La conception des optiques constitue un des mystères du monde de la photographie. Pour certains, il s'agirait d'un travail d’artiste, tandis que pour d’autres il suffirait d’un logiciel… Le but de cet article est de démêler le vrai du faux sur l’activité des concepteurs optiques et de répondre à cette question hautement philosophique : ce travail relève-t-il de l’art ou de la science ?

Le cahier des charges

La première étape de la conception d’une optique, c’est la définition du produit que l’on cherche à fabriquer. Les responsables du projet établissent une liste de spécifications optiques liées à la focale, à l’ouverture, et souvent donnent quelques indications sur les performances optiques attendues. Les aspects commerciaux et mécaniques rentrent également en jeu en fonction des optiques à concevoir. Il est rare que le budget soit illimité et que les volumes et masses ne soient pas contraints.

Comprendre les besoins

Le principal problème que rencontre le concepteur optique à cette étape est de comprendre le besoin et exprimer les contraintes en données techniques. Exemple : la conception d’un objectif 85 mm f/1,4 va s’adresser à des portraitistes ; par conséquent, les aberrations hors axe à pleine ouverture peuvent être présentes jusqu’à une certaine taille d'image puisqu’a priori un portraitiste aura son sujet dans une zone relativement centrale. Au sein même des aberrations, certaines sont acceptables et d’autres moins : une correction partielle de l’aberration sphérique peut aider à produire un rendu plus flatteur en adoucissant certains défauts de peau. Ce travail de compréhension des attentes nécessite souvent une expérience personnelle. Or, beaucoup de concepteurs ont aussi un intérêt pour la photographie.

50 mm f/0,7 Zeiss Planar – Source : Wikimedia Commons.

La palme dans le domaine de la compréhension revient probablement aux concepteurs d’optiques pour le cinéma qui travaillent parfois selon des demandes de cinéastes. Zeiss a ainsi adapté pour Stanley Kubrick des optiques de la Nasa pour le tournage de Barry Lyndon. À notre connaissance, le Français Angénieux travaille en collaboration avec des cinéastes, et les concepteurs optiques de l’entreprise doivent interpréter le rendu artistique voulu en termes techniques.

Les coûts

Difficile de prévoir le coût d'une optique avant la création d'une formule optique. Le coût principal vient presque toujours des parties mécanique et électronique. Les verres sont relativement peu onéreux, sauf dans le cas de verres asphériques. Le tolérancement, dont on reparlera un peu plus tard, est une étape clef de la gestion du coût de fabrication. Une formule optique avec des précisions de fabrication exigeantes coûte plus cher.

Formule optique : l’heure des compromis…

Trouver une famille de formules optiques

Maintenant qu’un cahier des charges a été mis en place, il faut essayer de trouver un système optique qui y répond. La première étape consiste à regarder s’il n’existe pas quelque part un système similaire et qui pourrait être adapté.

Familles de formules optiques.

Il existe ainsi des familles de formules optiques qui peuvent répondre au besoin identifié. Le plus souvent, une formule peut servir de point de départ pour le système à concevoir. Sur le graphique ci-dessus, une famille de formules optiques est représentée en fonction de son ouverture et de sa focale (angle de vue). En cherchant une focale et une ouverture données, on peut trouver une famille de formules optiques adaptées. Certaines zones de ce schéma sont malheureusement vides, surtout les grands-angles ultra-lumineux, mais il est possible de modifier une formule existante et de rajouter progressivement des lentilles pour améliorer ses performances.

Quelques doubles Gauss – Source : Wikimedia Commons.

À cause de sa simplicité et de ses ouvertures maximales lumineuses, la famille des doubles Gauss a connu des centaines de réinterprétations et de variantes depuis sa création dans les années 1930 jusqu’à nos jours. La plupart des focales fixes 50 mm utilisent cette formule optique.

Les logiciels de conception optique

Un aperçu de logiciels de conception optique – Oslo, Zemax, CodeV.

