Optique géométrique
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Introduction

Place de l'optique géométrique

L'optique géométrique est une branche de l'optique, comme le sont l'optique ondulatoire (souvent appelée optique physique) et l'optique quantique. Ces approches ne sont pas opposées, mais complémentaires. L'optique géométrique (L'optique géométrique est une branche de l'optique, comme le sont l'optique ondulatoire (souvent appelée optique physique) et l'optique quantique. Ces approches ne sont...) a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme...) dès l'antiquité ; l'optique ondulatoire (L'optique ondulatoire est la discipline qui étudie la lumière en la considérant comme étant une onde électromagnétique. L'optique ondulatoire s'attache plus particulièrement aux...) a été mise en évidence au XIXe siècle avec l'expérience des fentes d'Young.

Maxwell a montré que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) peut être modélisée par un champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment : le champ électrique E et le champ magnétique...), qui se propage dans une direction perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et...) à lui-même. Lorsque ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) a une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) bien déterminée, l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) associée peut être caractérisée par sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) qui dépend, d'ailleurs, du milieu où elle se propage. Dans ce cas et dans le visible, la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) perçue par le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et constitue le siège...), via l'œil, est la manifestation de la fréquence et non de la longueur d'onde : l'onde est qualifiée de monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par extension de sens, d'une bande très étroite de fréquence...). La diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par...), les interférences ou la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...) nécessitent de prendre en compte la nature ondulatoire de la lumière.

Mais beaucoup de phénomènes peuvent être interprétés en ne considérant que la direction de propagation de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de cette onde, le rayon lumineux. C'est l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) géométrique, qui reste l'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la...) le plus flexible et le plus efficace pour traiter les systèmes dioptriques et catadioptriques (ensembles de milieux transparents séparés par des dioptres ou des surfaces réfléchissantes : dioptriques s'ils ne comportent que des éléments réfringents, catadioptriques s'il contiennent, aussi, des surfaces réfléchissantes . Elle permet notamment d'expliquer la formation des images produites par ces systèmes .

Propagation de la lumière et notion de rayon lumineux

Dans le modèle ondulatoire (scalaire ou vectoriel) une onde lumineuse est une variation périodique du champ électromagnétique qui se déplace dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) l'espace. On peut repérer le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le...) de l'onde par celui d'une "surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) d'onde" (ou surface équiphase), sur laquelle le champ électromagnétique a une valeur constante. Dans le cas d'une onde progressive, ces surfaces se propagent dans la direction perpendiculaire à elles-mêmes : cette direction est celle des rayons, qui sont donc les normales à ces surfaces d'onde (plus exactement, les rayons lumineux sont la direction de propagation de l'énergie, qui est également la direction de propagation de l'onde électromagnétique dans un milieu homogène et isotrope).

Ainsi :

  • Un rayon lumineux est donc un être théorique : il n'a pas d'existence physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...). Il sert de modèle de base à l'optique géométrique où tout faisceau de lumière est représenté par un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de rayons lumineux.
  • Si la surface d'onde est un plan (onde plane), tous les rayons sont parallèles entre eux : on parle de faisceau parallèle.
  • Si la surface d'onde est un morceau de sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé...) (onde sphérique), tous les rayons se dirigent vers un point (Graphie), ou semblent provenir d'un point : on a un faisceau qui converge en un point, ou qui diverge à partir d'un point.
  • Plus généralement, lorsque la surface d'onde est concave ou convexe (En géométrie, un objet est convexe si pour toute paire de points { A , B } de cet objet, le segment [AB] qui les joint est entièrement contenu dans l'objet. Par exemple, un cube plein, un disque ou une boule sont convexes, mais un objet...), le faisceau est convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ) ou divergent. Un faisceau ne sera convergent que dans un domaine de l'espace déterminé par la zone de convergence (Le terme de convergence est utilisé dans de nombreux domaines :). Lorsqu'un faisceau converge, après cette zone il est divergent. Si on considère un faisceau se propageant en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) (voir plus loin le principe du retour inverse de la lumière), les domaines de convergence et de divergence sont donc inversés.

La célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un phénomène ondulatoire. Elle varie selon les composantes fréquentielles de...) de la lumière dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) est notée c et sa valeur est de 299 792 458 m/s (fixée par décret en 1983). Dans un milieu matériel, la vitesse (On distingue :) de l'onde lumineuse est plus faible que dans le vide. On définit l'indice du milieu par la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) n = c/vv est la célérité de la lumière dans le milieu. La vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène...) étant toujours inférieure à celle de sa propagation dans le vide, n est supérieur à 1.

Quelques remarques à propos des représentations graphiques

Les rayons que l'on dessine, pour localiser une image, ne correspondent pas toujours à ceux qui traversent effectivement le système étudié d'où l'importance du tracé des faisceaux "traités", ensemble des rayons traversant, effectivement, le système optique, tant pour déterminer les dimensions physiques de ses composants que pour préciser les régions de l'espace où l'image finale pourra être observée.

Définitions et lois fondamentales de l'optique géométrique

L'optique géométrique consiste à étudier la manière dont la lumière se propage en ne considérant que la marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui alternatif sur les jambes, en position debout...) des rayons.

L'optique géométrique repose sur deux lois fondamentales :

  • Propagation rectiligne de la lumière : dans un milieu transparent, homogène et isotrope, la lumière se propage en ligne droite : les supports des rayons sont des droites.
  • Principe du retour inverse de la lumière : si la lumière suit un trajet quelconque d'un point A à un point B (y compris dans un système optique), alors la lumière peut suivre exactement le trajet inverse de B vers A. Autrement dit, le sens de parcours change, mais pas les directions.

