Repousser les limites de la conception d'objectif : comment les ingénieurs Canon réinventent les objectifs ultra grand-angle

Lorsque Tatsuro Watanabe a rejoint Canon, il a annoncé son intention de créer l'« objectif parfait ». Avec le recul, il est un peu embarrassé par ce commentaire datant de ses premiers pas pleins d'ambition dans l'entreprise, mais dans la confidence, il admet que le RF 14mm F1.4L VCM pourrait bien mériter ce titre.

Cet objectif à focale fixe ultra grand-angle novateur est une prouesse d'ingénierie optique et mécanique. Un tel objectif aurait été impossible à concevoir pour un reflex : il est ultra grand-angle, ultra rapide et, compte tenu de ses spécifications avancées, remarquablement compact.

Selon Tatsuro, qui a supervisé la conception optique du RF 14mm F1.4L VCM, en optant pour des conceptions d'appareils photo hybrides, Canon a rendu possible le développement d'objectifs plus petits et plus légers que jamais. « Nous proposions auparavant l'EF 14mm f/2.8L II USM pour les reflex EOS. Comparé à ce modèle, le RF 14mm F1.4L VCM est encore plus léger, avec une ouverture maximale plus lumineuse de deux diaphragmes.

Nous avons développé cet objectif en mettant l'accent sur son utilisation potentielle dans la photographie de ciel étoilé. Dans ce domaine, vous avez nécessairement besoin d'un objectif ultra grand-angle lumineux avec une distance focale d'environ 14 mm afin de capturer efficacement à la fois le ciel étoilé et les sujets terrestres dans une seule photo de paysage. Cela permet d'obtenir le temps d'exposition le plus court possible, et ainsi des étoiles en points lumineux nets et distincts. »

Au vu de sa passion de longue date pour l'astronomie, rien d'étonnant à ce que Tatsuro se soit lancé dans la création du meilleur objectif pour l'astrophotographie. Non seulement il a étudié cette matière à l'université, où il s'est porté volontaire pour élaborer un télescope de 50 cm d'ouverture pendant ses vacances d'été, mais il a également développé des équipements pour le télescope Subaru de 8,2 mètres, exploité par l'Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) à Hawaï.

Avec le RF 14mm F1.4L VCM, Tatsuro a toutefois dû concentrer ses efforts sur des optiques plus compactes. Il explique que le secret pour rendre cet objectif exceptionnel aussi petit réside dans la monture RF de Canon. « Les conceptions optiques des objectifs RF pour le système EOS R ont une monture de grand diamètre et une courte distance de tirage arrière, ce qui permet de placer les éléments d'objectif à grande ouverture plus près du plan d'image que les objectifs EF classiques. »

En plaçant plus près du capteur les plus grands éléments arrière, la conception permet de réduire la courbure des rayons lumineux, afin de maintenir la qualité de l'image sur l'ensemble du cadre, même à grande ouverture. Ce facteur est particulièrement important compte tenu des exigences spécifiques de l'astrophotographie.

« Pour prendre des photos astronomiques, il est essentiel de disposer de performances optiques haut de gamme », note Tatsuro. « Les étoiles sont des infimes points lumineux dispersés dans le ciel. Les objectifs grand-angle à courte focale présentent souvent des types d'aberration qui provoquent une distorsion de l'image sur les bords. Pour capturer les étoiles avec netteté et précision, la conception de l'objectif doit améliorer la qualité de l'image dans les zones périphériques. »

C'est un domaine dans lequel le RF 14mm F1.4L VCM excelle, offrant des performances hors du commun d'un coin à l'autre. « Le RF 14mm F1.4L VCM dispose d'une configuration d'objectif riche comprenant des éléments asphériques GMo, de la fluorite pour la correction de l'aberration chromatique, des lentilles UD et des éléments optiques BR, ainsi que des techniques de revêtement avancées », explique Tatsuro. « Il s'agit d'un objectif particulièrement unique, qui bénéficie des puissantes technologies optiques de Canon. »

L'objectif RF 14mm F1.4L VCM capture les étoiles avec une netteté remarquable, même sur les bords du cadre, grâce à ses trois éléments asphériques GMo qui jouent un rôle essentiel. Ces éléments spécialisés réduisent les reflets de coma sagittale, un effet qui peut donner aux étoiles et autres sources lumineuses ponctuelles une apparence étirée ou en forme de comète vers les coins. Ce phénomène est particulièrement prononcé lors de l'utilisation d'objectifs grand-angle à pleine ouverture, précisément la combinaison que recherchent souvent les astrophotographes. Toutefois, l'équipe de conception de Canon a veillé à ce que l'objectif produise des étoiles d'une netteté exceptionnelle sur l'ensemble de l'image, même à f/1,4.

