle plutôt de masse. Presque 1100 grammes : c’est la masse de verre nécessaire à la fabrication des lentilles du Canon EF 300mm f/2.8L IS (à laquelle il faut ajouter 125 grammes de verre pour les filtres avant et arrière). La densité des différents verres optiques utilisés pour la fabrication des lentilles de cet objectif varie de 2,46 à 4,73 (la densité du “verre à vitre” est de 2,5).

La plupart des verres optiques sont donc très lourds (la fluorine, avec une densité égale à 3,18 est aussi un matériau assez lourd). La densité importante du verre optique est une des principales raisons expliquant l’évolution des systèmes optiques lorsque la mise au point automatique, puis les dispositifs de stabilisation d’image se sont généralisés. En effet, pour que ces systèmes puissent réagir rapidement, la masse des éléments mobiles doit être la plus faible possible. Ainsi, la masse des trois éléments assurant la stabilisation du Canon EF 300mm f/2.8L IS ne pèsent qu’un peu plus de 40 grammes ; moins de 43 grammes pour le Nikon AF-S 300 mm f/2.8 VR. La masse des éléments assurant la mise au point du Canon n’est que de 70 grammes ; un peu plus de 80 grammes pour le Nikon.

Nota : Le déplacement des éléments de mise au point, entre l’infini et la distance minimum est de 14,75 mm pour le Canon (à 2,5 m) et de 12,6 mm pour le Nikon (à 2,2 m). Pour mesurer l’ampleur des progrès accomplis, souvenez-vous que la mise au point des anciens 300 mm à rampe hélicoïdale nécessitait le déplacement de la totalité des lentilles sur plus de 50 mm (pour une mise au point à 2,5 m) !

À titre d’information également, les cinq premières lentilles du Canon EF 300mm f/2.8L IS pèsent à elles seules, près de 850 grammes (1050 grammes pour le Nikon). Les cinq premières lentilles du Canon EF 400mm f/2.8L IS pèsent, à elles seules, un peu plus de 2100 grammes !

2-6) La dilatation thermique.

Sous l’effet de la température, les verres à faible dispersion se dilatent, grosso modo deux fois plus que les verres “normaux”. La fluorine, trois fois plus. Cette différence pourrait paraître anodine mais, compte tenu de la structure cristalline de la fluorine, c’est un facteur de fragilité aggravant car, comme bon nombre de cristaux, la fluorine est sujette au clivage (rupture selon les plans de clivage, c'est-à-dire dans le sens des liaisons les plus faibles entre chaque unité de la structure cristalline). Néanmoins, dans le cas qui nous intéresse ici, la probabilité de voir un jour une lentille, bien protégée au cœur d’un téléobjectif, se rompre sous l’effet d’une variation brutale de température est quasiment nulle.

2-7) La sensibilité à l’eau.

On lit parfois que la fluorine est très sensible à l’humidité. Il est vrai que la surface polie d’un échantillon de fluorine s’altère plus et plus vite, qu’une même surface de verre optique. Même les verres à faible dispersion, plus fragiles que les autres, résistent mieux que la fluorine. Pour tester cette résistance à l’eau (en fait, à la vapeur d’eau), les fabricants utilisent différentes méthodes (par conséquent, il est difficile d’effectuer des comparaisons). Quoi qu’il en soit, il convient de relativiser les choses : quand on sait comment sont réalisés certains tests de résistance à l’eau (succession de condensations et de séchages à des températures comprises entre 40 et 50 °C pendant une trentaine d’heures), il est clair que les possesseurs de téléobjectifs Canon peuvent dormir sur leurs deux oreilles pendant de longues années. D’autant plus que les échantillons sur lesquels sont pratiqués ces tests, contrairement aux lentilles des téléobjectifs, n’ont subi aucun traitement de surface. Or, les traitements de surface (antireflets) constituent une excellente protection contre les agressions chimiques.

2-8) La dureté.

Les verres à faible dispersion sont moins durs que les autres. On mesure la dureté d’un verre à l’aide d’un cône de diamant acéré, de forme normalisée, sur lequel on exerce une force de 1 N environ pendant 20 secondes. Les dimensions de l’empreinte sont introduites dans une petite formule mathématique dont le résultat, compris entre 150 et plus de 800, est représentatif de la dureté du verre : c’est “l’indice de Knoop”. La plupart des verres optiques conventionnels ont une dureté comprise entre 500 et 750 (celle du verre utilisé pour la fabrication des filtres neutres utilisés en photographie est proche de 600). La dureté des verres à faible dispersion est comprise entre 320 et 360. Le verre Hikari E-FKH1 (Nikon ED) est un peu plus dur : 390. La fluorine, avec un indice de 158 est très “tendre”. Cependant, ces chiffres ne sont pas très parlants car l’indice n’est pas directement proportionnel aux dimensions de l’empreinte. Quelques calculs permettent d’être plus concret : si le diamant laisse une empreinte de 0,1 mm de largeur sur de la fluorine, dans les mêmes conditions, l’empreinte aura une largeur de 0,06 mm sur un verre à faible dispersion, et 0,05 mm sur un filtre neutre.

