Gros plan sur la conception d’un module de caméra compact à l’aide de la simulation

De nos jours, même si la plupart d’entre nous ne sont pas des célébrités, nous passons plus que jamais devant la caméra. Smartphones, ordinateurs et autres dispositifs équipés de modules de caméra compacts (CCM) sont difficilement évitables — que nous soyons prêts ou non pour un gros plan! Avec l’essor des produits équipés de CCM, ces dispositifs optiques petits mais puissants doivent aussi s’améliorer. Pour s’assurer que les CCM produisent des images claires et nettes tout en maîtrisant les coûts et les contraintes d’intégration, les équipes d’ingénierie peuvent s’appuyer sur des simulations de lancer de rayons optiques pour analyser leurs performances.

Facteurs permettant de déterminer la performance des appareils photo (et des CCM)

Aussi avancés soient-ils, les modules de caméra compacts partagent des caractéristiques clés avec les appareils photo traditionnels et les autres systèmes optiques. Un système optique est défini par la forme de sa géométrie — la position, l’orientation, l’épaisseur et la courbure des lentilles, miroirs, ouvertures, prismes, entre autres — et par les matériaux utilisés dans sa construction. Pour analyser un système optique, les concepteurs cherchent à quantifier les déviations par rapport à un système idéal, appelées aberrations. Pour comprendre les différents défis posés par la conception des CCM, regardons de plus près certains de ces facteurs.

Aberration sphérique

La vitesse de la lumière dépend du milieu qu’elle traverse: verre, plastique, eau ou air par exemple. Si le milieu a des propriétés uniformes, la lumière s’y propage en lignes droites. Lorsque la lumière rencontre une surface à l’interface entre plusieurs matériaux, sa direction change. La redirection du parcours de la lumière s’appelle la réfraction, et lorsqu’une lentille réfracte la lumière, cela peut donner lieu à une distorsion de l’image résultante. Lorsque la surface d’une lentille est incurvée de façon uniforme, comme une section de sphère, cette distorsion est appelée aberration sphérique.

Des rayons lumineux traversant le bord d’une lentille sphérique sont dirigés vers des points focaux différents de celui de la lumière traversant cette lentille en son centre. Pour contrer cette aberration sphérique, les lentilles peuvent être rendues asphériques et/ou être combinées avec d’autres lentilles pour rediriger la lumière vers le point souhaité sur le plan de l’image.

L’aberration sphérique se produit parce que la lumière traversant le bord d’une lentille sphérique a un point focal différent de la lumière traversant la lentille en son centre. Cela cause un effet de flou sur l’image résultante. Pour contrer cet effet, la courbure de la surface d’une lentille peut être modifiée de façon à rediriger la lumière et à maintenir un focus clair. Le profil de courbure de ce type de lentille n’étant plus sphérique, on l’appelle lentille asphérique. Une autre méthode pour réduire l’aberration sphérique consiste à utiliser plusieurs lentilles pour obtenir le grossissement souhaité. Les appareils photo s’appuient souvent sur plusieurs éléments pour obtenir l’image la plus claire possible tout en satisfaisant les contraintes de taille du dispositif.

Rapport focal

Quel que soit le système optique, le rapport entre la distance focale f et le diamètre de l’objectif D est le rapport focal, communément appelé ouverture, ou nombre f en photographie. (Ces concepts sont illustrés ci-dessous.) Le nombre f a une influence directe sur la profondeur de champ d’une image. Un nombre f plus faible, indiquant une ouverture plus grande par rapport à la distance focale, réduira la profondeur de champ. Cela signifie que même si une partie de l’image est nette, d’autres objets qui sont plus loin ou plus proches de la lentille apparaîtront flous. Si la distance focale reste la même et que l’on réduit l’ouverture, notre système capturera une image plus petite, mais globalement plus nette.

