aberration sphérique

L'aberration sphérique se produit lorsque les rayons lumineux traversant une lentille à différentes distances de son axe optique convergent en différents points le long de cet axe. Les rayons frappant près du bord de la lentille convergent à une distance différente de ceux passant par le centre, créant une image floue ou indistincte, quelle que soit la position du plan focal. C'est l'un des défauts optiques les plus courants dans les systèmes de lentilles simples.

La cause profonde est géométrique : une seule surface sphérique courbée ne peut pas réfracter tous les rayons parallèles en un seul point. La courbure qui fonctionne pour les rayons paraxiaux (ceux proches de l'axe optique) sur-focalise les rayons marginaux aux bords de la lentille. L'effet est pire avec de grandes ouvertures et de courtes distances focales, où les angles des rayons sont les plus prononcés. Une lentille peut présenter une aberration sphérique de 0,5 à 2 dioptries selon son diamètre, sa distance focale et sa conception.

Correction et atténuation

Les concepteurs optiques corrigent l'aberration sphérique en combinant des éléments de lentilles positifs et négatifs de différentes puissances et formes, en utilisant des surfaces asphériques (non sphériques), ou en diaphragmant l'ouverture pour bloquer les rayons marginaux. Les objectifs d'appareils photo, les objectifs de microscope et les optiques de télescope de haute qualité utilisent plusieurs surfaces asphériques ou coniques pour obtenir une correction sur tout le spectre visible. Dans des applications comme les projecteurs ou les loupes simples, une petite ouverture (nombre f élevé) est souvent la seule solution pratique.

Le terme « sphérique » fait référence à la forme de la surface incriminée, et non à la forme de l'aberration elle-même. L'effet a été documenté pour la première fois au 17e siècle lors du développement des premiers télescopes et reste inévitable dans les lentilles à élément unique. Les logiciels modernes de simulation optique prédisent l'aberration sphérique pendant la conception, permettant aux ingénieurs de l'équilibrer avec d'autres défauts comme la coma, l'astigmatisme et la courbure de champ plutôt que de l'éliminer complètement.

Dans les systèmes d'imagerie, l'aberration sphérique résiduelle se manifeste par une réduction du contraste, un flou sur les bords de l'image et une sensibilité à la position de la mise au point. Les testeurs de lentilles la mesurent à l'aide de l'interférométrie ou en analysant les fonctions d'étalement du point. Dans les travaux d'optique de précision, les budgets d'aberration sphérique sont calculés en même temps que les tolérances pour les variations de fabrication, les effets thermiques et les erreurs d'assemblage.