Astigmatisme (systèmes optiques) - Astigmatism (optical systems)

Aberration optique
Image floue d'une cible en rayon..svg Défocalisation

HartmannShack 1lenslet.svg Inclinaison Aberration sphérique Astigmatisme Coma Distorsion Courbure du champ de Petzval Aberration chromatique
Aberration sphérique 3.svg
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Diagramme de lentille d'aberration chromatique.svg

Un système optique avec astigmatisme est celui où les rayons qui se propagent dans deux plans perpendiculaires ont des foyers différents . Si un système optique avec astigmatisme est utilisé pour former une image d'une croix , les lignes verticales et horizontales seront au point net à deux distances différentes. Le terme vient du grec α- ( a- ) signifiant «sans» et στίγμα ( stigmate ), «une marque, une tache, une perforation».

Formes d'astigmatisme

Astigmatisme visuel (non optique)

Il existe deux formes distinctes d'astigmatisme. La première est une aberration de troisième ordre , qui se produit pour des objets (ou des parties d'objets) éloignés de l' axe optique . Cette forme d'aberration se produit même lorsque le système optique est parfaitement symétrique. Ceci est souvent appelé une «aberration monochromatique», car elle se produit même pour la lumière d'une seule longueur d'onde . Cette terminologie peut toutefois être trompeuse, car la quantité d'aberration peut varier fortement avec la longueur d'onde dans un système optique.

La deuxième forme d'astigmatisme se produit lorsque le système optique n'est pas symétrique par rapport à l'axe optique. Cela peut être dû à la conception (comme dans le cas d'une lentille cylindrique ), ou à une erreur de fabrication dans les surfaces des composants ou à un désalignement des composants. Dans ce cas, l'astigmatisme est observé même pour les rayons provenant de points d'objet sur l'axe. Cette forme d'astigmatisme est extrêmement importante en science de la vision et en soins oculaires, car l' œil humain présente souvent cette aberration due à des imperfections de la forme de la cornée ou du cristallin .

Astigmatisme visuel (non optique)

Astigmatisme de troisième ordre

Page expliquant et illustrant l'astigmatisme

Dans l'analyse de cette forme d'astigmatisme, il est le plus courant de considérer les rayons d'un point donné de l'objet, qui se propagent dans deux plans particuliers. Le premier plan est le plan tangentiel . C'est le plan qui comprend à la fois le point objet considéré et l'axe de symétrie. Les rayons qui se propagent dans ce plan sont appelés rayons tangentiels . Les plans qui incluent l'axe optique sont des plans méridiens . Il est courant de simplifier les problèmes dans les systèmes optiques à symétrie radiale en choisissant des points d'objet dans le plan vertical (" y ") uniquement. Ce plan est alors parfois appelé le plan méridien.

Le deuxième plan utilisé dans l'analyse est le plan sagittal . Celui-ci est défini comme le plan, orthogonal au plan tangentiel, qui contient le point objet considéré et coupe l'axe optique à la pupille d'entrée du système optique. Ce plan contient le rayon principal , mais ne contient pas l'axe optique. Il s'agit donc d'un plan oblique , c'est-à-dire pas d'un plan méridien. Les rayons se propageant dans ce plan sont appelés rayons sagittaux .

Dans l'astigmatisme de troisième ordre, les rayons sagittal et transversal forment des foyers à différentes distances le long de l'axe optique. Ces foyers sont appelés respectivement foyer sagittal et foyer transversal . En présence d'astigmatisme, un point hors axe sur l'objet n'est pas clairement imagé par le système optique. Au lieu de cela, des lignes nettes se forment au niveau des foyers sagittal et transversal. L'image au foyer transversal est une ligne courte, orientée dans la direction du plan sagittal ; des images de cercles centrés sur l'axe optique, ou des lignes tangentielles à de tels cercles, seront nettes dans ce plan. L'image au foyer sagittal est une ligne courte, orientée dans la direction tangentielle ; les images de rayons rayonnant du centre sont nettes à cette mise au point. Entre ces deux foyers, une image ronde mais "floue" se forme. C'est ce qu'on appelle le foyer médian ou le cercle de moindre confusion . Ce plan représente souvent le meilleur compromis de localisation d'image dans un système avec astigmatisme.

La quantité d'aberration due à l'astigmatisme est proportionnelle au carré de l'angle entre les rayons de l'objet et l'axe optique du système. Avec précaution, un système optique peut être conçu pour réduire ou éliminer l'astigmatisme. De tels systèmes sont appelés anastigmats .

Astigmatisme dans les systèmes qui ne sont pas symétriques en rotation

Flou d'une lentille astigmatique à différentes distances.

Si un système optique n'est pas axisymétrique, soit en raison d'une erreur dans la forme des surfaces optiques, soit en raison d'un désalignement des composants, un astigmatisme peut se produire même pour des points d'objet dans l'axe. Cet effet est souvent utilisé délibérément dans les systèmes optiques complexes, en particulier certains types de télescopes . Certains télescopes utilisent délibérément des optiques non sphériques pour surmonter ce phénomène.

Dans l'analyse de ces systèmes, il est courant de considérer des rayons tangentiels (tels que définis ci-dessus), et des rayons dans un plan méridien (un plan contenant l'axe optique) perpendiculaire au plan tangentiel. Ce plan est appelé soit le plan méridien sagittal, soit, de manière déroutante, simplement le plan sagittal .

