Le nombre de lentilles est un facteur déterminant des performances d'imagerie des systèmes optiques et joue un rôle central dans leur conception globale. Avec les progrès des technologies d'imagerie modernes, les exigences des utilisateurs en matière de netteté, de fidélité des couleurs et de reproduction des détails fins se sont intensifiées, nécessitant un contrôle accru de la propagation de la lumière dans des dispositifs toujours plus compacts. Dans ce contexte, le nombre de lentilles apparaît comme l'un des paramètres les plus influents sur les capacités d'un système optique.
Chaque lentille supplémentaire introduit un degré de liberté supplémentaire, permettant une manipulation précise des trajectoires de la lumière et de la mise au point tout au long du trajet optique. Cette flexibilité de conception accrue facilite non seulement l'optimisation du trajet optique principal, mais permet également la correction ciblée de multiples aberrations optiques. Parmi les principales aberrations, on peut citer l'aberration sphérique (qui survient lorsque les rayons marginaux et paraxiaux ne convergent pas en un point focal commun), l'aberration de coma (qui se manifeste par un flou asymétrique des sources ponctuelles, en particulier vers la périphérie de l'image), l'astigmatisme (qui entraîne des différences de mise au point selon l'orientation), la courbure de champ (où le plan image se courbe, ce qui conduit à des zones centrales nettes et des bords flous) et la distorsion géométrique (qui apparaît comme une déformation de l'image en forme de barillet ou de coussin).
De plus, les aberrations chromatiques, axiales et latérales, induites par la dispersion des matériaux, altèrent la fidélité des couleurs et le contraste. L'ajout de lentilles, notamment par des combinaisons stratégiques de lentilles convergentes et divergentes, permet de corriger ces aberrations et d'améliorer ainsi l'uniformité de l'image sur l'ensemble du champ de vision.
L'évolution rapide de l'imagerie haute résolution a encore accentué l'importance de la complexité des objectifs. En photographie sur smartphone, par exemple, les modèles haut de gamme intègrent désormais des capteurs CMOS de plus de 50 millions de pixels, certains atteignant même 200 millions, tandis que la taille des pixels ne cesse de diminuer. Ces avancées imposent des exigences strictes quant à la cohérence angulaire et spatiale de la lumière incidente. Pour exploiter pleinement le pouvoir de résolution de ces matrices de capteurs haute densité, les objectifs doivent atteindre des valeurs de fonction de transfert de modulation (MTF) plus élevées sur une large gamme de fréquences spatiales, garantissant ainsi un rendu précis des textures fines. Par conséquent, les conceptions classiques à trois ou cinq éléments ne suffisent plus, ce qui a conduit à l'adoption de configurations multi-éléments avancées telles que les architectures 7P, 8P et 9P. Ces conceptions permettent un contrôle supérieur des angles d'incidence obliques, favorisant une incidence quasi normale sur la surface du capteur et minimisant la diaphonie des microlentilles. De plus, l'intégration de surfaces asphériques améliore la précision de la correction de l'aberration sphérique et de la distorsion, améliorant considérablement la netteté d'un bord à l'autre et la qualité globale de l'image.
Dans les systèmes d'imagerie professionnels, l'exigence d'excellence optique impose des solutions toujours plus complexes. Les objectifs à focale fixe de grande ouverture (par exemple, f/1.2 ou f/0.95) utilisés dans les reflex numériques et les appareils photo hybrides haut de gamme sont intrinsèquement sujets à d'importantes aberrations sphériques et à la coma en raison de leur faible profondeur de champ et de leur forte transmission lumineuse. Pour contrer ces effets, les fabricants utilisent couramment des empilements de lentilles comprenant 10 à 14 éléments, tirant parti de matériaux avancés et d'une ingénierie de précision. Le verre à faible dispersion (par exemple, ED, SD) est stratégiquement utilisé pour supprimer la dispersion chromatique et éliminer les franges colorées. Les éléments asphériques remplacent plusieurs composants sphériques, permettant une correction supérieure des aberrations tout en réduisant le poids et le nombre d'éléments. Certaines conceptions hautes performances intègrent des éléments optiques diffractifs (DOE) ou des lentilles en fluorite pour supprimer davantage l'aberration chromatique sans augmenter significativement la masse. Dans les objectifs zoom ultra-téléobjectifs, tels que les 400 mm f/4 ou 600 mm f/4, l'ensemble optique peut comporter plus de 20 éléments individuels, associés à des mécanismes de mise au point flottante pour maintenir une qualité d'image constante de la mise au point rapprochée à l'infini.