Dans nos téléobjectifs, ces lentilles sont si bien protégées qu’on pourrait penser que tout ceci n’est que pure culture générale… Eh bien non ! Car plus le verre est tendre, plus il est difficile de le polir. Et tout ce qui est difficile à réaliser, nécessite un procédé particulier, un appareillage spécial, du personnel qualifié et donc, finalement, coûte plus cher. En général, c’est là que nous commençons à nous sentir concernés…

2-9) Le prix.

Les fabricants ne communiquent pas beaucoup sur les prix du verre optique. Ils se contentent généralement de publier des coefficients permettant de situer le prix d’un verre par rapport au prix des verres les moins chers. On peut cependant affirmer sans risque de se tromper que le verre à faible dispersion est cher puisqu’il coûte entre 9,5 et 16,2 fois plus cher (le prix augmente avec la constringence) que les verres optiques “de base” comme les BSC7 (Hoya), BSL7 (Ohara) ou BK7 (Schott, Hikari, Sumita).

En 1999, le prix d’un disque de verre brut Ohara de 150 mm de diamètre et 16 mm d’épaisseur, soit 1023 grammes (tout juste de quoi façonner une lentille frontale de 600 mm), s’élevait à 530 $ pour le S-FPL51 et 815 $ pour le S-FPL53. Ce sont là des prix de détail, et il est bien évident que Canon ne paie pas ce montant lorsqu’il passe une commande chez ce fabricant, mais tout de même, pour du verre brut sur lequel il y a encore beaucoup de travail à réaliser avant de l’insérer dans le barillet d’un téléobjectif, ce n’est pas rien !

Je n’ai aucune donnée sur le prix réel de la fluorine. Il est de notoriété publique que c’est un matériau très cher, ce qui semble parfaitement vraisemblable quand on connait le détail du déroulement d’un de ses procédés de sa fabrication. Mais cher jusqu’à quel point ?

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III  -  Les verres à faible dispersion sont-ils indispensables ?

Tous les verres (ou cristaux) utilisés pour la fabrication des téléobjectifs dispersent plus ou moins la lumière. L’aberration chromatique induite par cette dispersion nécessite donc toujours une correction, et ceci est encore plus vrai lorsque l’ouverture géométrique du système optique augmente, car le diamètre de moindre diffusion est proportionnel au diamètre des lentilles (voir plus haut, le rappel sur les aberrations). C’est en grande partie pour contenir l’effet des aberrations chromatiques que l’ouverture géométrique des “longues focales” comme les Leica Telyt-R 400 ou 560 mm qui firent la joie de nombreux chasseurs photographes dans les années 70, était limitée à f/6,8.

Les chercheurs qui ont mis au point les verres à faible dispersion se sont aussi efforcés de faire en sorte que la dispersion partielle relative de ces verres soit la plus élevée possible. Cette seconde caractéristique est au moins aussi importante que la première, car la réduction du spectre secondaire d’un système optique, impose l’utilisation de verres à dispersion anormale. La forte constringence permet de réduire le travail de correction à réaliser ; la dispersion anormale permet de le simplifier.

Sans verre à faible dispersion, les lois de l’optique imposent de se cantonner à l’utilisation de lentilles de faible diamètre, et les gros téléobjectifs actuels n’auraient jamais pu voir le jour : un 400 mm f/2,8 serait resté un fantasme de chasseur photographe un peu déjanté. Aujourd’hui, ces verres permettent, par exemple, à une firme comme Nikon de déposer le brevet d’un système optique de 600 mm f/2,8 (comportant entre 5 et 6 lentilles en verre Hikari E-FKH1 selon les versions étudiées).

IV  -  La fluorine est-elle indispensable ?

Bien que ce cristal ait des propriétés optiques sensiblement supérieures à celles des verres à faible dispersion, nombre de fabricants, et non des moindres, produisent des téléobjectifs aux performances parfaitement comparables à ceux de Canon, sans utiliser de fluorine. Nikon, producteur de fluorine depuis 2001, a manifestement pris le parti de ne pas l’utiliser dans ses téléobjectifs. Les performances d’un système optique doivent être en adéquation avec la résolution du récepteur (film, capteur). De ce fait, actuellement, le seul bénéfice réellement visible pouvant être apporté par la fluorine (par rapport aux verres à faible dispersion) ne réside pas dans la qualité de l’image produite (si c’était le cas, tous les opticiens l’aurait adoptée). Ce bénéfice réside dans la plus grande compacité autorisée par la fluorine dans la conception d’un système convergent-divergent de téléobjectif ; à condition de l’utiliser massivement dans la fabrication des éléments convergents frontaux. Pourquoi ?

