Aberration chromatique

Une aberration chromatique est une aberration optique qui produit une image floue et aux contours irisés. Elle résulte de la décomposition de la lumière blanche en plusieurs bandes de couleurs.

Sommaire

Mise en évidence

Le phénomène est mis aisément en évidence avec un verre à forte correction :

Mire photographiée à une courte distance, à travers un verre correcteur de -9,5 dioptries
Vue détaillée des franges de dispersion chromatique, notamment sur les bords de la branche des lunettes

Conséquence en photographie

En photographie, la conséquence est la dégradation de la qualité de l'image, du moins lorsque l'effet « artistique » (voir Lomographie) n'est pas recherché. Dans l'exemple ci-dessous, le phénomène a volontairement été amplifié en ajoutant un objectif grand angulaire sur le même appareil-photo avant la deuxième prise de vue. On observe notamment une frange bleue sur le côté droit du toit du bâtiment :

Comparaison : même sujet, avec aberration chromatique sur la photo prise avec un objectif grand angulaire.

Cause de l'aberration chromatique

Principe de l'aberration chromatique : l'indice de réfraction augmente quand la longueur d'onde diminue.

Elle est généralement due à la variation de l'indice de réfraction du matériau composant les lentilles en fonction de la longueur d'onde de la lumière qui les traverse. Il en résulte une distance focale variable, de sorte que la mise au point ne peut être effectuée simultanément pour toutes les couleurs du spectre. Si, par exemple, la mise au point est effectuée pour le rouge, le bleu est alors flou : l'image d'un objet blanc présente alors sur ses bords une irisation bleutée.

L'aberration chromatique peut être à la fois longitudinale, lorsque les couleurs sont focalisées à des distances différentes ; et transversale ou latérale, lorsque les couleurs sont focalisées à différentes positions dans le plan focal (car le grandissement d'une lentille varie également avec la longueur d'onde).

L'œil peut également présenter des aberrations chromatiques qui sont détectées chez l'ophtalmologiste par un test de vision avec plusieurs filtres colorés. Pour vérifier la correction de l'acuité visuelle, on demande au patient d'observer des images filtrées en vert ou en rouge et de citer celle qui lui paraît la plus nette. Si la correction est bonne, la cornée, le cristallin et le verre prescrit focaliseront les longueurs d'onde verte et rouge juste devant et derrière la rétine, avec la même netteté. Si le verre correcteur est trop ou pas assez divergent, alors une couleur sera focalisée sur la rétine, mais l'autre couleur sera nettement plus floue.

Réduction de l'aberration chromatique

En photographie, microscopie optique et en astronomie, l'aberration chromatique est réduite de différentes manières :

  • ajout d'un filtre laissant passer une bande spectrale étroite ;
  • utilisation préférentielle de miroirs (télescope) qui ne présentent pas d'aberration chromatique (mais une aberration de sphéricité ou des aberrations de champ) ;
  • utilisation de verre optique de haute qualité, notamment celui contenant de la fluorine, afin de réduire cette dispersion chromatique.
  • utilisation d'un montage de lentilles en doublet, l'achromat.
  • utilisation d'un objectif apochromatique, en combinant plus de deux lentilles de différentes compositions.

Lors de la prise de vue d'une photographie, la diminution de l'ouverture permet également de limiter l'aberration chromatique :

Avec une ouverture faible, l'aberration chromatique est limitée. Cliquer sur l'image pour agrandir.

Après la prise de vue, il est possible de réduire ce type d'aberration avec certains logiciels de traitement d'image, à partir du format d'images natif RAW :

Effet d'un traitement après prise de vue.

Historique

Les aberrations chromatiques ont été constatées dès les premières lunettes astronomiques et considérées comme gênantes. Isaac Newton, qui crée son propre télescope pourvu d'un miroir et donc dépourvu d'aberrations de ce type, clame, dans un premier temps, l'impossibilité physique de la correction de ces dernières. Leonhard Euler postule, pour contrer cette affirmation, le caractère sans aberrations chromatiques de l'œil humain, fait dont le caractère erroné ne sera démontré que plus tard.

La primauté de la fabrication des premières lunettes corrigeant ces aberrations revient à Chester Moore Hall, barrister et opticien amateur, qui réalise le premier prototype dès 1733[1],[2]. Il utilise pour cela des verres spéciaux, contenant du plomb et dénomme son prototype Flint-glass.

Mais Hall préfère garder le secret sur son invention et fait fabriquer les 2 lentilles nécessaires, une en verre flint et une en verre crown par deux opticiens différents, Edward Scarlett and James Mann[3],[4],[5]. Par un singulier hasard, ces opticiens sous-traitent le travail au même fabricant George Bass. Bass comprend l'intérêt de cette technique mais lui non plus ne prend pas de brevet sur l'invention. Vers la fin des années 1750, il en révèle l'existence à John Dollond. Celui-ci devine le potentiel de ces lentilles et parvient à les reproduire puis à les breveter en 1758[6], ce qui lui vaut des différends avec d'autres opticiens sur les droits de fabrication et de commercialisation. On peut au moins considérer que Dollond a popularisé les lentilles achromatiques plutôt qu'il ne les a inventées. Par la suite, c'est son fils, Peter Dollond, qui invente les lentilles apochromatiques.

En France, Jean le Rond D'Alembert et Alexis Claude Clairaut vont en théoriser l'optique, travaillant sur la superposition de lentilles de géométrie et d'indice différents[7].

Notes et références

  1. Daumas, Maurice, Scientific Instruments of the Seventeenth and Eighteenth Centuries and Their Makers, Portman Books, London 1989 ISBN 978-0-7134-0727-3
  2. (en) Fred Watson, Stargazer: the life and times of the telescope, Crows Nest, Allen & Unwin, 2007, poche (ISBN 978-1-74175-383-7) (OCLC 225464622) [lire en ligne], p. 140–55 
  3. Fred Hoyle, Astronomy; A history of man's investigation of the universe, Rathbone Books, 1962, LC 62-14108
  4. Sphaera—Peter Dollond answers Jesse Ramsden. Consulté le July 31, 2009 A review of the events of the invention of the achromatic doublet with emphasis on the roles of Hall, Bass, John Dollond and others.
  5. (en) Terje Dokland et Mary Mah-Lee Ng, Techniques in microscopy for biomedical applications, New Jersey, World Scientific, 2006, poche (ISBN 978-981-256-434-4) [lire en ligne (page consultée le juillet 31, 2009)], p. 23 
  6. Kidger, M.J. (2002) Fundamental Optical Design. SPIE Press, Bellingham, WA, pp. 174ff
  7. F. Ferlin, « La course aux lunettes achromatiques », Les Génies de la Science, mai-juillet 2009, no 39, p. 82-89

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