« Deux de ces éléments sont situés à l'avant de l'objectif, et le troisième dans le groupe de mise au point arrière », explique Tatsuro. « L'élément asphérique GMo le plus en avant a un grand diamètre, ce qui rend sa fabrication complexe. En collaborant étroitement avec nos sites de production, nous avons résolu un à un tous les défis liés à la fabrication. »

L'équipe a également intégré à l'appareil une lentille UD et des éléments optiques BR afin de réduire davantage l'aberration chromatique. L'élément optique BR (diffractive du spectre bleu) est moulé en résine, explique Tatsuro, puis inséré entre des éléments convexes et concaves et positionné près du centre de l'objectif, juste derrière les lamelles d'ouverture. « Cet élément réfracte considérablement les longueurs d'onde plus courtes dans la gamme bleue », indique-t-il. « Ainsi, il minimise l'aberration chromatique provenant de sources lumineuses ponctuelles près du centre de l'image. »

Les revêtements Subwavelength Structure Coating (SWC) et Air Sphere Coating (ASC) ont également été appliqués sur certaines surfaces afin de réduire les reflets et les images fantômes.

« Les objectifs ultra grand-angle sont souvent dotés d'un élément frontal large et proéminent qui laisse entrer la lumière sous différents angles », poursuit Tatsuro. « Dans certains cas, les pare-soleil intégrés et les revêtements standard des objectifs peuvent ne pas empêcher complètement les reflets et les images fantômes.

« Le revêtement SWC est une technologie particulièrement avancée, conçue pour réduire considérablement les reflets de la lumière entrant dans l'objectif à des angles obliques. Ce revêtement spécial forme des structures à l'échelle du nanomètre à la surface de l'objectif, afin de créer une puissante couche antireflet. »

Quant au revêtement ASC, il est particulièrement efficace pour contrer les reflets de la lumière qui pénètre à un angle proche de la verticale. « Le revêtement ASC forme un film contenant du dioxyde de silicium et de l'air à la surface de l'objectif. Lorsque de l'air, qui possède un indice de réfraction inférieur à celui du verre optique, est introduit selon un ratio spécifique, cela crée un revêtement à indice de réfraction ultra-faible. »

Ce n'est pas seulement par sa conception optique que le RF 14mm F1.4L VCM innove. L'un des principaux objectifs de l'équipe était de rendre cet objectif à focale fixe haute performance aussi portable que possible.

« En utilisant un moteur de mise au point VCM (Voice Coil Motor), commun à tous les objectifs hybrides à focale fixe RF F1.4L, la taille et le poids de ces objectifs sont considérablement réduits », explique Naoki Saito, responsable de la conception électrique du RF 14mm F1.4L VCM.

« Auparavant, la seule option pour actionner un groupe d'éléments lourds comme ceux utilisés dans cet objectif était un moteur USM annulaire. Comme le diamètre d'un moteur annulaire détermine le diamètre minimum de l'objectif lui-même, il est extrêmement difficile de concevoir un objectif plus compact basé sur cette technologie moteur. »

D'un point de vue mécanique, un moteur USM annulaire nécessite également une structure de support plus importante, ajoute Nobuyuki Nagaoka, qui a dirigé la conception mécanique du RF 14mm F1.4L VCM. « Si cela ne pose pas de problème pour les grands téléobjectifs, cela devient un obstacle majeur lorsqu'on cherche à réduire la taille des objectifs à courte focale. À l'inverse, un moteur VCM offre une plus grande liberté de conception en réduisant la taille et le poids de l'unité tout en offrant la poussée nécessaire pour contrôler les groupes de lentilles focales. »

Malgré l'utilisation d'un VCM compact, le faible espace disponible pour les composants structurels internes (la structure principale) a constitué un autre défi, explique Nobuyuki. « La partie la plus difficile de la conception mécanique a été de garantir que la structure soit suffisamment solide, tout en pouvant accueillir les moteurs et les circuits imprimés flexibles », poursuit-il.

