Photographie/Optique/Traitements anti-reflets
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Bibliographie
■ préface - SOMMAIRE COMPLET ■ notions fondamentales et conseils pour les débutants ■ aspects esthétiques, thèmes photographiques ■ références scientifiques ■ photométrie, colorimétrie, optique ■ appareils, objectifs, éclairage, accessoires, entretien ■ procédés chimiques ■ procédés numériques ■ caractéristiques physiques des images, densité, netteté ■ compléments techniques et pratiques ■ photographie et vie sociale, histoire, enseignement,institutions, droit... | |||||
Le problème à résoudre
modifierLorsqu'elle traverse les surfaces polies qui limitent les divers milieux transparents qui constituent les systèmes optiques, la lumière subit toujours des pertes. Une partie non négligeable est en effet réfléchie, ce qui présente deux inconvénients notables :
- d'une part, le flux lumineux s'affaiblit au fur et à mesure de la traversée des dioptres successifs, ce qui assombrit les images,
- d'autre part, les multiples réflexions qui se produisent sur les divers dioptres peuvent former des images parasites qui se superposent aux images utiles ; plus généralement, elles conduisent à dégrader ces images en leur ajoutant un éclairement indésirable particulièrement visible dans les parties qui devraient rester sombres. Les anglo-saxons appellent « flare » cet éclairement parasite
Remarquons toutefois que la réflexion sur la première lentille n'engendre pas d'image parasite ni de flare puisque la lumière renvoyée ne revient pas dans le système optique. Il n'en va évidemment pas de même pour les réflexions qui se produisent sur les dioptres suivants.
Sur une surface air-verre courante, les pertes peuvent atteindre de 6 à 10 % selon les conditions opératoires. Ces réflexions indésirables ont pendant longtemps bridé l'imagination des opticiens. Les objectifs anciens comportant plus de 4 ou 5 lentilles sont rares car au-delà, la baisse de transmission globale et les éclairements parasites deviennent prohibitifs. Afin de rendre les dioptres plus transparents, on pratique aujourd'hui des traitements de surfaces particuliers, dits traitements anti-reflets, grâce auxquels les réflexions parasites ne concernent plus qu'un très faible pourcentage de la lumière incidente. Grâce à ces traitements, on peut désormais réaliser des systèmes optiques comportant jusqu'à 15 ou 20 lentilles, comme c'est le cas pour la quasi totalité des objectifs à focale variable actuels. Les lentilles qui constituent les lunettes et autres jumelles d'observation, les microscopes et endoscopes, et d'une manière générale presque tous les systèmes optiques modernes, possèdent des surfaces traitées. Les verres correcteurs des lunettes de vue sont eux-aussi le plus souvent traités, ce qui facilite entre autres la conduite de nuit.
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Lunettes correctrices sans traitement (en haut) et avec traitement (en bas) -
Objectif muni d'un filtre anti-UV non traité anti-reflets
Supposons qu'en l'absence de traitement, chaque face d'un verre de lunettes réfléchisse 7 % de la lumière et transmette donc 93 % de ce qu'elle reçoit. Comme il y a un dioptre d'entrée et un dioptre de sortie, la réflexion se produit deux fois et il reste finalement 0,93 x 0,93 = 0,865 % de la lumière. Les porteurs de lunettes non traitées perdent donc 13,5 % de luminosité, ce qui n'est pas dramatique, et subissent quelques images fantômes car les rayons renvoyés par la face de sortie se réfléchissent à nouveau sur la face d'entrée et reviennent donc en grande partie vers l'œil. Les choses se compliquent très vite lorsque le nombre des surfaces de séparation est plus important. Dans le cas d'un objectif qui comporterait 5 lentilles non collées, les dix dioptres traversés l'un après l'autre ne laissent finalement passer que 0,9310 = 48 % de la lumière incidente. La perte de luminosité est considérable et correspond à la fermeture du diaphragme d'un cran. Il y a donc une ouverture « géométrique » et une ouverture « photométrique ».
