Définitions du terme aberration

Le terme aberration est un mot pouvant désigner différentes choses. Il s'agit selon le dictionnaire Larousse d'un accès de folie, d'un égarement, d'une grave erreur de jugement ou d'une absurdité.

En biologie, le terme aberration chromosomique désigne une anomalie de nombre ou de structure.

Le terme aberration est donc lié à un défaut.

En physique et particulièrement en optique, le terme aberration est un défaut qui altère la qualité des images données par un système optique.

La correction de ces aberrations est très importante en photographie car une aberration non corrigée peut donner des photographies floues ou parfois présentant des contours irisés.

Plus généralement, ce terme est utilisé en optique pour désigner un défaut que possède l'image formée par une lentille ou un miroir incurvé. On en distingue deux catégories d'aberrations : les aberrations chromatiques (qui sont dues à la nature même de la lumière) et les aberrations géométriques.

Rappel : une lentille désigne tout milieu transparent limité par deux surfaces dont l'une au moins n'est pas plane. On distingue souvent les lentilles à bords minces des lentilles à bords épais. Une lentille est constituée de divers éléments géométriques comme les centres de courbures et les rayons de courbures, un axe principal, une section principale et d'un diamètre d'ouverture.

Les aberrations en astronomie

Le terme aberration en astronomie a été découvert par Römer en 1676  (pour le cas du Soleil) et James Bradley en 1729 (pour le cas des étoiles : aberration des fixes).

De part sa découverte , James Bradley pu également rendre plus précise la mesure de la vitesse de la lumière. En astronomie, une aberration désigne un déplacement apparent des astres. Ce déplacement est du au mouvement relatif de l'observateur et des astres observés.

En effet, l'observateur sur Terre subit la rotation de celle-ci sur elle-même mais aussi de la révolution de la Terre autour du Soleil. Ces déplacements sont prévisibles et périodiques. Les planètes également se déplacent.

Ces déplacement doivent donc être pris en compte lors des observations.

Les aberrations en optique

Une lentille possède toujours des défauts. Ainsi, les objectifs ne forment jamais des images complètement parfaites. Il existe toujours un peu d'aberration.

En optique on essaye toujours de faire en sorte que les aberrations soient réduites au minimum.

En astronomie, les aberrations qui touchent les instruments optiques peuvent engendrer des problème de visualisation des astres. Ainsi, le pouvoir séparateur peut être réduit et les étoiles seront moins visibles, elles pourront sembler être allongées au lieu d'être rondes, avec parfois l'impression d'une queue de comète.

Les étoiles pourront également être entourées d'un halo coloré avec des zones de contraste importantes. Les planètes peuvent être observées avec moins de détails et les images seront moins nettes et moins lumineuses.

Le saviez-vous ? L’œil humain aussi présente un niveau d'aberration optique. Seules quelques aberrations peuvent vraiment entraîner un baisse de la qualité de la vision. Ainsi, l'aberration sphérique et le chromatisme sont très présents dans l’œil humain mais le cerveau compense en grande partie ces aberrations. Les aberrations de champs et la distorsion semblent elles aussi en partie compensées par le cerveau.

Le tableau ci-après liste les principales aberrations et les classe suivant leur type.

AberrationType
ChromatiqueChromatique
SphéricitéGéométrique
De ComaGéométrique
D'AstigmatismeGéométrique
De DistorsionGéométrique
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Les aberrations chromatiques

Les aberrations chromatiques sont appelées ainsi car on observe des franges de couleur.

Les aberrations chromatiques n'affectent que les lentilles (convergentes ou divergentes), elles correspondent à une image légèrement floue dont les contours comportent un liseré de couleur.

Le bord de la lentille peut être assimilé à un prisme qui décompose la lumière blanche.

Ces aberrations sont liées au phénomène de dispersion de la lumière. En effet, les radiations de plus petites longueurs d'onde (comme le bleu) sont plus réfractées (c'est à dire qu'elles sont plus déviées) que les radiations plus grandes (comme le rouge).

Ainsi, le point de convergence des radiations bleues est plus rapproché de la lentille que les radiations rouges.

Qu'est ce qu'une aberration chromatique ?
L'aberration chromatique est due à la dispersion de la lumière par le verre de la lentille.

Il est possible de corriger ce défaut en utilisant des lentilles achromatiques (obtenues en associant une lentille convergente et une lentille divergente).