Le rapport focal est un paramètre important pour évaluer la performance d’un système optique. Sa valeur est définie par le rapport entre la distance focale f, qui est la distance entre la lentille et le foyer image, et le diamètre de l’objectif D. Image par Vargklo, dans le domaine public via Wikimedia Commons.

Les dimensions qui influencent le rapport focal sont particulièrement visibles sur les appareils utilisés pour la photographie animalière et les évènements sportifs; les objectifs utilisés ont souvent un très grand diamètre ainsi qu’une grande longueur, de façon à capturer la plus grande scène possible tout en conservant la plus grande profondeur de champ.

De l’appareil photo au CCM: une évolution de la conception optique

Même si un module de caméra compact moderne partage un grand nombre d’éléments fondamentaux avec ces ancêtres, il est aussi sujet à des contraintes de conception supplémentaires. La contrainte la plus notable est soulignée dans son nom: un module de caméra compact doit être compact. Les CCM étant souvent intégrés à des smartphones, des tablettes et autres systèmes portables, leurs assemblages d’optiques sont généralement plus petits et plus légers que ceux des appareils photo traditionnels. Le marché des produits électroniques étant sensible aux prix, les fabricants doivent également veiller à réduire autant le coût que la taille des CCM.

À gauche: schéma des pièces d’un appareil photo reflex numérique classique: 1. Assemblage de lentilles. 2. Miroir. 3. Obturateur. 4. Capteur/pellicule. 5. Verre dépoli. 6. Condensateur. 7. Pentaprisme. 8. Oculaire/Viseur. Image par Cburnett. Sous licence CC BY 3.0, via Wikimedia Commons. À droite: Assemblage de lentilles d’un module de caméra compact tel que défini par un tutoriel construit avec le module Ray Optics. Beaucoup de composants optiques d’un appareil photo reflex numérique ne sont pas inclus dans un CCM classique.

L’ensemble de ces facteurs transparaissent dans la conception et la construction des CCM, surtout si l’on compare à la conception d’un appareil photo reflex numérique (APRN). Un APRN combine généralement un assemblage de lentilles amovible avec un capteur d’image d’une taille similaire à celle d’un film de 35 mm. Il comporte également un jeu de miroirs menant au viseur monté au-dessus de l’assemblage lentilles/capteur d’image. Cela permet au photographe de voir l’image exacte capturée par l’appareil photo.

Sur un CCM, certains de ces composants voient leur taille réduite, tandis que d’autres sont totalement éliminés. Par exemple, il n’y a pas d’assemblage viseur. La taille du capteur d’image du module est inférieure à 35 mm, et les récepteurs individuels ou pixels qui couvrent la surface du capteur sont également plus petits. (C’est pourquoi comparer les valeurs données en mégapixels, généralement utilisées pour décrire les appareils photos numériques, peut induire en erreur — tous les pixels ne font pas la même taille!) L’assemblage de lentilles d’un CCM est plus petit, que ce soit en termes de diamètre ou d’épaisseur, étant donné qu’il ne peut dépasser de son boîtier comme le fait celui d’un APRN. En outre, certaines ou l’ensemble de ses lentilles sont en plastique plutôt qu’en verre, pour réduire à la fois le coût et le poids.

S’adapter aux contraintes de conception des CCM

Les contraintes de conception rendent difficile l’obtention par un CCM d’une image nette. Par exemple, sur un APRN avec un assemblage de lentilles dépassant fortement du boîtier, le rapport focal peut être réglé en ajustant la distance focale et en réduisant l’ouverture. Cependant, sur un CCM, réduire davantage l’ouverture n’est pas vraiment réalisable (étant donné qu’elle est déjà petite). Cela signifie que les rayons lumineux se courbent encore plus dans un assemblage de CCM, ce qui ajoute à la distorsion potentielle de l’image obtenue.