Utilisation des phénomènes d'interférence
modifierLe principe des traitements anti-reflets consiste à recouvrir les dioptres de couches transparentes minces dont l'épaisseur est soigneusement déterminée. Lorsque la lumière traverse un dioptre ainsi traité, il se produite deux réflexions : une première lors du passage de l'air à la couche anti-reflets (si la lentille est située dans l'air), puis une deuxième réflexion lors du passage de la couche anti-reflets au verre. C'est le fait de créer deux réflexions au lieu d'une qui va permettre d'obtenir l'effet recherché.
Il ne faut pas perdre de vue que l'on considère ici la lumière sous sa forme ondulatoire. Les deux ondes réfléchies produites grâce au traitement vont se combiner de diverses façon. On dit qu'elles vont interférer. Si elles sont en phase, on obtient une interférence « constructive », leurs effets s'ajoutent et la réflexion est maximale. Si elles sont en opposition de phase, leurs effets se soustraient et dans le cas idéal on obtient une interférence « destructive » telle que toute vibration est supprimée, la réflexion est annulée. De ce fait, la lumière qui ne peut pas être réfléchie sur le dioptre est transmise quasi intégralement par celui-ci.
>>>> ou >>>> 
Pour qu'une interférence destructive soit parfaite, deux conditions doivent être réalisées. Il faut d'une part que les deux ondes aient exactement la même amplitude et d'autre part qu'elles soient en exacte opposition de phase.
- même amplitude :
La réflexion sur un dioptre dépend directement de la différence des indices de réfraction des deux milieux ; dans le cas d'une incidence normale, le coefficient de réflexion sur une surface de séparation air-verre vaut , où est l'indice du verre. On montre facilement que la couche anti-reflets doit posséder un indice égal à la racine carrée de . Par exemple, avec un verre d'indice 1,69, il faut une couche d'indice 1,3 pour réaliser l'égalité des amplitudes.
- opposition de phase :
La lumière réfléchie sur le second dioptre doit être décalée d'une demi-longueur d'onde par rapport à celle que renvoie le premier. Il faut donc que l'épaisseur du revêtement corresponde à , puisque la couche est traversée deux fois par la seconde onde réfléchie.
En incidence normale, la correction fournie par le traitement n'est donc en principe valable que pour une seule longueur d'onde. Si l'incidence de la lumière n'est pas normale au dioptre, le chemin optique se trouve allongé et la correction fonctionne encore mais pour une longueur d'onde un peu plus grande, donc pour un rayonnement décalé vers le rouge. En pratique, l'amélioration concerne presque tout le spectre visible mais le fait d'avoir une ou plusieurs surfaces traitées ne résout pas tous les problèmes de réflexion car il n'est pas possible avec une seule épaisseur de traitement d'obtenir une interférence parfaitement destructive pour toutes les longueurs d'onde et pour tous les angles d'incidence. Il faut donc savoir en fonction de quelle longueur d'onde, c'est-à-dire en fonction de quelle couleur, cette épaisseur sera choisie.
Les lentilles qui portent un traitement monocouche ont donc forcément un aspect coloré. La plupart du temps elles semblent bleutées, ce qui signifie que l'on a privilégié l'absence de réflexion de la couleur complémentaire, c'est-à-dire le jaune, qui du coup sera davantage transmis. Si l'on privilégie la transmission du vert, alors la lentille concernée réfléchit davantage de rouge et de bleu, ce qui lui donne un aspect plus ou moins pourpré. Dans la mesure où la lumière qui n'est pas réfléchie est mieux transmise, le traitement peut également servir à corriger quelque peu d'éventuelles dominantes colorées. Si par exemple le verre utilisé est légèrement teinté de jaune dans la masse, un traitement évitant la réflexion du bleu permettra de mieux transmettre cette couleur et donc d'atténuer le défaut de neutralité du verre ; les lentilles prendront alors un aspect plus ou moins jaune ou mordoré, selon l'angle d'observation.
