Aberrations optiques

Les aberrations sont les écarts d'un système optique réel par rapport à l'imagerie paraxiale idéale, entraînant un flou ou une distorsion de l'image en dehors de l'axe ou pour les rayons non paraxiaux.

Definition

Imperfections dans la formation d'image par lesquelles un système optique ne parvient pas à projeter chaque point objet en un seul point image net, classées comme aberrations monochromatiques issues de la géométrie des rayons non paraxiaux et aberrations chromatiques issues de la dépendance de l'indice de réfraction à la longueur d'onde.

Scope

Ce sujet couvre les déviations systématiques de la formation d'image parfaite qui surviennent lorsque l'approximation paraxiale n'est plus valide ou lorsque la lumière de différentes longueurs d'onde est impliquée. Il inclut les cinq aberrations monochromatiques primaires (de Seidel) : l'aberration sphérique, la coma, l'astigmatisme, la courbure de champ et la distorsion, ainsi que l'aberration chromatique résultant de la dispersion. Il aborde la description des aberrations par le front d'onde, leur dépendance à l'ouverture et au champ, et les stratégies utilisées pour les équilibrer ou les corriger dans la conception des lentilles.

Core questions

• Pourquoi les lentilles réelles ne parviennent-elles pas à former des images parfaites de points objets hors axe ou à grande ouverture ?
• Quels sont les types distincts d'aberrations primaires et comment chacun d'eux déforme-t-il l'image ?
• Comment l'aberration chromatique résulte-t-elle de la dispersion et comment est-elle corrigée ?
• Comment une conception multi-éléments peut-elle équilibrer les aberrations les unes par rapport aux autres ?

Key concepts

• aberration sphérique
• coma
• astigmatisme
• courbure de champ
• distorsion
• aberration chromatique
• erreur de front d'onde
• nombre d'Abbe

Key theories

Théorie des aberrations de Seidel (troisième ordre)

L'expansion de l'erreur de front d'onde au troisième ordre en fonction de l'ouverture et de l'angle de champ donne cinq aberrations monochromatiques primaires : l'aberration sphérique, la coma, l'astigmatisme, la courbure de champ et la distorsion, chacune présentant une dépendance caractéristique à l'ouverture et au champ.

Aberration chromatique et achromatisation

Étant donné que l'indice de réfraction varie avec la longueur d'onde, la distance focale dépend de la couleur ; la combinaison de lentilles à dispersion complémentaire dans un doublet achromatique permet de focaliser deux longueurs d'onde ou plus en un point commun.

Clinical relevance

Les aberrations de l'œil humain, qu'il s'agisse d'erreurs réfractives de bas ordre ou d'aberrations d'ordre supérieur, sont mesurées par aberrométrie de front d'onde et corrigées avec des lunettes, des lentilles de contact personnalisées ou la chirurgie réfractive ; le contrôle des aberrations est également essentiel pour les microscopes à haute résolution et les instruments astronomiques.

History

Seidel a publié la théorie du troisième ordre des cinq aberrations primaires en 1856, offrant aux concepteurs de lentilles un vocabulaire systématique. Auparavant, Fraunhofer et d'autres avaient développé des doublets achromatiques pour maîtriser l'aberration chromatique, et Abbe a ensuite établi la conception des lentilles sur une base théorique et métrologique plus solide dans la fabrication d'optiques de microscope.

Key figures

• Ludwig von Seidel
• Ernst Abbe
• Joseph von Fraunhofer

Seminal works

• bornwolf1999
• smith2007

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre l'aberration sphérique et l'aberration chromatique ?

L'aberration sphérique est un défaut monochromatique dans lequel les rayons traversant différentes zones d'une surface sphérique se focalisent à des distances différentes, tandis que l'aberration chromatique survient parce que différentes longueurs d'onde de la lumière sont réfractées de manière différente et se focalisent donc en des points distincts.

Les aberrations peuvent-elles être complètement éliminées ?

Aucune lentille unique n'est exempte de toutes les aberrations, mais un choix judicieux des formes d'éléments, des matériaux et des espacements, ainsi que l'utilisation de surfaces asphériques, peut réduire les aberrations résiduelles à un niveau négligeable pour une application donnée.