Comment les équipes concevant les CCM peuvent-elles tirer le meilleur parti de l’utilisation de petites lentilles en plastique, resserrées entre elles avec des possibilités d’ajustement si limitées? Comme nous l’avons décrit plus haut, la forme et le nombre de lentilles sont deux leviers pour optimiser la performance. Les courbes complexes des lentilles asphériques en verre sont généralement plus coûteuses à produire que celles avec une courbure régulière, mais ici, l’utilisation du plastique est en fait un avantage. Les lentilles en plastique peuvent être produites en grande quantité à partir d’un simple moule, évitant des procédés longs et coûteux pour former et polir les lentilles asphériques en verre.

En parallèle de ces effets positifs, les éléments optiques asphériques introduisent une plus grande complexité pour optimiser la performance du système. Dans un article de recherche publié en 2012, des ingénieurs de Carl Zeiss expliquent:

“La conception des CCM repose en majeure partie sur une très forte correction asphérique pour satisfaire les exigences en termes de taille et de coût. Il est donc nécessaire d’avoir un échantillonnage précis des pupilles et des coordonnées de champ pour contrôler les contributions d’ordre supérieur à l’aberration… Le grand nombre de surfaces asphériques accroît la sensibilité au défaut d’alignement des CCM. Les exigences techniques sont par conséquent d’autant plus hautes.”

Le lancer de rayons optiques est un outil précieux pour ajuster le comportement des assemblages de lentilles très asphériques et étroitement assemblées des CCM.

Prendre en compte les aberrations avec la simulation

Un modèle de module de caméra compact avec un assemblage de cinq éléments (en plus du filtre) peut être construit en utilisant la pièce Aspheric Even Lens 3D de la Bibliothèque de pièces du module Ray Optics. Ce modèle prend en charge une analyse de lancer de rayons pour identifier et visualiser les aberrations potentielles qui peuvent affecter la qualité de l’image dans un CCM. Comme vous pouvez le voir ci-dessous, l’assemblage modélisé dans ce tutoriel a une longueur focale de 7.0 mm et un rapport focal de f/2.4.

Vue d’ensemble d’un design optique d’un module de caméra compact. Dans cette vue en section, les rayons sont colorés selon leur indice d’émission.

L’algorithme de lancer de rayons utilisé par l’interface Optique géométrique calcule la direction de réfraction des rayons en s’appuyant sur la discrétisation par éléments finis de la géométrie. Les surfaces asphériques du module de caméra compact ont été regroupées dans une sélection cumulative sur laquelle le maillage a été raffiné.

Notez qu’il est possible de sélectionner différents ordres de fonctions de forme pour la représentation des éléments courbes dans COMSOL Multiphysics. Le logiciel peut par exemple traiter les éléments de frontière avec des polynômes cubiques ou quartiques par morceaux pour améliorer la précision. Cela aide à réduire l’erreur de discrétisation qui peut survenir lorsque l’on passe de la description optique du système de lentilles à sa représentation par le maillage.

À gauche: sélection cumulative des surfaces des lentilles pour le modèle de CCM. À droite: surfaces asphériques sur lesquelles le maillage a été raffiné.

Les diagrammes de rayons et diagrammes spots du CCM sont présentés ci-dessous. Le rendu visuel des surfaces des lentilles s’appuie sur une expression basée sur l’indice de réfraction du matériau, et les rayons sont colorés en fonction de la distance radiale du centre de chaque émission au centre de la pupille d’entrée. Cela fournit un moyen de visualiser l’origine des rayons présentant les aberrations les plus importantes.

À gauche: diagramme de rayons du CCM, dans lequel les rayons sont colorés en fonction de leur distance radiale au centroïde du plan de l’image. À droite: diagramme spot coloré selon la distance radiale au centre de la pupille d’entrée.

Regardez de plus près le tutoriel de module de caméra compact

Pour évaluer plus précisément le potentiel d’optimisation de la performance des CCM, vous pouvez tester leur modélisation vous-même. Téléchargez le tutoriel présenté ici en cliquant sur le bouton ci-dessous: