Objectif de la caméra

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Contexte

L'objectif de la caméra est une invention qui tente de reproduire le fonctionnement de l'œil humain. Tout comme l'œil, l'objectif voit une image, la focalise et transmet ses couleurs, sa netteté et sa luminosité à travers l'appareil photo au film photographique, qui, comme notre mémoire, enregistre l'image pour son traitement et son utilisation future. Les lentilles sont en verre optique ou en plastique. Ils focalisent les rayons lumineux en les réfractant ou en les pliant de sorte qu'ils se rencontrent ou convergent en un point commun.

Un simple objectif "voit" bien par son centre, mais sa vision sur les bords a tendance à se brouiller. Le flou, les changements de couleur, la distorsion des lignes et les halos de couleur autour des objets sont causés par des défauts de l'objectif appelés aberrations. Certaines aberrations peuvent être corrigées dans la lentille simple en façonnant une ou les deux surfaces de manière à ce qu'elles soient asphériques ; les courbes asphériques varient comme les courbes d'une parabole, plutôt que de rester constantes comme la courbure d'une sphère. Un objectif de caméra réduit les effets des aberrations en remplaçant un simple objectif par un groupe d'objectifs appelés éléments d'objectif, qui sont des objectifs de différentes formes et distances de séparation. Le cristallin devient plus complexe à mesure qu'une plus grande correction de la vision est obtenue. L'objectif sera également plus complexe en fonction de la taille de l'ouverture - l'ouverture qui permet à la lumière de passer à travers - et de la plage d'angles qu'il "voit". La conception des verres reposait autrefois sur l'art de l'opticien et sur une expérimentation considérable. Aujourd'hui, les programmes informatiques peuvent ajuster la forme et l'espacement des lentilles, déterminer leurs effets les uns sur les autres et évaluer les coûts de production des lentilles.

Les éléments de lentille sont généralement décrits par leur forme. La lentille convexe se courbe vers l'extérieur ; une lentille biconvexe est incurvée vers l'extérieur des deux côtés, et une lentille plan-convexe est plate d'un côté et incurvée vers l'extérieur de l'autre. Il existe également des lentilles concaves, biconcaves et plano-concaves. Les éléments ne sont pas forcément symétriques et peuvent se courber plus d'un côté que de l'autre. L'épaississement du milieu de la lentille par rapport à ses bords provoque la convergence ou la focalisation des rayons lumineux. Les lentilles avec des bords épais et des milieux minces dispersent les rayons lumineux. Un objectif de caméra complexe contient un certain nombre d'éléments spécialement regroupés. La combinaison de la composition, de la forme et du regroupement des éléments maximise les propriétés de flexion de la lumière des éléments individuels pour produire l'image souhaitée. L'objectif est mis au point en le rapprochant ou en l'éloignant du film ou du plan focal. La lentille peut être tordue, provoquant le déplacement des éléments de lentille vers l'intérieur et l'extérieur le long d'un filetage en spirale usiné dans le boîtier de la lentille. La torsion de l'objectif déplace également une échelle sur le boîtier qui indique la distance de la meilleure mise au point.

La butée ou diaphragme est une partie spécialisée de l'objectif. Dans les appareils photo simples, la butée est une butée fixe ou un anneau de tôle noire qui est placé en permanence devant l'objectif. Les boîtiers, les caméras de studio et certaines caméras de fabrication européenne utilisent une butée coulissante, qui est une bande de métal qui glisse sur l'avant de l'objectif entre les rainures. Il a deux ou plusieurs trous de tailles différentes qui sont les ouvertures. Les objectifs avec une butée variable ont un anneau usiné à l'extérieur de la monture d'objectif, imprimé avec des nombres f-stop. En tournant cette bague, le diaphragme peut être ouvert ou fermé. Ce diaphragme à iris fonctionne un peu comme l'iris de l'œil en permettant des ajustements pour des conditions d'éclairage variées.