C'est pour cette raison que Canon a conçu le RF 14mm F1.4L VCM pour privilégier la qualité d'image, avec une correction électronique de la distorsion par l'appareil photo.

Les corrections d'objectif intégrées à l'appareil photo des derniers systèmes EOS R sont rapides et très efficaces, ce qui permet aux concepteurs d'objectifs Canon de se concentrer sur l'optimisation des performances et de la portabilité des objectifs.

« Nous avons ainsi atteint des performances optiques équivalentes à celles des objectifs qui éliminent la distorsion de manière optique, tout en réduisant la taille et le poids de l'objectif », ajoute Tatsuro. « Cette conception d'objectif est uniquement possible parce que Canon fabrique ses propres objectifs, et peut les développer de sorte qu'ils fonctionnent en tandem avec l'appareil photo. »

En plus d'offrir des performances exceptionnelles pour la photographie professionnelle, le RF 14mm F1.4L VCM est un objectif hybride innovant conçu pour la capture vidéo. Il est équipé d'une bague de diaphragme dédiée pour un réglage fluide et silencieux de l'ouverture pendant le tournage, par exemple, et d'une ouverture circulaire à 11 lamelles permettant d'obtenir un bokeh et des reflets cinématographiques.

Les concepteurs de l'objectif se sont également efforcés de minimiser le focus breathing afin de supprimer les décalages parasites dans le champ de vision lorsque l'objectif effectue la mise au point. Pour y parvenir, ils ont utilisé une disposition optique différente de celle des autres objectifs hybrides à focale fixe RF, en ajoutant un élément supplémentaire au groupe focal et en incorporant une lentille concave asphérique GMo.

« Compte tenu des caractéristiques de la conception d'objectif, il faut souvent trouver un compromis entre l'amélioration des performances optiques et la suppression du focus breathing », explique Tatsuro. « Cependant, en configurant soigneusement la conception d'objectif de ce modèle, nous avons réussi à atteindre à la fois une qualité d'image élevée et une réduction de cette variation. »

Ajouter davantage d'éléments optiques au groupe focal augmente inévitablement le poids, mais, comme le souligne Naoki, c'est là que les compétences des ingénieurs électroniques et mécaniques de Canon entrent en jeu.

« Les VCM sont des moteurs qui fournissent une poussée élevée sans pour autant générer beaucoup de bruit ou de vibrations, mais leur fonctionnement nécessite une grande ingéniosité », précise-t-il. « Par exemple, déplacer des groupes d'éléments lourds à grande vitesse et les arrêter brusquement tout en supprimant les vibrations nécessite un réglage minutieux et précis. Lors de l'enregistrement vidéo, un contrôle précis est essentiel pour limiter au maximum le bruit du moteur. Canon a réussi à surmonter ces défis en concevant des algorithmes de contrôle et en mettant au point les structures mécaniques qui les rendent possibles. »

Le RF 14mm F1.4L VCM témoigne des efforts, du savoir-faire et de l'expérience des ingénieurs d'objectifs de Canon. Il offre une qualité d'image exceptionnelle dans un format étonnamment léger (la qualité l'emporte sur la quantité) et repousse les limites des objectifs ultra grand-angle à grande ouverture.

« Cet objectif a été méticuleusement conçu pour offrir un équilibre idéal entre différents facteurs, notamment les performances optiques, avec une attention particulière accordée à la capture des paysages étoilés », raconte Tatsuro. « Nous avons cherché à minimiser les différents types d'aberrations qui affectent la qualité de l'image, et le résultat est un objectif qui offre des images nettes et précises jusqu'aux bords du cadre.

« Notre objectif est de développer des objectifs qui permettent aux photographes d'explorer de nouveaux domaines d'expression jusqu'alors inaccessibles », ajoute-t-il. « Nous cherchons à élargir l'éventail des possibilités de prise de vue en utilisant les dernières technologies pour créer des objectifs plus petits et plus légers, capables de fournir des performances exceptionnelles sans le poids et l'encombrement qui pourraient dissuader les utilisateurs de les transporter. Nous sommes convaincus que le RF 14mm F1.4L VCM répondra à ces exigences. »