Il existe de nombreuses aberrations optiques : courbure de champ, sphérique, coma, astigmatisme, distorsion, etc. Dans cet article, nous allons vous expliquer en quoi consistent deux aberrations en particulier : l’aberration sphérique et la coma.

Contexte et historique

Avant d’expliquer dans le détail les deux aberrations qui nous intéressent, nous allons procéder à un petit retour aux origines des appareils photographiques, car il s’impose.

Au commencement, la camera obscura

Bien avant l’invention de la pellicule photosensible, des systèmes de reproduction de paysage, dits camera obscura, ont été utilisés par les peintres et les artistes. En ce qui concerne l’optique, il s’agissait d’un simple trou du côté de la scène à reproduire qui servait d’optique rudimentaire. Ce trou est appelé sténopé et certains objectifs de ce type sont toujours commercialisés.

comprendre aberration sphérique et comaSchéma de principe de la camera obscura (chambre noire).

Pour ceux qui en ont déjà utilisé, quelques limitations apparaissent vite pour ce type d’objectifs. Ils sont extrêmement peu lumineux (ce qui explique que les premières photographies nécessitaient de longues heures de pose), leur focale est fixe, la notion de flou d’arrière-plan est inexistante. La conception optique, déjà utilisée pour résoudre des problèmes scientifiques (observation des étoiles, microscopes, etc.) a été mise à contribution pour permettre la création d'objectifs adaptés à la photographie et au cinéma, donc beaucoup plus “lumineux”.

L’image d’un point est-elle un point ?

A priori, il est tentant de penser qu’à chaque point de la scène qu’on essaye de photographier, il y a un point unique associé sur le capteur photo. En astronomie, cela revient à dire que l’image d’une étoile devrait être un simple point lumineux.

Dans les faits, cette idée est fausse pour au moins deux raisons. La première est la diffraction qui transforme tout point en une tache d’Airy, sorte de disque lumineux entouré d'anneaux concentriques moins brillants. La seconde relève des aberrations optiques qui vont chacune créer une tache légèrement différente.

D’une manière générale, la tache observée pour un point ponctuel est appelée fonction d’étalement du point, plus connue sous l’acronyme anglais PSF (Point Spread Function).
Ci-dessous, observez un exemple historique : la tache d’aberration du télescope spatial Hubble souffre d’une erreur de fabrication. Comme vous pouvez le noter, on ne voit même plus la tache d’Airy parce que les aberrations de l’optique sont très importantes. Tout le but de la conception optique consiste donc à réduire ces aberrations au maximum pour être limitée uniquement par la diffraction.

comprendre aberration sphérique et comaÀ droite, une tache d'Airy théorique. À gauche, la PSF du télescope Hubble avant correction des aberrations.

Aberration sphérique

Qu’est-ce que l’aberration sphérique ?

L’aberration sphérique naît d’une différence de mise au point entre les rayons provenant du centre de l’optique et ceux en provenance du bord. Sur l'illustration ci-dessous, les rayons passant par le centre de l'optique (C) se croisent plus loin que les rayons provenant des bords (A).

comprendre aberration sphérique et comaAberration sphérique.

L'aberration sphérique apparaît pour toutes les couleurs du spectre lumineux, mais elle peut parfois varier différemment en fonction des couleurs (on parle de sphérochromatisme dans ce cas).

Puisque l'aberration sphérique provient des comportements différents des rayons lumineux entre le centre et les bords de l'optique, il suffit donc de réduire l'ouverture de celle-ci pour ne garder que les rayons centraux et résoudre le problème. En pratique, l'aberration sphérique se manifeste surtout à grande ouverture et disparaît à partir de f/4.

Comment concevoir des systèmes sans aberration sphérique ?

Pour la conception d’objectifs, les fabricants essayent de supprimer autant que possible l’aberration sphérique afin de maximiser le pouvoir de résolution de l’optique. Comme dans le cas des aberrations chromatiques, le but n’est pas forcément d’obtenir un ensemble de lentilles qui, individuellement, n’auraient pas d’aberration sphérique (ce n’est de toute façon pas possible), mais plutôt de compenser les aberrations des unes par celles des autres. En fonction des ouvertures souhaitées, certaines formules optiques sont optimales pour limiter au mieux l'aberration sphérique.

L'aberration sphérique porte bien son nom puisque c'est à cause de la forme sphérique des surfaces des lentilles qu'elle apparaît. En remplaçant les surfaces sphériques, certes faciles à produire, par des asphériques, il est possible de la réduire sensiblement. C'est d'ailleurs ce qui est fait presque systématiquement dans les objectifs modernes.

