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 extraordinaires que mystérieuses… C’est probablement ce côté mystérieux qui suscite tant de commérages 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 la suite de cet article, pour désigner ces verres particuliers, nous ne parlerons donc que de "verres à faible dispersion" (nous verrons plus loin à quoi cela correspond précisément).
La matière : fluorine et verre à faible dispersion, de quoi s’agit-il ?
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" (morceau 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 précis.
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 ces constituants,
- le niveau d’exigence dans la pureté de ces 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 finale du produit, un même verre optique peut être classé en catégories de prix différents.
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 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 de nombreux fluorures (MgF2, SrF2, BaF2, CaF2, ZnF2, etc). Parmi ceux-ci, le fluorure de calcium (CaF2), comme les autres composants, entre dans la composition du matériau amorphe final mais il n'est pas cristallisé.
Pour information, voici cinq industriels particulièrement intéressants 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. 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.
(www.schott.com)
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 qui apparaissent dans les brevets des formules optiques des gros téléobjectifs Canon correspondent toutes à des verres optiques figurant au catalogue Ohara. Les possesseurs de téléobjectifs Canon sont tous clients indirects de cette société.
(www.oharacorp.com)
La Division verre de Nikon Corporation : Hikari Glass Co. (Japon). 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 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).
(www.hikariglass.com)
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.
(www.sumita-opt.co.jp)
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.
(www.canon-optron.co.jp/english/index.html)
Les propriétés : fluorine et verre à faible dispersion, pourquoi ?
Concevoir 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 587,56 nanomètres),
- la constringence,
- la dispersion relative partielle.
Ces trois caractéristiques (en fait, trois nombres), permettent aux spécialistes, non seulement de concevoir très précisément un objectif en utilisant 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.
1) L’indice de réfraction.
Petit rappel pour 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 micron (violet) et 0,7 micron (rouge) environ, ou encore 400 nm et 700 nm (nm pour nanomètre). 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.
Très 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, cher à Pink Floyd). Un indice de réfraction doit donc toujours préciser pour quelle longueur d’onde il a été déterminé. Le graphe ci-dessous 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 - Indices de réfraction de quelques verres Ohara et de la fluorine (CaF2).
2) La constringence.
Les corps transparents ayant autant d’indices de réfraction qu’il y a de couleurs, on définit donc un autre indice caractérisant leur capacité à disperser les couleurs : c’est le pouvoir dispersif. Le pouvoir dispersif des verres optiques varie entre O,O1 et O,O5 environ —ce qui n’est pas très parlant. En fait, les opticiens préfèrent utiliser l’inverse du pouvoir dispersif : c’est la constringence. Un corps très dispersif a donc une constringence faible. La constringence des verres optiques varie entre 20 et 100 environ.
Fig. 3 - Diagramme n-V des verres Schott.
Le diagramme ci-dessus présente une centaine de verres optiques produits par Schott. Chaque petit point rouge représente un verre optique différent, et 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 constringence faible (donc à forte dispersion). Le verre "crown" est de forte constringence (il est faiblement 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 (point vert) vaut 95,2.
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 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 qu’avec des verres conventionnels). De plus, l’utilisation de ces verres ne résout en aucune manière le problème des aberrations géométriques (et en particulier l’aberration de sphéricité) qui impose l’association de lentilles de géométrie et d’indice différents. Il n’y a donc pas de verre parfait ou idéal (surtout si l’on tient compte du coût) : tous ont leur utilité. Ainsi, pas moins de huit verres optiques différents sont utilisés pour la fabrication des onze éléments du Nikon AF-S 300 mm f/2.8G VR.
Fig. 5 - Les 11 éléments du téléobjectif Nikon AF-S 300 mm f/2.8G VR et les désignations Hikari des verres utilisés.
En vert : les éléments en verre à faible dispersion.
La formule optique du Canon EF 300 mm f/2.8L IS, plus "sophistiquée" (15 éléments) et plus compacte, 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 - Les 15 éléments du téléobjectif Canon EF 300 mm f/2.8L IS et les désignations Ohara des verres utilisés.
En jaune : l’élément en fluorine. En vert : les éléments en verre à faible dispersion.
Rappel sur deux aberrations particulièrement importantes dans les téléobjectifs (Fig. 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.
NB : Le diamètre du cercle de moindre diffusion est indépendant de la distance focale. Deux lentilles de diamètre identique, taillées dans un même verre, mais de distances focales différentes auront le même diamètre de cercle de moindre diffusion.
Fig. 7 - Aberrations chromatiques et aberrations de sphéricité.
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, avec de telles surfaces il n’est pas possible de faire converger en un même point, les rayons incidents marginaux et les rayons incidents paraxiaux (proches de l’axe de symétrie). Dans les téléobjectifs lumineux, c’est 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 très lumineux.
Attardons-nous un instant sur ces aberrations. Au-delà des généralités, ce qui est intéressant, c’est de quantifier ces aberrations. Prenons, par exemple, la lentille frontale du Canon EF 300 mm f/2.8L IS. Elle est constituée de verre Ohara S-FPL51 (le verre UD de Canon), 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 les éléments 8 et 10). Ces valeurs sont rassemblées dans le tableau suivant (les rayons de courbure des deux faces de la lentille ont été ajustés 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 (valeurs numériques).
Que constate-t-on ?
• Les aberrations de sphéricité paraissent énormes par rapport aux aberrations chromatiques (mais il s’agit d’aberrations géométriques dont le traitement ne nécessite pas le recours à des verres spéciaux).
• La fluorine permet d’obtenir la dispersion chromatique la plus faible. Pour autant, elle est loin d’être négligeable et impose une correction.
• La dispersion du verre S-FPL51 (Canon UD) est du même ordre de grandeur que celle de la fluorine (16 à 18 % supérieure). À distance focale égale, son indice de réfraction supérieur à celui de la fluorine, permet d’obtenir de moindres aberrations de sphéricité.
• Le verre S-BSL7 (celui dont on fait les filtres, entre autres) est moins dispersif qu’on aurait pu le penser. Le fait de lire un peu partout que la dispersion de la fluorine est extraordinairement moindre que celle des verres optiques conventionnels finit par fausser notre jugement.
• Le verre S-NPH53 est un flint très dispersif : sa constringence est tellement faible qu’il ne pourrait absolument pas être utilisé dans ce cas précis (le prisme de Pink Floyd aurait pu être taillé dans ce verre). Les aberrations de sphéricité très faibles obtenues avec ce type de verre sont dues à son très fort indice de réfraction (grands rayons de courbure des faces de la lentille).
À 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 un peu 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".
3) La dispersion partielle relative et les verres à dispersion anormale.
La dispersion partielle relative est une notion très importante pour les concepteurs de téléobjectifs. Elle exprime, en quelque sorte, la non linéarité de l'indice de réfraction (en fonction de la longueur d'onde) d'un verre optique. C’est une caractéristique sur laquelle beaucoup de sottises sont publiées sur l’Internet ou dans les documentations pseudo techniques car elle est un peu plus difficile à expliquer que les précédentes.
Qu’est-ce que la dispersion partielle relative ?
Explication par l’exemple (Fig. 9)… Choisissons comme référence, dans le spectre visible, une plage de radiations comprises entre 486 et 656 nm (c’est une plage de référence prise habituellement par les opticiens). Dans cette plage de référence, l’indice de réfraction d’un verre varie d’une certaine quantité : c’est sa dispersion partielle dans la plage considérée. Considérons maintenant une autre plage de radiations, plus réduite : celles des bleus, entre 436 et 486 nm. Dans cette petite plage de radiations bleues, l’indice de réfraction du même verre varie d’une certaine quantité, inférieure à la première. Cette nouvelle quantité représente la dispersion partielle dans le bleu du verre considéré. En faisant le rapport des deux, on obtient un nombre qui exprime la proportion de 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. Dans cet exemple, la 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.
Fig. 9 – Dispersion partielle relative Pg,F du verre Ohara S-NPH53.
Mais, à quoi cela sert-il ? Si on calcule de la même manière, la dispersion partielle relative d’un grand nombre de verres optiques différents (en prenant les mêmes plages de longueurs d’onde), on constate qu'elle varie linéairement avec leur constringence (Fig. 10).
Fig. 10 - Dispersion partielle relative de plus de 110 verres Hikari, du verre Ohara FPL51 et de la fluorine (CaF2).
Longueurs d’onde de référence : 486 et 656 nm.
En choisissant deux verres "typiquement normaux" mais de constringence très différente dans le nuage de points obtenu, on peut définir une droite 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, un verre optique est dit "à dispersion normale" lorsque la valeur de sa dispersion partielle relative est proche de cette droite, alors que ceux dont la dispersion partielle relative s'en écarte, sont dits "à dispersion anormale". En calculant la dispersion partielle relative des verres dans une autre plage de longueurs d’onde, par exemple du jaune au rouge, on constate le même phénomène (Fig. 10, à droite).
Pour expliquer ce qu’est un verre à dispersion anormale, certains auteurs prennent un raccourci en disant que ces verres "dévient proportionnellement plus le bleu que les autres couleurs". Cette explication n’est pas satisfaisante, pour deux raisons.