Schématiquement, le système optique d’un téléobjectif est constitué de deux groupes d’éléments importants, l’un convergent à l’avant, l’autre divergent à l’arrière. L’encombrement de l’objectif est directement lié à la distance focale de chacun de ces deux groupes : plus ces distances focales sont courtes (en valeur absolue), plus l’objectif est compact (la “faiblesse” du groupe frontal étant alors compensée par la forte divergence du groupe arrière). Il existe cependant une relation très contraignante liant la longueur totale du système, sa longueur focale, son ouverture géométrique, et ses performances. Ainsi, pour une distance focale et une ouverture géométrique données, les aberrations chromatiques sont d’autant plus difficiles à corriger que la longueur totale du système est courte. L’utilisation massive de fluorine dans la fabrication des éléments convergents du groupe frontal d'un téléobjectif, en minimisant au maximum les aberrations chromatiques de ce groupe, permet de diminuer sensiblement sa distance focale et donc l’encombrement du téléobjectif. Sur ce point, le Canon EF 800 mm f/5.6L IS USM est un exemple parfait : la distance focale des trois éléments frontaux de cet objectif de 800 mm de focale est légèrement inférieure à celle des trois éléments frontaux du 400 mm f/2.8 de la même marque.

Les opticiens de Canon sont parfaitement à même de concevoir des téléobjectifs donnant des images de qualité sans avoir recours à la fluorine. On trouve, dans les brevets déposés par cette grande marque, des variantes de systèmes optiques fonctionnant sans lentille de fluorine dont les performances calculées sont comparables aux versions avec lentille de fluorine. Mais comment abandonner un concept qui a fait ses preuves, et sur lequel on a basé une bonne partie de sa publicité pendant de longues années ?

L’industrie du verre optique est polluante et grande consommatrice d’énergie. Depuis un peu plus d’une dizaine d’années, les producteurs cherchent à éliminer les produits les plus nocifs parmi les composants qu’ils utilisent. Le préfixe “E” dans la désignation des verres Hikari, ou “N” chez Schott signifie “sans plomb, ni arsenic”. La fluorine, dont la synthèse nécessite une dépense énergétique considérable, détient la palme des produits “anti écologiques” utilisés dans un téléobjectif ! À ce titre on peut d’ailleurs se demander si ce cristal gardera encore longtemps son prestige. Il semble que dans le milieu de l’astronomie la question commence à faire parler… Les photographes animaliers seraient-ils moins concernés par ces problèmes ?

V  -  En guise de conclusion.

Au cours des dernières décennies, nos téléobjectifs ont énormément gagné en efficacité. Les progrès réalisés en microélectronique et en informatique ont permis d’y intégrer des systèmes incroyablement performants comme la mise au point automatique et la stabilisation d’image. Mais sans les découvertes réalisées dans l’industrie du verre optique au cours des cinquante dernières années (associées à la puissance de calcul des ordinateurs), nos téléobjectifs seraient bien incapables de produire les merveilleuses images que l’on peut voir aujourd’hui…

L’aventure du verre optique n’est cependant pas terminée, et qui peut dire aujourd’hui à quoi ressembleront les téléobjectifs de demain ? Dans le domaine de la correction des aberrations chromatiques, les propriétés des lentilles hybrides verre-résines à particules inorganiques semblent très prometteuses, et le nombre de brevets traitant d’optique diffractive déposés depuis quelques années est impressionnant. En ce sens, le téléobjectif Canon 400 mm f/4 DO, tout comme le FL-F 300 mm f/5,6 en son temps, est peut-être un pionnier ouvrant la voie aux téléobjectifs qui feront rêver les futures générations de chasseurs photographes…

 

PT, le 8 février 2009.
Page révisée le 31 mai 2010.

Références :

• Optical system and optical apparatus having the same (USP 6115188 - Akihiro Nishio, Hideki Ogawa, Makoto Misaka - 2000).
• Internal focusing telephoto lens (USP 5745306 - Susumu Sato - 1998).
• Process for growing optical fluorite single crystals (USP 7001458 B2 - E. Garibin, A. Demidenko, I. Mironov, G. Petrovski, V. Reyterov, A. Sinev - 2006).
• Light-weight optical glass of fluoro-phosphate (USP 5246891 - Hiroshi Nakamura - 1989).
• Optique géométrique – Imagerie et instruments (Bernard Balland, aux Presses Polytechniques et Universitaires Romandes).

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