aberration longitudinale

L'aberration longitudinale est la distance par laquelle les rayons lumineux ne convergent pas au point focal prévu, mesurée dans la direction parallèle à l'axe optique d'un système de lentilles ou de miroirs. Lorsqu'une lentille présente ce défaut, les rayons entrant à différentes hauteurs ou angles par rapport à l'axe ne se focaliseront pas tous dans le même plan perpendiculaire à cet axe; ils se focaliseront plutôt à différentes distances le long de celui-ci. Cela crée une zone de mise au point acceptable plutôt qu'un point net, dégradant directement la netteté et le contraste de l'image.

La source principale est l'aberration sphérique, où les rayons parallèles frappant le bord extérieur d'une surface de lentille sphérique se focalisent plus près de la lentille que les rayons passant par le centre. Pour une simple lentille biconvexe avec une distance focale de 50 mm et un diamètre de 40 mm, l'aberration longitudinale peut facilement atteindre 1 à 2 mm sous un éclairage en lumière blanche. En microscopie à fort grossissement, une aberration longitudinale de seulement 10 micromètres devient visuellement significative. La longueur d'onde compte également : les longueurs d'onde plus courtes présentent des valeurs d'aberration différentes, un phénomène appelé aberration chromatique lorsqu'il est combiné à un déplacement latéral.

Mesure et correction

L'aberration longitudinale est quantifiée en unités de distance absolues (millimètres, micromètres) en comparant la position focale des rayons marginaux (ceux au bord de la lentille) aux rayons paraxiaux (ceux près de l'axe). Les concepteurs optiques l'expriment en fonction du diamètre d'ouverture ou de l'ouverture numérique. L'aberration augmente approximativement avec la quatrième puissance du rapport d'ouverture dans les systèmes à élément unique, ce qui la rend catastrophique dans les optiques rapides. La correction nécessite des surfaces asphériques, plusieurs éléments de lentille avec des aberrations opposées, ou des ouvertures diaphragméées qui gaspillent la lumière mais améliorent la cohérence de la mise au point.

Dans les objectifs d'appareil photo et les objectifs de microscope, les fabricants compensent l'aberration longitudinale par des conceptions composées : des combinaisons d'éléments positifs et négatifs qui annulent les défauts les uns des autres. Un simple doublet achromatique, standard dans les microscopes de laboratoire, réduit à la fois l'aberration chromatique et sphérique. Dans les systèmes de vision industrielle, l'aberration longitudinale affecte directement l'uniformité de la profondeur de champ et la distance de travail sur laquelle une mise au point acceptable peut être maintenue, ce qui la rend critique pour l'inspection par vision industrielle sur des pièces inclinées ou courbes.

Le test de l'aberration longitudinale implique la mesure de la position axiale du point focal à travers la pupille de la lentille en utilisant des méthodes comme le test de Hartmann, le criblage de Ronchi ou le balayage laser. En fabrication, les limites de tolérance passe/ne passe pas sont généralement définies en fonction des exigences de profondeur de champ de l'application prévue. Contrairement à l'aberration latérale, qui décale la position de l'image latéralement, l'aberration longitudinale ne peut pas être corrigée en refocalisant l'ensemble du système; elle nécessite soit une refonte optique, soit l'acceptation d'un contraste et d'une résolution réduits.