Contacter l'auteur / Contact the author

Recherche dans ce site / Search in this site

 

Les aberrations optiques

L'astigmatisme (III)

Parmi les autres aberrations de 3eme ordre reprises dans le polynôme de Zernike, l'astigmatisme est une aberration typique des lentilles qui ressemble à la coma. Elle se manifeste sur les petits objets situés en périphérie du champ et frappant une lentille non corrigée asymétriquement. Cette aberration n'est pas aussi sensible au rapport focal que la coma.

Les rayons incidents traversant l'objectif en angle oblique par rapport à l'axe optique focalisent différemment des rayons paraxiaux. En fonction de l'angle d'incidence de la lumière, le plan réfracté est orienté soit tangentiellement soit sagitallement (horizontalement) à l'axe optique. En pratique l'aspect de l'image dépend de sa position par rapport au plan focal. L'image est floue et plus ou moins allongée dont l'intensité et le contraste diminuent à mesure qu'on s'éloigne du centre optique.

Dans l'astigmatisme, les foyers des images sagitalles et tangentielles ne coîncident pas dans la zone de moindre confusion. L'image d'un objet circulaire prend alors la forme d'une croix.

Comme la courbure de champ, cette aberration est proportionnelle au diamètre de l'objectif et, en première approximation, au carré de la distance à l'axe central. C'est pourquoi l'astigmatisme est beaucoup moins visible que la coma. Son effet est cependant plus prononcé sur les Cassegrains et assimilés (y compris les Ritchey-Chrétien) que sur les newtoniens de même ouverture. Cette aberration peut être la conséquence d'une mauvaise correction du système optique mais également d'une mauvaise collimation.

La coma

La coma est une aberration principalement associée aux télescopes utilisant des miroirs paraboliques et qui affecte les images situées en-dehors de l'axe principal. Présente en tout point de l'image, elle est plus prononcée sur les bords du champ. Cette aberration est peu présente sur les télescopes catadioptriques (Schmidt-Cassegrain ou Maksutov-Cassegrain) car elle est assez bien corrigée par la lame de fermeture (la lentille frontale).

Toutefois, ainsi que nous l'avons expliqué à propos des différents types de télescopes, la qualité des catadioptriques dépend fortement de la qualité de leur lame et c'est pourquoi les télescopes Schmidt-Cassegrain largement diffusés (par exemple Meade, Celestron, etc) présentent tous une coma résiduelle parmi d'autres aberrations.

Le terme coma trouve son origine dans le fait qu'en visant une étoile avec un télescope présentant une aberration de coma, le sujet prend une forme en éventail, rappelant la queue d'une comète (du latin coma). En général ce phénomène laisse le centre de l'image libre d'aberration.

La coma s'applique aux rayons traversant la périphérie d'une lentille. Vous avez probablement déjà créé cet effet en déplaçant une loupe sous le Soleil. A mesure que vous inclinez la loupe par rapport à la direction du Soleil, l'image prend une forme de plus en plus allongée, ressemblant à celle d'une comète. Ci-dessous l'agrandissement d'une région périphérique de la nébuleuse M1 photographiée avec un Schmidt-Cassegrain de 300 mm révèle la coma en bordure de champ.

Cette aberration augmente avec l'ouverture du télescope. Elle est donc souvent apparente sur les télescopes rapides commes les dobsoniens (f/4 – f/6) ou les astrographes (f/1.5 – f/2) bas de gamme.

Pour l'anecdote, le télescope de 5m du mont Palomar utilisé en configuration de Newton présente un rapport focal de f/3.2. A 55" de l'axe optique, la coma mesure déjà 1" de longueur ! Cela signifie que pour rester sous cette résolution, le champ utile au niveau du film ou du CCD ne mesure que 9 mm de diamètre... C'est pour accroître le champ utile que la Chambre de Schmidt de 1.20 m (48") fut construite.

Les télescopes catadioptriques utilisant des miroirs sphériques ils ne sont pas pour autant exempt de coma qui peut même s'avérer assez importante sur certains modèles. Elle est uniquement corrigée sur les télescopes utilisant un ou plusieurs miroirs asphériques ou aplanétiques (du latin "sans coma"), pour ne citer que les Ritchey-Chrétien.

Si la plupart des télescopes peuvent être optimisés pour supprimer cette aberration du champ visuel, ce sont souvent des considérations commerciales et financières qui dégradent en quelque sorte leurs performances.

Pour corriger cette aberration dans les télescopes de Newton de grande ouverte (f/4f/6), depuis quelques années Tele Vue propose le Paracorr (parabola corrector). Il s'agit d'un accessoire optique qui s'installe comme une Barlow dans le porte-oculaire, constitué d'un doublet de lentilles à hauts indices, traité multicouche et exempt d'aberration chromatique. Selon Al Nagler, installé dans un télescope de 300 mm f/5.3, le champ soustrait aux effets de la diffraction augmente de 36 fois.

La sphéricité

De manière similaire à un prisme, quand vous observez un rayon lumineux traversant une lentille, il est facile de comprendre que sa focalisation au foyer dépend de sa distance à l'axe optique. Comme nous venons de l'évoquer à propos de l'aberration chromatique, en général la surface d'une lentille ou un miroir est fabriqué dans une section de sphère car elle est plus facile à fabriquer.

Mais dans une surface sphérique, les rayons incidents issus de l'infini et provenant de différentes distances par rapport à l'axe optique ne focalisent pas au même point comme on le voit sur l'image présentée ci-dessous.