En photographie, il existe des objectifs permettant la correction du chromatisme pour trois radiations du spectre visible.

On parle d'objectifs apochromatiques de haute qualité à haut pouvoir résolvant.

Le saviez-vous ? Des chercheurs viennent de mettre au point des 'metalenses" permettant de concentrer toutes les couleurs de l'arc-en-ciel en un seul point. C'est Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) du Massachusetts, qui a permis de mettre au point une surface place révolutionnaire utilisant des nanostructures pour focaliser la lumière. Ainsi les aberrations chromatiques peuvent être résolues : en effet, le procédé permet de focaliser de manière égale les longueurs d’onde de la lumière et éliminer les aberration chromatiques.

Les aberrations géométriques

Les aberrations géométriques sont liées au fait que les lentilles ne sont jamais parfaites. Elles possèdent des petits défauts qui font qu'elles ne suivent plus les conditions de stigmatisme.

Parmi les différentes aberrations géométriques, on distingue notamment les aberrations de sphéricité, les aberrations de coma, les aberrations d'astigmatisme ou les aberrations de distorsion.

Qu'est ce que le stigmatisme ?

Le stigmatisme définit un système optique permettant d'obtenir une image nette. Les chemins optiques suivis par la lumière pour aller d'un point X à son image X' doivent être rigoureusement égaux.

En pratique, pour obtenir un stigmatisme le plus approché, il faut se placer dans les conditions de Gauss avec des rayons paraxiaux peu inclinés sur l'axe principal et passant au voisinage du centre optique de la lentille.

Les aberrations sphériques

Les aberrations sphériques concernent quant à elles aussi bien les lentilles que les miroirs. Elles se traduisent par une image floue en raison de rayons lumineux qui convergents vers des points légèrement décalés.

Ce décalage se produit lorsque les rayons incidents arrivent sur une zone périphérique de la lentille ou du miroir relativement éloignée du centre.

En d'autres termes, dans ce type d'aberration, la focalisation des rayons périphériques est différente de la focalisation des rayons centraux. Cela est du au fait que les surfaces sphériques n'ont jamais une forme idéale.

Il est possible de réduire cette aberration en associant aux lentilles un diaphragme qui limite la zone d'entrée dans au centre de la lentille. En ce qui concerne les miroirs les aberrations sphériques peuvent être éliminées en utilisant un miroir de forme parabolique et en se limitant à des faisceau incident parallèles à l'axe du miroir, c'est une condition peu contraignante en astronomie puisque les astres observés sont si éloignés que l'on peut considérer que les rayons qu'ils émettent sont tous parallèles.

Les aberrations de coma

Qu'appelle-t-on aberration de coma ?
L'aberration de coma est une aberration optique dite "hors axe".

On appelle ce type d'aberration coma car leur forme fait penser à une comète.

Dans l'aberration de coma, les rayons traversent le centre de l'objectif et sont focalisés dans un point différent de ceux du bord externe. L'image se produit donc en dehors de l'axe optique.

Les plus grands télescopes souffrent d'aberration de coma qu'il faut corriger. Malheureusement, la correction de ce type d'aberration reste très onéreuse et souvent les considérations financières priment sur le fonctionnement correct des appareils.

Les aberrations de distorsion

L'aberration de distorsion provoque une déformation de l'image, l'image apparaît alors sous la forme d'un coussinet ou d'un barillet.

Pour mettre en évidence facilement l'aberration de distorsion, il suffit de réaliser un quadrillage sur un écran, on place ensuite une lentille et un diaphragme avant ou après le quadrillage et les lignes de celui ci deviennent déformées en forme de barillet ou de coussinet.

Comment reconnait-on une distorsion ?
Une distorsion provoque une déformation de l'image.

Les aberrations de stigmatisme

Dans les aberrations de stigmatisme, les images se forment en dehors de l'axe et on trouve deux images. Ainsi, l'aberration de stigmatisme fait apparaître deux foyers distincts, le foyer sagittal et le foyer tangentiel.

Quand le rayon de courbure de la lentille est à symétrie à révolution, on dit que la lentille est corrigée. On parle alors de lentille anastigmat.

Un peu de culture... L'exposition "aberration optique" s'est tenue à Paris l'année dernière et a mis en valeur le photographe Steven Pippin. Celui ci a exposé son travail consistant a reproduire les conditions des premières photographies. L'exposition a ainsi permis de montrer le travail de l'artiste à travers des œuvres et du matériel utilise par le photographe.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).