Du côté de l'utilisateur, il n'est a priori pas vraiment possible de supprimer en traitement d'image l'aberration sphérique, sauf à ajouter de la netteté pour compenser le flou qu'elle crée.

Les propriétés de l’aberration sphérique en matière de bokeh : bulle de savon et douceur…

Même si l’aberration sphérique n’est pas souhaitable pour la résolution, ses propriétés pour le bokeh peuvent la rendre désirable à l'occasion de certaines applications. En particulier en portrait, de nombreux photographes utilisent une aberration sphérique mal corrigée pour produire des effets de flou tournant. C’est le cas des objectifs Petzval (historiquement des objectifs particulièrement lumineux pour l’époque de leur conception et dont la formule optique à 4 lentilles ne permet pas de compenser toutes les aberrations optiques), mais aussi des objectifs russes Helios 44 ou Cyclop…

comprendre aberration sphérique et comaBokeh tournant, Cyclop 85 mm f/1,5 (Piotr P).

Une autre application de l’aberration sphérique concerne le bokeh en bulle de savon. Les objectifs Meyer Optik Gorlitz en ont fait leur marque de fabrique (les trioplans à 3 lentilles corrigent mal l’aberration sphérique), et Nikon a également utilisé le même phénomène dans les objectifs Defocus Control.

comprendre aberration sphérique et comaBokeh en bulle de savon, Trioplan 100 mm f/2,8.

Aberration de coma

Qu’est-ce que la coma ?

La coma peut être définie comme une variation de la taille de l’image produite par les rayons proches du bord de l’optique. Un peu comme dans le cas de l’aberration chromatique latérale qui produit des images de taille différente en fonction de la couleur, la coma produit des images de taille différente en fonction de la position des rayons lumineux dans la pupille du système.

Aberration de comaAberration de coma.

La coma est particulièrement prononcée à grande ouverture, typiquement en dessous de f/4, rendant la tâche des amateurs d’astrophotographie difficile puisque les étoiles à imager sont peu lumineuses.

Comment réduire la coma à la conception ?

Avant l’apparition des lentilles asphériques, les concepteurs optiques s’appuyaient sur des propriétés mathématiques de l’aberration de coma pour la supprimer en utilisant une formule optique aussi symétrique que possible (le double Gauss est un bon exemple), avec un diaphragme au centre de la formule optique.

Double GaussFormule optique du double Gauss avec un diaphragme au centre.

Avec la démocratisation des lentilles asphériques, il est désormais possible de compenser ce défaut en utilisant une ou plusieurs surfaces asphériques. Les lentilles asphériques constituent toutefois un surcoût pour la fabrication de l’optique et ne font pas disparaître toutes les aberrations.

On peut classer les objectifs en deux grandes catégories : ceux qui sont optimisés principalement pour le centre de l’image et ceux qui visent une bonne correction des aberrations sur l’ensemble du champ. Ces derniers sont plus à même de limiter la coma, au prix parfois d’une plus faible luminosité.

Quel impact pour les photographes ?

La coma est une aberration particulièrement visible en coin d’image. En portrait, elle est à peine notable, même à de très grandes ouvertures, et ne contribue que marginalement au bokeh.

Dans le coin, il est possible de noter que le bokeh est triangulaire à cause de coma résiduelle à f/1,2.

En revanche, avec l’astigmatisme (aussi très visible en périphérie d’image), c’est le cauchemar des astrophotographes parce qu’elle transforme les étoiles en taches triangulaires (on parle d’aigrette de coma).

1. Astigmatisme (dédoublement de l'étoile en croix) ; 2. Aigrette de coma.

Malheureusement, il n’est pas possible de supprimer ce défaut de manière systématique avec un logiciel, pour la bonne raison que chaque objectif va se comporter différemment. C'est d'autant plus vrai que le processus de fabrication peut introduire des décentrements faibles qui seront visibles dans ce cas.

En résumé

Les aberrations optiques sont présentes et visibles proches de la pleine ouverture. Dans le cas de l'aberration sphérique, il est possible d'utiliser son potentiel créatif pour avoir des bokehs différents. Dans le cas de la coma, il faut redoubler de vigilance pour les amateurs d'astronomie. Au final, les aberrations réduisent la résolution de l'image, mais peuvent donner à certains objectifs un caractère unique et artistique.

PREMIUM Aberrations optiques : aberration sphérique et coma
Timothée Cognard
Timothée Cognard

Ingénieur en Optique de formation, photographe de coeur... Collectionneur compulsif de focales fixes. Ses publications