Astigmatisme ophtalmique

En optométrie et en ophtalmologie , les plans vertical et horizontal sont identifiés comme méridiens tangentiels et sagittaux , respectivement. L'astigmatisme ophtalmique est une erreur de réfraction de l' œil dans laquelle il existe une différence de degré de réfraction selon les méridiens. Elle est typiquement caractérisée par une cornée asphérique, sans figure de révolution, dans laquelle la pente du profil cornéen et la puissance de réfraction dans un méridien sont inférieures à celles de l'axe perpendiculaire.

L'astigmatisme cause des difficultés à voir les détails fins. L'astigmatisme peut souvent être corrigé par des lunettes avec une lentille qui a différents rayons de courbure dans différents plans (une lentille cylindrique ), des lentilles de contact ou une chirurgie réfractive .

L'astigmatisme est assez courant. Des études ont montré qu'environ une personne sur trois en souffre. La prévalence de l'astigmatisme augmente avec l'âge. Bien qu'une personne puisse ne pas remarquer un astigmatisme léger, des quantités plus élevées d'astigmatisme peuvent provoquer une vision floue, des plissement des yeux , de l' asthénopie , de la fatigue ou des maux de tête .

Il existe un certain nombre de tests qui sont utilisés par les ophtalmologistes et les optométristes lors des examens de la vue pour déterminer la présence d'astigmatisme et pour quantifier la quantité et l'axe de l'astigmatisme. Une carte Snellen ou une autre carte oculaire peut initialement révéler une acuité visuelle réduite . Un kératomètre peut être utilisé pour mesurer la courbure des méridiens les plus raides et les plus plats de la surface avant de la cornée. La topographie cornéenne peut également être utilisée pour obtenir une représentation plus précise de la forme de la cornée. Un autoréfracteur ou une rétinoscopie peut fournir une estimation objective de l'erreur de réfraction de l'œil et l'utilisation de cylindres croisés Jackson dans un phoroptère peut être utilisée pour affiner subjectivement ces mesures. Une technique alternative avec le phoroptère nécessite l'utilisation d'un "cadran d'horloge" ou d'un graphique "sunburst" pour déterminer l'axe et la puissance astigmatiques.

L'astigmatisme peut être corrigé avec des lunettes , des lentilles de contact ou une chirurgie réfractive . Diverses considérations liées à la santé oculaire, à l'état de réfraction et au mode de vie déterminent fréquemment si une option peut être meilleure qu'une autre. Chez les personnes atteintes de kératocône , les lentilles de contact toriques permettent souvent aux patients d'obtenir de meilleures acuités visuelles que les lunettes. Si l'astigmatisme est causé par un problème tel qu'une déformation du globe oculaire due à un chalazion , le traitement de la cause sous-jacente résoudra l'astigmatisme.

Lentilles et miroirs mal alignés ou mal formés

Le meulage et le polissage de pièces optiques de précision, à la main ou à la machine, utilisent généralement une pression descendante significative, qui à son tour crée des pressions latérales de frottement importantes pendant les courses de polissage qui peuvent se combiner pour fléchir et déformer localement les pièces. Ces distorsions ne possèdent généralement pas de symétrie en figure de révolution et sont donc astigmatiques, et deviennent lentement polies de façon permanente dans la surface si les problèmes provoquant la distorsion ne sont pas corrigés. Les surfaces astigmatiques et déformées peuvent entraîner de graves dégradations des performances du système optique.

La déformation de surface due au meulage ou au polissage augmente avec le rapport hauteur / largeur de la pièce (rapport diamètre / épaisseur). Dans un premier ordre, la résistance du verre augmente avec le cube de l'épaisseur. Les lentilles épaisses aux rapports hauteur / largeur de 4: 1 à 6: 1 fléchiront beaucoup moins que les pièces à rapport hauteur / largeur élevé, telles que les fenêtres optiques, qui peuvent avoir des rapports hauteur / largeur de 15: 1 ou plus. La combinaison d'exigences de précision d'erreur de surface ou de front d'onde et de rapport d'aspect de la pièce détermine le degré d'uniformité du support arrière requis, en particulier pendant les pressions vers le bas et les forces latérales plus élevées pendant le polissage. Le travail optique implique généralement un degré de caractère aléatoire qui aide grandement à préserver les surfaces en figure de révolution, à condition que la pièce ne fléchisse pas pendant le processus de meulage / polissage.

Astigmatisme délibéré dans les systèmes optiques

Les lecteurs de disques compacts utilisent une lentille astigmatique pour la mise au point. Lorsqu'un axe est plus net que l'autre, les éléments en forme de points sur le disque se projettent sur des formes ovales. L'orientation de l'ovale indique quel axe est le plus net et donc dans quelle direction la lentille doit se déplacer. Une disposition carrée de seulement quatre capteurs peut observer ce biais et l'utiliser pour amener la lentille de lecture à la meilleure mise au point, sans être trompé par des piqûres oblongues ou d'autres caractéristiques sur la surface du disque.

Dans 3D PALM / STORM , un type de microscopie optique à super-résolution , une lentille cylindrique peut être introduite dans le système d'imagerie pour créer un astigmatisme, ce qui permet de mesurer la position Z d'une source de lumière à diffraction limitée.

Les niveaux de ligne laser utilisent une lentille cylindrique pour diffuser un faisceau laser d'un point à une ligne.

Voir également

Les références

Liens externes