Pour un photographe, les gros téléobjectifs posent un vrai problème d’encombrement et de poids. En pratique, ils sont inutilisables de manière prolongée à main levée et nécessitent des trépieds adaptés. Le poids provient en grande partie des lentilles frontales massives qui sont utilisées. Heureusement, il semble que les ingénieurs de chez Canon et Nikon aient trouvé la solution au problème avec une technologie à base d’éléments optiques diffractifs. Explications…

Comprendre la technologie

Qu’est-ce que la diffraction de la lumière ?

Dans la quasi-totalité des observations de la vie de tous les jours, la lumière se comporte comme un ensemble de particules, appelées photons. Ce n’est qu’au XIXe siècle que des observations ont mis en doute cette version, au profit d’un modèle d’onde. Une des propriétés des ondes, c’est que contrairement aux particules, elles peuvent interférer entre elles de manière constructive (les taches brillantes) ou destructive (les taches sombres).

comprendre optique diffractive les technologies Canon DO Nikon PFInterférence entre deux ondes – Wikimedia commons.

Comment fonctionne la technologie DO ou PF ?

Maintenant que nous savons que la lumière peut se comporter comme une onde, il nous reste à comprendre comment les éléments diffractifs peuvent être utilisés dans des objectifs photographiques. En pratique, la diffraction apparaît à chaque fois que des éléments de très petite taille (de l’ordre du micromètre) sont au contact de la lumière. L’exemple le plus courant est le réseau, et c’est cette technologie qui est d’ailleurs utilisée dans les CD/DVD (d’où les irisations colorées à leur surface qui résultent d'interférences).

La technologie DO utilise la diffraction pour focaliser la lumière à la manière d’une lentille convergente. La technologie PF repose sur le même principe physique.

À la différence des lentilles traditionnelles faites en verre, la diffraction n’introduit pas de chromatisme axial, ce qui permet de s'affranchir de quelques éléments optiques destinés à le compenser. Nous allons voir en quoi cette propriété est intéressante pour la compacité des objectifs.

Quel processus de fabrication ?

Une autre remarque théorique importante a trait à la transmission de la lumière. Dans l'exemple de l'interférence entre deux ondes, on bloque la lumière, sauf en deux petites ouvertures. En pratique, on pourrait utiliser un masque noir et transparent pour produire les interférences. Cependant, pour des objectifs, bloquer la lumière équivaut à réduire sa transmission, ce qui n'est pas acceptable.

Différence de phase entre deux ondes – Wikimedia commons. Auteur : Peppergrower.

Il se trouve qu'il est possible d'obtenir le même comportement d'interférence en utilisant la phase des ondes qui passent à travers l'optique. Si les ondes lumineuses sont en phase, alors l'interférence est constructive, sinon elle est destructive. Optiquement, il est possible de contrôler la phase d'une onde en ayant une épaisseur de matière plus ou moins importante, mais qui doit être contrôlée avec une grande précision (typiquement quelques dizaines de nanomètres au plus).

En utilisant des matériaux plastiques, il est très simple de produire de tels éléments diffractifs. Nonobstant, les optiques des objectifs photographiques étant le plus souvent en verre, Canon et Nikon ont décidé de mouler une couche de plastique par-dessus certaines lentilles.

Quelles applications pour les éléments diffractifs ?

Les téléobjectifs

400 mm f/4, 300 mm f/4, 600 mm f/4… Pourquoi autant de longues focales avec des éléments diffractifs ? Il faut revenir à la définition du téléobjectif pour mieux assimiler cette question existentielle…

Le mot “téléphoto” est souvent utilisé à tort en tant que synonyme de “longue focale”. En fait, il s’agit d’une famille de formules optiques permettant de rendre plus compactes les longues focales. Le principe repose sur deux groupes de lentilles, l’un convergent et l’autre divergent. Pour illustrer ce concept, nous vous proposons de fabriquer un 300 mm f/5,6 téléphoto rudimentaire avec deux lentilles. En pratique, la longueur physique de l’objectif est de 16 cm, soit beaucoup plus court que ce à quoi on pourrait s’attendre en utilisant une lentille simple (300 mm = 30 cm).

Schéma de principe d'un téléphoto à deux lentilles.

L’exemple ci-dessus donnerait de très mauvais résultats à cause notamment d’un chromatisme axial très prononcé dû à la première lentille. L'amélioration des verres optiques (verres au fluor avec faible dispersion) a permis de réduire l'ampleur de ce chromatisme, mais ce n'est pas suffisant. Classiquement, pour éliminer ce souci, il faut donc modifier le groupe frontal – ajouter une lentille – pour former un doublet achromatique, ce qui a pour conséquence d’allonger l’objectif… Nous passons ici à une longueur de 24 cm.

Schéma de principe d'un téléphoto avec doublet.

Autre conséquence de cette modification, la taille des lentilles augmente. Nous avons volontairement conservé le même diamètre dans nos deux exemples pour mettre le problème en évidence. Plus le diamètre augmente et plus le poids de l'objectif croît.

Pour notre téléobjectif, les éléments diffractifs permettent de corriger le chromatisme axial tout en conservant le premier design. Ainsi, en pratique, le Canon 400 mm f/4 est passé de 320 mm de longueur sans élément diffractif à 230 mm avec. Mais aussi, le poids a été fortement réduit.

Les zooms

Il est possible de concevoir des zooms de type téléphoto (70-200 mm, 200-400 mm…) utilisant des éléments diffractifs. Un des problèmes pratiques qui se pose, c'est que pour être utilisable sur toute la plage de zoom, l’élément diffractif doit être constitué de trois réseaux successifs au lieu de deux pour une focale fixe. Canon a lancé en 2004 un 70-300 mm f/4.5-5.6 compact utilisant cette technologie.

Les limites de la technologie

La technologie à éléments de diffraction n’est pas applicable pour toutes les formules optiques. En particulier, il est à peu près certain qu’elle soit optiquement mauvaise sur des objectifs grands-angles à cause de l’angle très important des rayons optiques. Il faut d’ailleurs signaler que cette technologie n’a d’intérêt pour le consommateur que dans le cas des téléobjectifs. Pour les courtes focales, les lentilles internes sont de petite dimension et on peut facilement corriger le chromatisme axial sans affecter beaucoup le poids et la taille de l’objectif.

Certains utilisateurs ont noté un faible contraste sur le 400 mm f/4 DO Canon, apparemment corrigé sur la version II. Le problème d'une sensibilité accrue au flare a également été mentionné par Nikon sur le 300 mm f/4 à cause des réflexions internes générées par le double réseau de diffraction.

Timothée Cognard
Timothée Cognard

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