Aberrations

En optique, on appelle aberration une transmission non fidèle d’une image par le dispositif mis en œuvre, généralement des lentilles, ou des miroirs ou un dispositif utilisant ces deux types d’objets.

L’aberration chromatique est un défaut  typique des lunettes achromatiques. Ces dernières produisent en effet une image qui présente sur ses bords une irisation colorée.(ci-contre, exemple à partir d’un détail de cratère lunaire). Ce défaut est dû aux caractéristiques optiques du matériau composant les lentilles et aux différentes longueurs d’onde de la lumière qui les traverse.

Plus précisément, une des lois de l’optique veut qu’un faisceau de lumière subisse une déviation incidente aux changement des indices de réfraction propre à chacun des différents milieux qu’il traverse et de la longueur d’onde qui le constitue. Ainsi, un faisceau lumineux traversant différents milieux dont les indices de réfraction de chacun seraient  le même aurait un chemin en ligne droite, dans le cas inverse, il s’agit d’une ligne brisée.  Une autre propriété de cette réfringence concerne la dispersion en fonction de la longueur d’onde. C'est-à-dire que l’indice du milieu n’est pas exactement le même pour toutes les longueurs d’onde composant la lumière blanche (lumière naturelle), mais s’écarte plus ou moins de sa valeur moyenne selon la longueur d’onde considérée.
Les verres utilisés pour construire les lentilles optiques sont malheureusement assez dispersifs (indice(L) de 1,524 à 1,543) ce qui conduit à ce que le plan focale de la lentille ne soit pas unique mais diffère selon la longueur d’onde de la lumière focalisée. Dans un faisceau monochromatique cela n’a aucune importance, mais les lumières naturelles ne le sont pas, et les images des objets observés à travers une optique à lentilles sont floues, entachées d’une aberration chromatique. Il existe pourtant un matériau transparent dont les indices par longueur d’onde diffèrent très peu entre les deux extrémités du spectre, la fluorine, ou fluorite. Il peut être utilisé avantageusement pour fabriquer les lentilles optiques, malheureusement il est rare, et coute très cher, ce qui réserve ces optiques aux amateurs fortunés.

Mais les opticiens ont eu une idée lumineuse : Accoler ensemble des lentilles présentant des déviations par longueur d’onde se compensant mutuellement et en choisissant des verres avec la plus faible dispersion possible. Avec deux de ces lentilles accolées on parle de "doublets", et il en existe à trois lentilles accolées " triplets" présentant une si faible dispersion qu’elles peuvent rivaliser avec la couteuse fluorite pour annuler l’aberration chromatique.

Dans notre cas pour la lumière visible arrondie aux longueurs d’onde comprises entre 400 et 800 nm nous pouvons voir dans le calcul ci- contre, réalisé sur Excel, avec les coefficients micrométriques de Cauchy (tableau ci dessus), que le facteur dispersif de la fluorite est presque que 4 fois  moindre que celui du crown utilisé pour la fabrication des lentilles de lunettes astronomiques avec 0,005 contre 0,019.

Un détail intéressant de l’histoire de l’optique concerne une erreur du grand Newton. Il a inventé le télescope (instrument à réflexion et non à réfraction comme la lunette) parce qu’il était convaincu que ce problème de focalisations multiples était insoluble. Mais les optiques réflectrices ne sont pas exemptes d’aberrations.

L'aberration de sphéricité est caractérisée par les rayons d'un faisceau parallèle, réfléchis par un miroir sphérique (fig.1), qui ne convergent pas en un même point; ce qui se traduit par une image un peu floue, liée à une zone de mise au point (MAP) non ponctuelle. On remarque qu’un miroir sphérique est davantage convergent pour les rayons marginaux (M) que pour les rayons centraux (C).

Le miroir paraboloïde (fig. 2) ne présente pas cette aberration car tous les rayons réfléchis convergent à son foyer (F).

De la même façon, une lentille sphérique (fig.3) est davantage convergente ou divergente pour les rayons marginaux que pour les rayons centraux. Les télescopes de type Newton ont des miroirs paraboliques. Cependant, l’industrie qui doit produire des télescopes "bon marché", fabrique aussi sous le nom de Newton des instruments ayant des miroirs primaires sphériques qui peuvent être produits industriellement. La fabrication d’un miroir parabolique ne peut être réalisée qu’à la main, ce qui en augmente considérablement le prix, ce qui explique qu’on ne trouve pas beaucoup de vrais Newtons. En revanche on trouve des Newtons-Cassegrain qui ressemblent à un Schmitd-Cassegrain sans lame d’ouverture. Un Schmidt-Cassegrain a un miroir concave sphérique. La correction de l’aberration est, dans ce dernier cas, assurée par une lame de Schmidt .

La coma (ci-contre) est une autre aberration de sphéricité produite par des rayons lumineux non parallèles à l'axe optique du système (lentilles ou miroirs). La tache lumineuse obtenue en pointant une source n'est plus circulaire mais allongée et a l'aspect d'une comète. Ce défaut est la conséquence d’un mauvais alignement optique, il faut dans ce cas «collimater»  l’instrument. A droite du schéma, on voit l’effet de la coma sur une étoile observée avec un fort grossissement.

Ci-dessous, exemple de l’incidence de l’aberration de sphéricité d'abord mal corrigée (a) puis correctement corrigée (b), sur une image de Jupiter. Au dessous de Jupiter, on peut voir l'incidence du mauvais alignement de la partie optique (disques d'Airy) et l'impact correspondant sur un objet lumineux.,