1) Pour le bleu, la linéarité est atteinte lorsque la dispersion partielle relative vaut 0,296. Tous les verres optiques sont au-dessus de cette valeur (Fig. 10, à gauche). Donc tous les verres optiques, que leur dispersion soit normale ou pas, dévient proportionnellement plus le bleu que les autres couleurs.
2) Les verres à dispersion anormale qui nous intéressent (ainsi que la fluorine) font même partie des verres dont la dispersion dans les bleus par rapport aux autres couleurs est la plus faible (Fig. 10, à gauche).
La notion de dispersion normale ou anormale 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, bien que très faible, devrait être encore plus faible que ce qu’elle est.
L’écart entre la dispersion partielle relative d’un verre et la droite d’Abbe (dans le sens vertical) exprime le degré "d’anormalité" de la dispersion de ce verre. Plus l’écart est important, plus sa dispersion est anormale, et plus il est facile de corriger son aberration chromatique. Cet écart est près de deux fois plus important pour la fluorine que pour le verre S-FPL51. C’est la raison pour laquelle on peut lire dans certaines documentations, que "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 marque…
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.
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 fluorine. En effet, la transmittance de la fluorine est beaucoup plus étendue que celle du verre optique puisqu’elle va de l’ultraviolet à l’infrarouge (de 150 nm à 9000 nm pour une lame de 2 mm d’épaisseur). 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 % (Fig. 11).
Fig. 11 - Transmittance interne de 6 verres à faible dispersion et de la fluorine (CaF2).
Si on compare sur un même graphe, les courbes de la transmittance des onze verres optiques utilisés dans la construction du téléobjectif Canon EF 300mm f/2.8L IS (Fig. 12), 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 le maximum des performances. 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 performances moindres.
Fig. 12 - Transmittance interne des 11 verres utilisés dans le Canon EF-300 mm f/2.8 IS et de la fluorine (CaF2).
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 (contre 2,5 pour le "verre à vitre"). La plupart des verres optiques sont donc très lourds (la fluorine, avec une densité égale à 3,18 est aussi un matériau assez lourd). C’est une des principales raisons expliquant l’évolution des formules optiques qui a accompagné l’arrivée des systèmes de mise au point automatique, puis des dispositifs de stabilisation d’image. En effet, pour que ces systèmes puissent réagir rapidement, il faut que la masse des éléments mobiles soit la plus faible possible. Ainsi, la masse des trois éléments assurant la stabilisation ne pèsent qu’un peu plus de 40 grammes pour le Canon EF 300mm f/2.8L IS, et 43 grammes pour le Nikon AF-S 300 mm f/2.8 VR. La masse des éléments assurant la mise au point n’est que de 70 grammes pour le Canon et un peu plus de 80 grammes pour le Nikon. 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 les anciens 300 mm à mise au point par rampe hélicoïdale déplaçaient de 48,6 mm la totalité des lentilles (pour une mise au point à 2,5 m) !
À titre d’information, 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 !
6) La dilatation thermique.
Sans rentrer dans des détails soporifiques, on peut dire que les verres à faible dispersion se dilatent, sous l’effet de la température, 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). Cependant, 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.
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 (une 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.
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 sur lequel on exerce une force de 1 N environ pendant 15 secondes, après quoi on mesure les dimensions de l’empreinte. Ces données sont introduites dans une petite formule mathématique qui donne un chiffre compris entre 150 et plus de 800 : c’est l’indice de Knoop. La plupart des verres optiques ont une dureté comprise entre 500 et 750 (le verre des filtres neutres ont un indice voisin de 600). La dureté des verres à faible dispersion est comprise entre 320 et 360. Le verre Hikari E-FKH1 (ED de Nikon) est un peu plus dur : 390. La fluorine, avec un indice de 158 est très "tendre". Mais 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 le filtre. 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. C’est là que vous commencez à être concernés !
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. Cependant on peut affirmer, sans risque de se tromper, que le verre à faible dispersion est cher. 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 (prix de détail). Il est évident que Canon ne paie pas ce prix 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 lit le détail du déroulement d’un de ses procédés de fabrication, mais cher jusqu’à quel point ? Mystère…
Les verres à faible dispersion sont-ils indispensables ?