Problèmes pratiques et économiques
modifierLes problèmes de réflexions parasites se posent surtout lorsque la lumière traverse les dioptres air-verre, beaucoup moins lorsqu'elle franchit la séparation de deux lentilles collées, car alors les différences d'indices de réfraction sont généralement beaucoup moins fortes. Dans les systèmes optiques entièrement traités, toutes les interfaces air-verre sont revêtues. Malgré tout, beaucoup de systèmes optiques ne sont que partiellement traités. Dans les jumelles par exemple, les lentilles sont presque toujours toutes traitées mais il n'en va pas de même pour les prismes. Les fabricants peuvent parler d'optiques traitées à partir du moment où une seule surface est traitée mais dans ce cas la qualité n'a rien à voir avec celle des optiques intégralement traitées, dont le coût de revient est tout autre.
Les traitements à simple couche n'opérant que pour une seule longueur d'onde, les opticiens ont été amenés à concevoir et à réaliser des traitements multicouches évitant la réflexion de deux ou plusieurs longueurs d'onde différentes. Les lentilles apparaissent alors beaucoup moins teintées que dans le cas d'un traitement monocouche, l'idéal théorique étant qu'elles ne soient pas teintées du tout. Souvent, ces lentilles présentent sous certains angles des reflets à dominante verte, ce qui signifie que le traitement multicouche a été optimisé pour assurer la transmission du bleu et du rouge et donc éviter la réflexion de ces deux couleurs. Compte tenu du coût de ces traitements, il est fréquent que tous les éléments optiques ne soient pas traités ainsi. En regardant à travers les lentilles de certains objectifs, on peut voir par exemple que certaines surfaces présentent des reflets verts tandis que pour d'autres, ces reflets sont plutôt pourpres ; il est probable que les premières portent un traitement multicouches et les secondes un traitement monocouche.
Certains instruments optiques, en particulier des lunettes ou des jumelles, comportent des surfaces spécialement traitées pour favoriser ou pour diminuer la transmission de certaines couleurs ; les objets observés à travers ces systèmes apparaissent alors avec des couleurs modifiées. Le but de tels instruments est de faciliter la détection d'objets ou de personnes camouflés sur fond de sable ou de feuillage, par exemple, ou encore d'améliorer l'observation de certains animaux dans le biotope où ils se sont cachés. On trouve ainsi des jumelles et des lunettes dont les lentilles ont un aspect rouge vif qui les rend assez peu discrètes, du moins pour nos yeux d'humains, car beaucoup d'animaux ne perçoivent pas le rouge. Ces instruments sont évidemment déconseillés dans tous les cas où le respect aussi rigoureux que possible des vraies couleurs des objets est essentiel, par exemple en astronomie.
Les surfaces d'entrée et de sortie des instruments d'optique et des objectifs, ainsi que des lunettes de vue traitées, posent un problème particulier car de bonnes caractéristiques optiques ne suffisent pas. Ces surfaces étant exposées à des contacts ou à des frottements avec des éléments extérieurs, en particulier lors de nettoyages plus ou moins adroits, elles doivent porter des revêtements dont la couche extérieure est aussi dure que possible et résistante à l'abrasion. Il va de soi que cette couche doit en outre résister à divers produits tels que l'eau, l'alcool, etc.
Réalisations pratiques
modifierTraitement « Subwavelength Structure Coating » (SWC) de Canon
modifierCanon a annoncé le 17 septembre 2007 l'utilisation d'un nouveau traitement anti-reflets qui réduit encore les images parasites et le « flare » provoqués par les réflexions de la lumière sur les surfaces des lentilles. Ce traitement doit être utilisé en priorité pour les objectifs grand-angulaires de fort diamètre destinés aux appareils reflex EOS.
Les réflexions sont d'autant plus importantes que la différence des indices des matériaux constituant les dioptres est plus élevée. La protection classique monocouche, qui repose sur les phénomènes d'interférences, tombe en défaut lorsque l'angle d'incidence des rayons est élevé, et selon Canon, elle peut même dans certains cas augmenter la production des images-fantômes.
Canon utilise des couches minces dans lesquelles l'indice de réfraction varie de façon continue, ce qui est particulièrement efficace pour éviter les grands écarts d'indice et donc diminuer fortement les réflexions indésirables, en particulier pour les grands angles d'incidence. Ce traitement se révèle particulièrement efficace pour les lentilles à forte courbure telles que celles que l'on trouve dans les objectifs grand angulaires. Il est prévu de le généraliser progressivement à l'ensemble de la gamme optique.
Images en réserve
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