L'objectif d'un appareil photo compact est généralement un objectif à usage général avec une distance focale normale qui prend des photos d'une image telle que nos yeux la voient. Les objectifs conçus à des fins spéciales sont utilisés avec des appareils photo plus avancés. Les téléobjectifs fonctionnent un peu comme des jumelles ou des télescopes, et faire apparaître une image distante plus proche. Les objectifs grand angle font apparaître l'image plus loin; un objectif panoramique est un type spécial d'objectif grand angle qui est utile pour prendre des photos de vastes étendues de paysages. Certains appareils photo jetables sont équipés d'objectifs panoramiques. Un objectif fish-eye est également un type spécial d'objectif grand angle qui déforme délibérément l'image de sorte que la partie centrale est agrandie et les détails extérieurs de l'image sont compressés. Les objectifs fish-eye couvrent des angles très larges comme les vues d'horizon à horizon. Un autre objectif spécial est l'objectif à mise au point variable, également appelé objectif « zoom ». Il utilise des éléments d'objectif mobiles pour ajuster la distance focale afin de zoomer plus près ou plus loin du sujet. Ces lentilles sont complexes et peuvent contenir de 12 à 20 lentilles; cependant, un objectif à focale variable peut remplacer plusieurs autres objectifs. Certains appareils photo compacts ont également des fonctions de zoom, de téléobjectif ou de grand angle limitées. L'appareil photo reflex mono-objectif (SLR) est conçu pour que le photographe voit la même vue que l'objectif à travers le viseur. Cela permet au photographe de planifier l'image qui apparaîtra sur le film avec la flexibilité d'une variété d'objectifs interchangeables.

Historique

L'objectif de l'appareil photo a évolué à partir des objectifs optiques développés à d'autres fins et a mûri avec l'appareil photo et le film photographique. En 1568, un noble vénitien, Daniel Barbaro, plaça un objectif sur le trou d'un boîtier pour appareil photo et étudia la netteté de l'image et la mise au point. Sa première lentille provenait des lunettes convexes d'un vieil homme. L'astronome Johann Kepler a développé les expériences de Barbaro en 1611 en décrivant des lentilles simples et composées, en expliquant l'inversion d'image et en agrandissant les images en regroupant des lentilles convexes et concaves.

Dans les années 1800, les premiers boîtiers d'appareils photo avaient un objectif monté dans l'ouverture du boîtier. L'objectif a inversé l'image sur une plaque photosensible à l'arrière de la boîte. Il n'y avait pas d'obturateur pour ouvrir l'objectif ; au lieu de cela, un capuchon d'objectif a été retiré pendant plusieurs secondes ou plus pour exposer la plaque. Les améliorations de la sensibilité de la plaque ont nécessité des moyens de contrôler l'exposition. Des masques avec des ouvertures de différentes tailles ont été fabriqués pour être insérés près de la lentille. Le diaphragme à iris a également été développé pour contrôler l'ouverture. Ses feuilles métalliques s'ouvrent et se referment pour former une ouverture circulaire dont le diamètre peut être varié.

En 1841, Joseph Petzval de Vienne a conçu un objectif de portrait avec une ouverture rapide. Auparavant, les objectifs conçus pour les appareils photo daguerréotype étaient les mieux adaptés à la photographie de paysage. L'objectif de Petzval permettait de prendre des portraits dix fois plus rapidement et la photographie risquait moins d'être floue. En 1902, Paul Rudolph a développé l'objectif Zeiss Tessar, considéré comme le plus populaire jamais créé. En 1918, il a produit l'objectif Plasmat, qui est peut-être le meilleur objectif d'appareil photo jamais fabriqué. Rudolph a été suivi de peu par Max Berek, qui a conçu des objectifs nets et rapides qui étaient idéaux pour les appareils photo miniatures.

D'autres développements essentiels dans l'histoire des lentilles incluent la technologie de revêtement des lentilles, l'utilisation de verre aux terres rares et les méthodes de calcul rendues possibles par l'ordinateur. Katharine B. Blodgett a développé des techniques pour les lentilles à revêtement mince avec un film de savon pour éliminer la réflexion et améliorer la transmission de la lumière en 1939. C. Hawley Cartwright a poursuivi le travail de Blodgett en utilisant des revêtements de fluorures métalliques, y compris du magnésium et du calcium évaporés qui étaient de quatre millionièmes d'un pouce d'épaisseur.

Conception

La conception d'un objectif d'appareil photo commence par l'identification du photographe qui l'utilisera. Lorsque le marché est identifié, le concepteur de l'objectif sélectionne les matériaux optiques et mécaniques, la conception optique, la méthode appropriée pour fabriquer les pièces mécaniques et, pour les objectifs à mise au point automatique, le type d'interface entre l'objectif et l'appareil photo. Il existe des conventions ou des modèles pour les différentes catégories d'objectifs, y compris les objectifs macro, grand angle et téléobjectif, de sorte que certains aspects de la conception sont standardisés. Les progrès des matériaux donnent aux concepteurs de nombreux défis Un groupe d'objectifs appelés éléments d'objectif, qui sont de différentes formes et distances de séparation, constituent l'objectif de la caméra . La conception des verres reposait autrefois sur l'art de l'opticien et sur une expérimentation considérable. Aujourd'hui, les programmes informatiques peuvent ajuster la forme et l'espacement des lentilles, déterminer leurs effets les uns sur les autres et évaluer les coûts de production des lentilles. options, cependant. Lors de la sélection des matériaux, l'ingénieur doit prendre en compte une gamme de métaux pour les composants et divers types de verres et de plastiques pour les objectifs, tout en tenant compte du coût final pour le photographe.