Je ne veux pas faire de cet exposé sur le verre à faible dispersion et la fluorine un cours sur les aberrations optiques et la manière dont on les corrige (peut-être le sujet d’un prochain article). Je rappellerais donc simplement que la correction de l’aberration chromatique s’effectue de deux manières. D’une part en utilisant des lentilles de verre peu dispersif (c’est la méthode la plus intuitive), mais nous avons vu que même les verres les moins dispersifs nécessitent une correction. D’autre part en associant des lentilles de géométrie et d’indice différents, de manière à ce que le sens et l’amplitude de leurs dispersions respectives se compensent partiellement, ou même s’annulent pour certaines longueurs d’onde. Malheureusement, on constate qu’en utilisant uniquement des lentilles de verre à dispersion normale, on ne parvient jamais à corriger l’aberration chromatique de manière satisfaisante, surtout lorsque la luminosité de l’objectif augmente (le diamètre de moindre diffusion est proportionnel au diamètre des lentilles). Ceux d’entre nous qui ont connu les longues focales Novoflex 400 mm f/5,6 et 600 mm f/8 (dans les années 70) savent par expérience que les verres à dispersion normale sont incapables d’assurer une bonne correction des aberrations chromatiques. Or, le simple fait d’introduire, ne serait-ce qu’une seule lentille à dispersion anormale dans une formule optique, permet de simplifier et d’améliorer très sensiblement la correction. En matière de maîtrise des aberrations chromatiques au sein d’un système optique, la dispersion anormale d’un verre est au moins aussi importante que le fait qu’il soit peu dispersif. C’est la raison pour laquelle les chercheurs qui ont mis au point ces verres à faible dispersion se sont aussi efforcés de faire en sorte que la dispersion partielle relative de ces verres soit différente de celle des verres "normaux".
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 téléobjectif de 400 mm d’ouverture f/2,8 serait resté un fantasme de chasseur photographe un peu déjanté ! Alors qu’aujourd’hui, ces verres permettent à une firme comme Nikon de déposer, par exemple, le brevet d’une formule optique de 600 mm f/2,8 (comportant entre 5 et 6 lentilles en verre Hikari E-FKH1 selon les versions étudiées) !
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 comparables à ceux de Canon, sans utiliser de fluorine. Nikon, pourtant producteur de fluorine, a manifestement pris le parti de ne pas l’utiliser dans ses téléobjectifs. Ceci est en partie dû au fait que la longueur focale des lentilles utilisées dans nos téléobjectifs est relativement peu importante. Dans les téléobjectifs 600 mm f/4 Canon et Nikon, les longueurs focales des lentilles convergentes sont comprises entre 350 et 370 mm au maximum (entre 330 et 340 mm pour les téléobjectifs 500 mm f/4). Les objectifs de type "longue focale" comme les Leica Telyt-R 400 mm f/6,8 ou 560 mm f/6,8 qui ont fait la joie des photgraphes animaliers, dans les années 70, comportaient des lentilles convergentes de longueur focale bien plus importante. On limitait alors leur ouverture à des valeurs qui aujourd’hui nous paraissent ridicules, pour limiter l’effet des aberrations. À la fin des années 1960, la fluorine était sans équivalent. Moins de dix ans plus tard, les verres à faible dispersion permettaient déjà la réalisation de téléobjectifs donnant des images de grande qualité. Aujourd’hui, les verres Ohara S-FPL51 et S-FPL53 (ou leurs équivalents chez Schott ou Sumita) sont de plus en plus utilisés par les fabricants de lunettes astronomiques qui pourtant conçoivent des lentilles dont les longueurs focales sont bien plus importantes que celles de nos téléobjectifs les plus longs.
Actuellement, les deux premiers éléments des gros téléobjectifs Canon (mis à part le 800 mm f/5,6) sont en verre S-FPL51. Seul le quatrième élément est en fluorine. Curieusement, au sein de ces objectifs, la fluorine a été retenue pour la plus petite des trois lentilles convergentes de grand diamètre (la moins chère à réaliser). C’est également celle dont la distance focale est la plus courte (moins de 160 mm pour le téléobjectif 300 mm f/2,8, inférieure à 220 mm pour les 400mm f/2,8 et 500 mm f/4). Des variantes comportant seulement l’élément frontal en fluorine, ou bien seulement l’élément n° 2 ont été étudiées, mais n’ont pas été retenues pour la fabrication. Il est fort probable que dans cette affaire, c’est la dispersion anormale de la fluorine, plus que sa faible dispersion, qui est mise à profit par les concepteurs…
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 qu’ils déposent, des variantes 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, 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 ?
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 calculs des ordinateurs), nos téléobjectifs seraient bien incapables de produire les merveilleuses images que l’on peut voir aujourd’hui…
Mais l’aventure du verre optique n’est pas terminée. Qui peut dire aujourd’hui à quoi ressembleront les téléobjectifs de demain ? 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.
Références :
- "Optical system and Optical apparatus having the same" (2000).
- "Internal focusing telephoto lens" (1998).
- "Process for growing optical fluorite single crystals" (2006).
- "Light-weight Optical glass of Fluoro-phosphate" (1989).
- "Optique géométrique – Imagerie et instruments" de Bernard Balland, aux Presses Polytechniques et Universitaires Romandes.