Malgré ces avantages, l'augmentation du nombre de lentilles engendre des compromis techniques importants. Premièrement, chaque interface air-verre contribue à une perte de réflectance d'environ 4 %. Même avec des traitements antireflets de pointe – notamment les traitements nanostructurés (ASC), les structures sub-longueur d'onde (SWC) et les traitements multicouches à large bande – les pertes de transmittance cumulatives demeurent inévitables. Un nombre excessif de lentilles peut dégrader la transmission lumineuse totale, réduisant le rapport signal/bruit et augmentant la sensibilité aux reflets parasites, au voile et à la réduction du contraste, en particulier en faible luminosité. Deuxièmement, les tolérances de fabrication deviennent de plus en plus exigeantes : la position axiale, l'inclinaison et l'espacement de chaque lentille doivent être maintenus avec une précision micrométrique. Les écarts peuvent induire une dégradation des aberrations hors axe ou un flou localisé, complexifiant la production et réduisant les rendements.
De plus, un nombre plus élevé de lentilles augmente généralement le volume et la masse du système, ce qui est incompatible avec l'impératif de miniaturisation en électronique grand public. Dans les applications à espace restreint telles que les smartphones, les caméras d'action et les systèmes d'imagerie embarqués sur drones, l'intégration d'optiques hautes performances dans des formats compacts représente un défi de conception majeur. Par ailleurs, les composants mécaniques tels que les actionneurs d'autofocus et les modules de stabilisation optique de l'image (OIS) nécessitent un dégagement suffisant pour le mouvement des groupes de lentilles. Des empilements optiques trop complexes ou mal agencés peuvent limiter la course et la réactivité des actionneurs, compromettant ainsi la vitesse de mise au point et l'efficacité de la stabilisation.
Par conséquent, en conception optique pratique, le choix du nombre optimal de lentilles exige une analyse approfondie des compromis techniques. Les concepteurs doivent concilier les limites théoriques de performance avec les contraintes réelles, notamment l'application visée, les conditions environnementales, le coût de production et la différenciation du marché. Par exemple, les objectifs des appareils photo mobiles grand public adoptent généralement des configurations 6P ou 7P pour un équilibre optimal entre performance et rapport coût-efficacité, tandis que les objectifs de cinéma professionnels privilégient souvent une qualité d'image maximale au détriment de la taille et du poids. Parallèlement, les progrès des logiciels de conception optique, tels que Zemax et Code V, permettent une optimisation multivariable sophistiquée. Grâce à des profils de courbure affinés, une sélection précise de l'indice de réfraction et une optimisation du coefficient asphérique, les ingénieurs peuvent atteindre des niveaux de performance comparables à ceux de systèmes plus grands avec un nombre réduit de lentilles.
En conclusion, le nombre de lentilles n'est pas qu'une simple mesure de la complexité optique ; c'est une variable fondamentale qui définit la limite supérieure des performances d'imagerie. Cependant, une conception optique de qualité supérieure ne s'obtient pas par la seule augmentation numérique de ce nombre, mais par la construction délibérée d'une architecture équilibrée, fondée sur les principes physiques, qui harmonise la correction des aberrations, l'efficacité de transmission, la compacité structurelle et la facilité de fabrication. À l'avenir, les innovations dans les nouveaux matériaux – tels que les polymères à indice de réfraction élevé et à faible dispersion et les métamatériaux –, les techniques de fabrication avancées – notamment le moulage à l'échelle de la plaquette et le traitement de surfaces libres – et l'imagerie computationnelle – grâce à la conception conjointe de l'optique et des algorithmes – devraient redéfinir le paradigme du nombre « optimal » de lentilles, permettant ainsi le développement de systèmes d'imagerie de nouvelle génération caractérisés par des performances accrues, une intelligence supérieure et une meilleure évolutivité.
Date de publication : 16 décembre 2025