Lorsque le concepteur a terminé la conception, ses performances sont testées par simulation informatique. Les programmes informatiques spécifiques aux fabricants d'objectifs indiquent au concepteur quel type d'image ou d'image l'objectif produira au centre de l'image et sur ses bords pour la plage de fonctionnement de l'objectif. En supposant que la lentille passe le test de simulation informatique, les critères de performance qui ont été choisis initialement sont revus à nouveau pour confirmer que la lentille répond aux besoins identifiés. Un prototype est fabriqué pour tester les performances réelles. L'objectif est testé dans des conditions de température et d'environnement variables, à chaque position d'ouverture et à chaque distance focale pour les objectifs zoom. Des cartes cibles dans un laboratoire sont photographiées, de même que des conditions de terrain de lumière et d'ombre variables. Certains verres sont vieillis rapidement lors de tests en laboratoire pour vérifier leur durabilité.

Un travail de conception supplémentaire est nécessaire si l'objectif fait la mise au point automatiquement, car le module de mise au point automatique (AF) doit fonctionner avec une gamme de boîtiers d'appareils photo. Le module AF nécessite à la fois un logiciel et une conception mécanique. Des tests de prototypes approfondis sont effectués sur ces objectifs en raison de leurs fonctions complexes et parce que le logiciel est adapté à chaque objectif.

Matières premières

Les matières premières des objectifs eux-mêmes, le revêtement, le barillet ou le boîtier de l'objectif de la caméra et les montures d'objectif sont décrits ci-dessous dans la section fabrication.

Le processus de fabrication

Meulage et polissage des lentilles

• 1 Le verre optique est fourni aux fabricants de lentilles par des vendeurs spécialisés. Habituellement, il se présente sous la forme d'une "plaque pressée" ou d'une plaque de verre tranchée à partir de laquelle les éléments sont découpés. Les éléments en verre sont façonnés en formes concaves ou convexes par une machine génératrice de courbes qui est un broyeur de première étape. Pour atteindre les spécifications de sa forme, une lentille passe par une séquence de processus au cours desquels elle est broyée en polissant des particules dans l'eau. Les particules de polissage deviennent plus petites à chaque étape à mesure que la lentille est affinée. La génération de courbes et le broyage ultérieur varient en vitesse en fonction de la fragilité, de la douceur et des propriétés d'oxydation des matériaux optiques.

  Après meulage et polissage, les éléments sont centrés de sorte que le bord extérieur de la lentille soit parfait en circonférence par rapport à la ligne médiane ou à l'axe optique de la lentille. Les lentilles en plastique ou en verre collé et en résine sont produites par les mêmes procédés. Des matériaux liés sont utilisés pour fabriquer des lentilles avec des surfaces non sphériques, et ces lentilles sont appelées « asphériques hybrides ». Les surfaces asphériques de ces lentilles sont complétées lors du centrage.

Revêtement des lentilles

• 2 Les lentilles formées sont revêtues pour protéger le matériau de l'oxydation, pour éviter les reflets et pour répondre aux exigences de « transmission de spectre conçu » ou d'équilibre et de rendu des couleurs. Les surfaces des lentilles sont soigneusement nettoyées avant le revêtement. Les techniques d'application des revêtements et les revêtements eux-mêmes sont des arguments de vente majeurs pour les lentilles d'un fabricant et sont des secrets soigneusement gardés. Certains types de revêtements comprennent des oxydes métalliques, des fluorures d'alliages légers et des couches de quartz qui sont appliquées aux lentilles et aux miroirs par un processus sous vide. Plusieurs couches de revêtement peuvent être appliquées pour une meilleure transmission de la couleur et de la lumière, mais un revêtement excessif peut réduire la lumière qui traverse la lentille et limiter son utilité.