L'optimisation se fait depuis les années 1970 à l'aide d'ordinateurs et de logiciels. Ces derniers permettent de réaliser une partie des calculs pour les ingénieurs ou d'optimiser certaines variables, mais ne produisent pas (encore) une formule optique sans une importante direction humaine. Pour résumer mathématiquement l'utilisation de ces logiciels : chaque paramètre de l'optique à concevoir est une variable qu'il faut optimiser selon un ensemble de critères – que l'ingénieur fixe suivant le cahier des charges. Sur une optique possédant une dizaine de lentilles, on aura une vingtaine de variables correspondant aux courbures de la surface des verres, une vingtaine correspondant aux épaisseurs de verre ou d'air entre les surfaces, une série de variables caractérisant les verres à utiliser. Les logiciels servent à optimiser les valeurs des variables pour se rapprocher autant que possible d'une image parfaite. C'est un problème mathématique très ardu à cause du nombre élevé de variables. D'ailleurs, l'optimisation logicielle ne fonctionne pas très efficacement au-delà d'une dizaine de variables simultanées…

Contrairement à une croyance répandue, des objectifs de test ne sont jamais produits pour évaluer la qualité d'image d'une formule optique. Cette pratique a existé, mais a complètement disparu depuis l'utilisation de logiciels de conception optique. Il est en effet possible de simuler l'effet des aberrations sur les images sans avoir recours à la production d'un système optique réel.

Les compromis

L’adaptation d’une formule optique existante aux besoins du cahier des charges permet rarement de satisfaire tous les points. Les aberrations optiques ne sont pas des erreurs de fabrication, ni des problèmes de conception. Il n’est mathématiquement pas possible d’annuler toutes les aberrations en même temps ! Au mieux, il est possible d’en annuler certaines (principe de symétrie, position du diaphragme, etc.), mais le système parfait n’existe tout simplement pas. La conception est donc affaire de compromis entre les différentes aberrations et les contraintes mécaniques ou financières.

L’art du concepteur optique, c’est de savoir procéder aux bons compromis, de choisir quelles aberrations sont acceptables, voire souhaitables, pour l’optique en projet. Pour les portraits, un peu d’aberration sphérique proche de la pleine ouverture est acceptable, par exemple, alors qu'elle serait dramatique pour une optique de paysage.

Vers la fabrication : le tolérancement

Lorsque la formule optique a été trouvée, il faut encore réussir à fabriquer l’objectif… Dans la réalité, les distances entre les lentilles peuvent varier de quelques micromètres, les rayons de courbure des optiques peuvent différer finement, les verres avoir des propriétés légèrement différentes d’un lot à l’autre.

Simuler la production

Le concepteur optique doit donc adapter sa formule aux tolérances des différents paramètres afin de minimiser le risque de produire des optiques de piètre qualité. Il y a globalement deux grands cas de figure…

→ Pour produire un système unique, on peut fabriquer une petite série et sélectionner le meilleur système. C’est ce qui est fait parfois pour des systèmes destinés au domaine spatial.
→ Pour produire en quantité industrielle, on essaye d’obtenir une production homogène. Des tests de qualité sont effectués et on peut éliminer les objectifs qui ne respectent pas les critères de performance – mais les rebuts ont un coût.

Atelier de production – Source : Sigma.

Comment prendre en compte ces contraintes de fabrication dans la création de l’optique ? La technique la plus couramment utilisée consiste à simuler plusieurs milliers d’objectifs (avec chacune une combinaison aléatoire de petits écarts au modèle théorique) et à créer des statistiques sur leurs performances. En complément, des discussions avec les différents postes de production sont souvent indispensables pour ajuster au mieux les simulations. Le concepteur optique ne reste pas dans sa tour d'ivoire, il doit discuter avec les ingénieurs mécaniques et les responsables de la production.

Prévoir l'évolution de l'objectif dans le temps

Autre application du tolérancement, la prévision de l'évolution des performances de l'optique au cours de son utilisation. La principale hypothèse testée lors du tolérancement dans ce contexte tourne autour de l'évolution des performances de l'objectif en fonction de la température.

En effet, les verres optiques changent légèrement en fonction de la température. En particulier, ils se dilatent s'ils sont exposés à des températures élevées. C'est un phénomène qui peut être problématique pour les doublets collés de lentilles (si une des lentilles se dilate plus vite que l'autre, les verres finissent par se décoller...) et il faut donc prévoir une plage de températures d'utilisation. La température a un impact sur l'ensemble de la formule optique : les espacements entre les verres peuvent varier, ainsi que les rayons de courbure des surfaces. Le tolérancement permet de simuler à quel point la température influe sur les performances optiques.

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En résumé

Il y a beaucoup à dire sur la conception des optiques. C'est un processus complexe qui peut prendre jusqu'à trois ans entre l'élaboration du cahier des charges et la production des premiers exemplaires. La compréhension des rendus visuels est un atout indéniable pour la conception sans être le seul aspect du travail. Alors, la conception optique, art ou science ? Les deux, mon capitaine !

La conception optique : art ou science ?
Timothée Cognard
Timothée Cognard

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