Concrètement, si l'image centrale est correctement mise au point et brillante, à la limite du champ elle paraît floue et plus sombre. Cet effet représente l'aberration de sphéricité. Elle dépend de la distance focale, du diamètre de l'objectif, de sa forme et de la distance de l'objet à l'axe optique.

A gauche, simulation de l'aberration sphérique sur un miroir concave. Noter les foyers multiples. A droite, aspect visuel d'une étoile sans aberration et affectée d'une aberration de sphéricité importante. Documents UMD et Aberrator

Une lentille simple positive est sous-corrigée pour cette aberration. La plupart des télescopes (à miroir) sont conçus de manière à éliminer cette aberration, soit en rectifiant le miroir primaire pour lui donner une forme parabolique, soit en utilisant un miroir secondaire sphérique ou une lame de fermeture (par ex. les télescopes Schmoidt-Cassegrain) dont le profil est calculé pour la neutraliser.

Cette aberration reste résiduelle dans beaucoup de lunettes achromatiques ouvertes à f/8 ou plus rapides. C'est pour l'éliminer jusqu'à la limite de diffraction que les opticiens ont conçus les lunettes apochromatiques composées de 3 ou 4 éléments de lentilles.

Rappelons qu'Aries Instruments, déjà connu pour son Chromacor, proposait le SAFIX (500$) qui, en s'insérant avant l'oculaire de n'importe quelle lunette ou télescope, permet de corriger l'aberration de sphéricité. Mais l'entreprise n'est plus active aujourd'hui et on trouve rarement cet accessoire d'occasion.

La distorsion

La distorsion est une déformation de l'image, le système optique ne parvenant pas à former une image plane, rectilinéaire du sujet au plan focal. Cette aberration ne modifie pas les couleurs ou la netteté de l'image mais plutôt sa forme. Cette distorsion se manifeste lorsque la longueur focale du système optique varie à travers la surface de Petzval (grandissement transversal), certaines parties de l'image étant plus agrandies que d'autres. La distorsion produit deux effets : le barillet (barrel) et le coussinet (pincushion) qu'on appelle également la distorsion ou sphérisation positive et négative.

Une image sans distorsion, avec barillet et coussinet.

L'effet de barillet produit une déformation du centre de l'image qui paraît bombée, d'où son nom. L'agrandissement décroît en dehors de l'axe optique. L'effet de coussinet est le phénomène inverse mais il est moins fréquent. Les extrémités du champ sont agrandies par rapport à la partie centrale, le grossissement augmente avec la distance à l'axe optique.

Ces deux types de distorsions peuvent être présentes dans des oculaires donnant soi-disant une image très nette et corrigés pour toutes les autres aberrations (les super Plössl par exemple mais également certains oculaires grands-champs). Le phénomène se produit principalement avec des oculaires utilisant des éléments de lentilles épais.

Enfin, la distorsion apparaît souvent avec des oculaires contenant de nombreuses lentilles comme les "oculaires" zoom, les systèmes optiques contenant des ménisques, les téléobjectifs et rétrofocus.

Nous pouvons enfin citer la courbure de champ qui entraîne une légère aberration chromatique quand elle est associée à une lame de fermeture (voir la solution RCX de Meade).

Le collimateur LaserColli Mark III de Baader (76€) dont voici l'installation dans le porte-oculaire d'un Newtonien et dans un Schmidt-Cassegrain décentré.

A propos de la collimation

La collimation n'est pas une aberration à proprement parlé mais un réglage visant à aligner tous les éléments optiques d'un instrument. La collimation est un contrôle critique à effectuer car de sa précision dépend la qualité des images.

Une mauvaise collimation ou centrage des lentilles (ce qui se fait rarement) ou des miroirs (principalement le miroir secondaire des télescopes de Newton et des catadioptriques) crée des aberrations optiques et des images déformées.

En complément de ce réglage, il faut également de temps en temps réaligner le système optique avec le tube, c'est le réglage opto-mécanique.

Si vous déplacez souvent votre télescope pour aller observer à la campagne (plusieurs fois par mois), vous devriez vérifier la collimation du miroir secondaire plusieurs fois par an et ce d'autant plus si vous faites de l'astrophotographie. Plusieurs accessoires peuvent aider l'amateur à réaliser ce contrôle. Les plus pratiques se placent dans le porte-oculaire et émettent un rayon laser dont on ajuste le centrage au moyen d'une molette.

Comme nous l'avons évoqué précédemment à propos du contraste, la collimation est le second facteur à considérer après la qualité optique si vous désirez obtenir des images de qualité.

Pour plus d'informations

Telescope Optics

Reduction of Sphero-Chromatic Aberration in Catadioptric Systems (PDF), Robert E.Stephens, DoC/National Bureau of Standard, 1948

Telescopes, Eyepieces, and Astrographs, Gregory Smith, Roger Ceragioli et Richard Berry, Willman-Bell, 2012

Telescope Optics, evaluation and design, H.Rutten et M.van Venrooij, Willman-Bell, 1992

Star Testing Astronomical Telescope, H.R.Suiter, Willmann-Bell, 1994/2009

How to correct coma ? (sur ce site)

ATMOS (logiciel)

Edmund Industrial Optics

Retour aux Rapports techniques

Page 1 - 2 - 3 -


Back to:

HOME

Copyright & FAQ