Accueil Optipédia Aberrations optiques Généralités

La perfection n’étant pas de ce monde, il n’existe pas d’optique parfaite.

- D’une part parce que il n’y a pas de design optique parfait, à part le miroir plan. Dès qu’un élément optique modifie un front d’onde plan pour le transformer en front d’onde sphérique d’un rayon donné – ce qui est le principe de base de tous les instruments astronomiques et de tous les objectifs photographiques, qu’ils soient grand angles ou téléobjectifs – cet élément va introduire des transformations non souhaitées qui vont faire que le front d’onde résultant ne sera pas sphérique dans toutes les conditions, comme par exemple en dehors de l’axe optique. Ou peut être le rayon de la sphère ne sera pas constant selon la longueur d’onde. Ces écarts par rapport à la sphère recherchée sont les aberrations. La difficulté s’accroît aussi avec la diminution du rapport focale sur diamètre F/D et l’augmentation du diamètre de l’instrument. Plus le rapport F/D est petit (ou court) et plus l’ouverture est grande, plus l’on s’éloigne des conditions de Gauss avec des optiques  au rayon de courbure plus petit et des lentilles plus épaisses. Ces aberrations sont prévisibles et des correcteurs peuvent être ajoutés pour les corriger partiellement.


- D’autre part, la réalisation des systèmes optiques n’est jamais parfaite. D’une part les éléments optiques eux même -miroirs ou lentilles – ne sont jamais exactement conforment aux spécifications. Et plus ces éléments sont grands, plus il est difficile de respecter la forme idéale. D’autre part les éléments mécaniques autour des éléments optiques vont introduire des contraintes sur ces optiques et les déformer. C’est le cas des cellules d’objectif des lunettes, et des barillets qui supportent les miroirs des télescopes. Ces déformations introduisent aussi des aberrations supplémentaires.

- Enfin la réalisation des optiques peut aussi comporter des accidents. Rayures, trous, défauts d’aluminure et surtout un aspect de surface pas suffisamment lisse (mamelonnage) vont gaspiller de la lumière. Cette lumière va être perdue (manque d’aluminure, aluminure peu réfléchissante, mauvais traitement anti reflets des lentilles, piqure de gris, filandre…) sans conséquence très grave néanmoins pour le résultat. Elle peut être aussi réfléchie et dispersée un peu partout dans le cas d’un mauvais état de surface (défaut de polissage : micro mamelonnage et rugosité)  en entrainant une perte de lumière et une perte de contraste. Ces défauts ne sont pas des aberrations optiques stricto sensu et ne sont pas quantifiées dans les mesures des analyseurs de front d’onde et des interféromètres. Ils doivent néanmoins pris en compte dans l’évaluation car ils peuvent faire qu’une optique pourtant de profil correct ne satisfait pas au critère de Couder. Ils sont aussi très discriminants pour les fabricants car obtenir un excellent état de surface est coûteux en temps de polissage et doit toujours être finalisé selon des méthodes traditionelles.

Hors axe et sur l'axe

Rappel : Sur l’axe et hors axe.

Comme nous le verrons, certaines aberrations se manifestent sur l’axe et hors axe, et d’autres uniquement hors axe. On qualifie comme étant sur l’axe optique la lumière incidente dont les rayons qui sont parallèles à celui-ci, ou - dit différemment -  dont le front d’onde est perpendiculaire à cet axe. La source qui correspond à ce cas de figure est une source ponctuelle située à l’infini, et qui est sur l’axe optique de l’instrument.

Pour être plus clair, c’est une étoile qui est au centre de l’oculaire d’un instrument parfaitement collimaté. Dès qu’une étoile n’est plus au centre, le flux de lumière n’est plus sur l’axe, il arrive dans l’instrument en formant un angle par rapport à l’axe optique. Dans l’image suivante, les rayons bleus sont sur l’axe.  Ils ne correspondent qu’à une source ponctuelle et l’image ponctuelle de cette source se forme sur l’axe optique au point focal. Une étoile située à coté de cet axe (cas rouge) verra ses rayons avoir un angle d’incidence avec l’axe optique.

Collimater un instrument, c’est faire en sorte que tous les axes optiques de ses composantes partage le même centre optique, et c’est aussi  faire en sorte que l’axe optique soit bien au centre de la pupille de sortie. Cela prend donc aussi en compte la partie mécanique de l’instrument. Dans le cas d’une lunette par exemple, les lentilles peuvent être alignées entre elles  mais la cellule de l’objectif ne pas être coaxiale avec le tube.

 Decollimation due à la mécanique 

Tous les instruments délivrent leurs meilleures performances au centre du champ, il est donc important que le centre optique corresponde au centre de la pupille de sortie. De même il est important en imagerie, et surtout en imagerie planétaire haute résolution, de bien placer le sujet au centre du champ.

Conséquences des aberrations

Il y a plusieurs grandes familles d’aberration. Celles-ci s’additionnent, ou parfois s’annulent, pour donner la forme finale du front d’onde. Dans tous les cas, les aberrations vont dégrader la tâche d’Airy et la répartition de l’énergie entre les anneaux de diffraction et la tâche elle-même ne sera pas optimale, les anneaux recevant plus d’énergie. De plus la forme même de la figure d’Airy sera modifiée. Les conséquences pour l’astronome sont multiples :

  • La perte d’énergie au centre de la tâche va réduire la magnitude limite de l’instrument.
  • Les étoiles seront plus « pâteuses », moins ponctuelles : le pouvoir séparateur est réduit.
  • Les étoiles ne seront pas « rondes » mais allongées, en forme de diamant, de queue de comète. Cela est visible surtout en bord de champ.
  • Les étoiles seront nimbées de halos colorés et les zones de contraste important auront des franges colorées en visuel et en imagerie.
  • Une perte de détails sur les planètes en visuel.
  • Une perte de résolution et de contraste en imagerie planétaire.
  • Une perte de lumière et de finesse en imagerie du ciel profond.
  • Des étoiles non focalisées en bord de champ en imagerie stellaire.

La liste n’est évidemment pas exhaustive.

Il faut néanmoins retenir que certaines aberrations sont prévisibles et dépendent de la formule optique de l’instrument. L’instrument parfaitement polyvalent n’existe pas, et qu’il faut choisir le meilleur compromis pour l’usage auquel on le destine. D’autres aberrations sont liées à la qualité de l’instrument, et peuvent avoir un impact très important sur le résultat obtenu. Enfin certaines aberrations peuvent aussi être introduites ou amplifiées par un mauvais réglage de l’instrument, ou l’utilisation d’un accessoire optique inadapté (correcteur de champ).