Fabrication du canon

• 3 Le canon comprend le châssis qui supporte les divers éléments de lentille et l'extérieur cosmétique. Les montures métalliques, les rainures et les parties mobiles de l'objectif sont essentielles aux performances de l'objectif et sont usinées selon des tolérances très spécifiques. Les montures d'objectif peuvent être en laiton, en aluminium ou en plastique. La plupart des composants de baril en métal sont moulés sous pression et usinés. Les supports métalliques durent plus longtemps, conservent leurs dimensions, peuvent être usinés plus précisément et peuvent être démontés pour remplacer des éléments, si nécessaire. Les supports en plastique sont moins chers et plus légers. Si le canon est en plastique technique, il est produit par une méthode de moulage par injection très efficace et précise. Les surfaces intérieures du canon sont également revêtues pour les protéger et pour éviter les reflets et les reflets internes.

Assemblage de la lentille

• 4 D'autres parties de l'objectif, telles que le diaphragme et le module de mise au point automatique, sont produites en tant que sous-ensembles. Le diaphragme à iris est constitué de feuilles incurvées découpées dans de fines feuilles de métal. Les feuilles métalliques sont maintenues en place par deux plaques. Une plaque est fixe, l'autre mobile, et comporte des fentes pour les goupilles coulissantes. Ceux-ci font glisser les feuilles vers le canon pour ouvrir le diaphragme ou vers le centre pour fermer l'ouverture lorsque la bague f-stop est tournée. L'ensemble diaphragme est fixé en place lorsque la monture d'objectif est fixée à l'extrémité du canon. La mise au point automatique est également ajoutée, les éléments optiques sont positionnés et l'objectif est scellé. Après l'assemblage final, la lentille est ajustée et inspectée rigoureusement. Il doit répondre aux normes de conception en matière de résolution optique, de fonction mécanique et de réponse de mise au point automatique. Les lentilles peuvent également être testées en les soumettant à des chocs, des chutes et des vibrations.

Contrôle qualité

Les approches de fabrication de lentilles varient considérablement d'une entreprise à l'autre. Certains utilisent une automatisation complète, y compris un robot industriel Pour fabriquer leurs produits, d'autres utilisent de grandes chaînes de montage et d'autres encore sont fiers de l'artisanat. Cependant, la qualité et la précision sont essentielles à la production de verres, quelle que soit l'approche de fabrication. Les matériaux et composants entrants sont rigoureusement inspectés pour leur qualité et leur conformité aux spécifications techniques. Les processus automatisés sont également contrôlés en permanence et soumis à des contrôles de tolérance. L'artisanat est effectué uniquement par des artisans qualifiés avec de longues années de formation. Un contrôle qualité et des tests de résistance sont intégrés à chaque étape de fabrication, et les éléments et composants sont mesurés avec des instruments précis. Certains appareils de mesure sont contrôlés par laser et peuvent détecter des écarts de moins de 0,0001 millimètre dans la surface d'une lentille ou dans le centrage de la lentille.

Le futur

Les objectifs d'appareil photo bénéficient de nouveaux développements dans de nombreux domaines. L'intérêt du consommateur pour les meilleures photos au moindre coût a conduit à des appareils photo jetables avec des objectifs simples mais efficaces. Les objectifs pour les photographes professionnels et pour des usages spécialisés tels que les jumelles ou les télescopes hautes performances sont fabriqués avec des verres exotiques et « non préférés » qui sont plus sensibles, coûteux et plus difficiles à obtenir que les matériaux traditionnels. Ceux-ci sont appelés matériaux à "dispersion anormale" car ils fusionnent toutes les couleurs de la lumière passant à travers l'objectif pour produire les meilleures images, plutôt que de permettre aux couleurs de se disperser comme un simple objectif. L'eau et d'autres liquides courbent également la lumière, et les scientifiques ont identifié des liquides anormalement dispersifs et pouvant être piégés entre des couches de verre ordinaire pour produire la même qualité d'image que le verre optique exotique. Le verre ordinaire ou "préféré" (préféré en raison de son faible coût et de sa maniabilité) est collé autour du liquide avec un adhésif silicone flexible. La « lentille liquide » qui en résulte peut remplacer plusieurs éléments dans une lentille de qualité professionnelle. Il réduit également le revêtement requis et la quantité de polissage de lentille nécessaire car le liquide comble les imperfections du verre. Le coût de la lentille est réduit et les propriétés de transmission de la lumière sont améliorées. Les fabricants de lentilles aux États-Unis, au Japon et en Europe se préparent à produire des lentilles liquides dans un avenir proche.