Les lentilles asphériques se sont considérablement démocratisées en l’espace d’une vingtaine d’années, permettant d’améliorer les performances optiques à taille de système constant. Dans cet article, nous vous expliquons plus en détail à quoi servent les lentilles asphériques et comment elles sont produites.

Qu’est-ce qu’une lentille asphérique ?

Une lentille asphérique, comme son nom l’indique, est une lentille dont les surfaces ne sont pas sphériques.
Pour des raisons à la fois théoriques (les ondes lumineuses arrivent avec un front d'onde sphérique) et de production (des portions de sphère sont simples à produire et à tester avec une grande précision), les surfaces des lentilles sont le plus souvent constituées de portions de sphères.

comprendre les lentilles asphériquesUne optique sphérique et les portions de sphères qui la constituent.

Une partie des aberrations est liée à la sphéricité de ces surfaces, la plus évidente d’entre elles étant l’aberration sphérique…
L’idée des surfaces asphériques est de s’affranchir des surfaces sphériques pour potentiellement améliorer les performances optiques. Les surfaces des asphériques obéissent à des équations mathématiques relativement complexes qui caractérisent l'écart à une conique et dont le nombre de termes est lié au degré de précision voulu.

comprendre les lentilles asphériquesProfil de surface asphérique – source Wikimedia commons, ArtMechanic.

Dans quels cas une lentille asphérique est-elle bénéfique ?

Sans rentrer dans les détails de l’optimisation des objectifs, on peut dégager deux grandes applications des lentilles asphériques :

les objectifs grands-angulaires. Ils sont plus susceptibles de comporter des problèmes de courbure de champ et les lentilles asphériques peuvent aider à résoudre ce problème ;
les objectifs à grande ouverture. L’asphérisation de certaines lentilles porte principalement ses fruits aux plus grandes ouvertures (là où les aberrations optiques sont les plus notables). Certains concepteurs optiques considèrent qu’à partir de f/4 le gain des asphériques est marginal.

Dernier cas de figure, présent dans les systèmes compacts, mais rarement dans les objectifs interchangeables : l’utilisation d’asphériques pour diminuer les distances entre les lentilles du système optique.

Lentilles asphériques et nombre d'éléments optiques

Les objectifs asphériques se trouvent surtout sur des objectifs modernes comprenant de nombreuses lentilles. Qu’on ne s’y trompe pas, les surfaces asphériques permettent de corriger certaines aberrations de manière plus efficace que les surfaces sphériques et autorisent à réduire la quantité de lentilles nécessaire pour atteindre un même niveau de qualité.

Les procédés de fabrication des lentilles asphériques

Le moulage

Dans le cas des matériaux plastiques, il est facile de réaliser un moulage. Après avoir construit un moule avec la forme voulue, il suffit d’injecter du plastique pour réaliser une lentille asphérique. Ce procédé est utilisé, par exemple, dans la réalisation des objectifs de smartphones qui, pour des raisons de compacité, ont pratiquement toutes leurs surfaces asphériques.
Un procédé similaire est utilisable pour du verre, à la différence que celui-ci n’est pas injecté, mais simplement ramolli et moulé par pression. Cette technologie a été perfectionnée et s’utilise de plus en plus pour les éléments asphériques de grande dimension.

Quelles performances ?
À première vue, ce procédé devrait permettre d’assurer la production de surfaces parfaites. En pratique, ce n’est pas le cas pour au moins deux raisons. Primo, les moules ne sont jamais absolument fidèles à la théorie : en optique, les défauts d’épaisseur, même minimes, produisent des aberrations. Dans le visible, pour une surface optique, il faut garantir des défauts plus petits que la centaine de nanomètres, soit le millième de l’épaisseur d’un cheveu. Mécaniquement, il est difficile de garantir de telles précisions. Deuzio, le processus d’injection du plastique ne peut s'effectuer qu’à haute température, et en refroidissant le plastique va légèrement changer de forme. Ces variations dues à la dilatation thermique sont prises en compte à la conception du moule, mais entraînent de légères variations entre les lentilles.

Le polissage

Une autre approche, très largement utilisée dans les objectifs photographiques, consiste à partir d’une lentille sphérique et à polir la surface pour fabriquer une lentille asphérique. Le polissage est effectué à l’aide d’une pointe en diamant pour obtenir une grande précision. Contrepartie de la précision, le coût est plus élevé, car la pointe doit être changée régulièrement pour obtenir une qualité homogène sur toutes les lentilles produites.

comprendre les lentilles asphériquesConcept du polissage d'asphérique – source EdmundOptics.

Quelles performances ?
Le polissage donne de bons résultats au prix d’un temps de production rallongé et d’un surcoût non négligeable. Les asphériques produits par polissage peuvent toutefois présenter des comportements inhabituels dans les zones de bokeh. C’est en particulier le cas des bokehs “en pelure d’oignon”.

comprendre les lentilles asphériques“Pelure d'oignon” visible avec un élément asphérique.

Dans ce cas précis, nous avons utilisé un zoom avec un élément asphérique pour mettre en évidence le phénomène. En règle générale et en pratique, cet effet est peu visible.

Qualité de production

L’amélioration des méthodes de polissage réduit fortement ces effets. C’est une des étapes de fabrication qui sont régulièrement améliorées par les fabricants. Il y a malheureusement très peu d’informations disponibles sur les processus et précisions des constructeurs.

Parmi les nombreux paramètres, pour reprendre l’approche d’une pointe qui vient polir la surface, le diamètre de la pointe permet de se faire une idée du niveau de précision.

Canon Nikon Sony
Asphérique standard < 100 nm ? ?
Asphérique haute précision 20 nm "De l'ordre du nanomètre" : de 1 à 10 nm Technologie XA : 10 nm

10 nm de précision, ça représente quoi ?

10 nm, c’est tout petit, mais pour se faire une idée sur le niveau de précision, il faut comparer avec une taille qui fait sens en optique. Cette taille, c’est la longueur d’onde, valeur qui permet de caractériser la couleur de la lumière. Dans le visible, la longueur d’onde fait typiquement 550 nm (couleur verte, au centre du spectre). Donc, 10 nm représentent seulement 2 % de cette valeur et c’est extrêmement précis pour de la fabrication de masse.

Pour en savoir plus

→ Canon (en anglais)
→ Nikon (en anglais)
→ Sony (en anglais)
→ Edmund Optics, fabricant de matériel optique de laboratoire, (en français)

Timothée Cognard
Timothée Cognard

Ingénieur en Optique de formation, photographe de coeur... Collectionneur compulsif de focales fixes. Ses publications