On appelle dioptre (En optique, un dioptre est une surface séparant deux milieux transparents d'indices de réfraction différents. Si la lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et isotrope, elle est déviée lors du...) la surface séparant deux milieux transparents. Les rayons demeurent rectilignes dans un milieu homogène et isotrope ; ils sont déviés lors du franchissement d'un dioptre ou à la rencontre d'une surface réfléchissante. Le changement de direction aux interfaces est décrit par les lois de Snell-Descartes (Les lois de Snell-Descartes décrivent le comportement de la lumière à l'interface de deux milieux. Ces lois sont au nombre de deux, une pour la réflexion et une pour la réfraction. Avec la...).

Lois de Snell-Descartes

On considère un rayon se propageant dans un milieu homogène et isotrope d'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été...) n1, et tombant sur une surface (dioptre ou surface réfléchissante). Le plan d'incidence est le plan qui contient le rayon incident et la normale à la surface au point d'incidence. L'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'incidence est l'angle entre le rayon et la normale à la surface.

n1">Réfraction avec un indice n2 > n1
Réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change entre...) avec un indice n2 > n1

Si le rayon lumineux tombe sur une surface réfléchissante, il est dévié. Le rayon réfléchi reste dans le plan d'incidence et sa direction de propagation est telle que l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence. Ce phénomène est connu depuis les travaux de Ptolémée, Alhazen ou Kepler, de même que, qualitativement, la déviation au franchissement d'un dioptre.

Lorsque le rayon lumineux tombe sur une surface séparant le milieu où il se propage ( milieu d'incidence ) d'un autre milieu, d'indice de réfraction n2, il donne naissance, dans ce second milieu, à un rayon qui n'est pas dans son prolongement (sauf à l'incidence normale) : c'est le rayon réfracté. Snell et Descartes ont montré, indépendamment, que dans le cas où les deux milieux sont homogènes et isotropes, la réfraction suivait une loi "simple" en sinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour étudier les triangles et modéliser des phénomènes périodiques. Elles...).

Au niveau de l'interface :

  1. Les rayons lumineux réfléchis sont dans le plan d'incidence, et tels que l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence.
  2. Les rayons lumineux transmis sont dans le plan d'incidence, et tels que l'angle de réfraction est lié à l'angle d'incidence par la formule
 
 \ n_1 sin(\theta_1) = \ n_2 sin(\theta_2) 
 

où n1 est l'indice du milieu d'incidence, n2 celui du milieu de réfraction, θ1 l'angle d'incidence et θ2 l'angle de réfraction. De plus, l'indice dépend généralement de la longueur d'onde de la lumière incidente et la réfraction conduit alors à la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent...) d'une lumière polychromatique. Le rayon réfléchi (ou réfracté) et le rayon incident se situent de part et d'autre de la normale.

Remarque 1 : les deux phénomènes, réflexion et réfraction peuvent, évidemment, être expliqués dans le cadre de l'Optique ondulatoire.

Remarque 2 : ces lois peuvent aussi s'obtenir dans des milieux non homogènes par l'intermédiaire du Chemin optique

Stigmatisme (Un système optique est dit stigmatique si tout faisceau issu d'un point lumineux donne à la sortie du système, un faisceau convergent en un point, ou semblant provenir d'un point. Ce point est appelé image.) et notion d'image optique

Image réelle
Image réelle
Image dite virtuelle
Image dite virtuelle

Un système est dit rigoureusement stigmatique lorsque tous les rayons issus d'un point (source isogène) et traversant le système ont tous leurs supports concourants.

Le point image est dit réel s'il est situé en aval de l'élément optique par rapport au sens de propagation de la lumière. Il est dit virtuel s'il est situé en amont de de l'élément optique par rapport au sens de propagation de la lumière. Inversement, un point objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par...) est réel s'il est situé en amont de l'élément optique par rapport au sens de propagation de la lumière et virtuel s'il est situé en aval de l'élément optique par rapport au sens de propagation de la lumière.

La propriété dite de stigmatisme est étroitement liée à la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) d'image optique. Pour un objet donné, un système optique en donne une image (stricto sensu) que s'il est stigmatique pour tous les points de l'objet. Dans ce cas, chaque point de l'objet à un point image et l'objet lui-même a donc une image.

Dans la pratique cette propriété est rarement réalisable. On est amené à parler de stigmatisme approché lorsque les rayons convergent presque en un même point, c'est-à-dire lorsque la zone de convergence a une taille inférieure à la résolution de notre vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) (aptitude à distinguer deux points objets voisins : typiquement, dans des conditions optimales de contraste et d'éclairement, l'œil humain peut "séparer", à une distance de 10 m, deux points écartés de 3 mm : on parle de pouvoir séparateur ou de résolution de la vue).

Stigmatisme rigoureux du miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée, est...) plan

Dans la figure ci-contre, ont été représentés quelques rayons issus d'un objet lumineux réel et venant se réfléchir sur le miroir (que l'on schématise par un segment muni de hachure à l'arrière) selon les lois de Snell-Descartes.

Un observateur, et ce, quelle que soit sa position dans le faisceau réfléchi, recevra de la lumière qui lui semble provenir d'un point symétrique de l'objet par rapport au plan du miroir : l'image (virtuelle) que l'observateur voit.

Cette image est symétrique de l'objet par rapport au plan du miroir et a la même taille (grandissement = 1). Elle est virtuelle, car elle est située en amont du miroir si on considère le sens de propagation des rayons réfléchis.

Stigmatisme approché du dioptre plan
Non stigmatisme du dioptre plan, conséquence des lois de Snell-Descartes
Non stigmatisme du dioptre plan, conséquence des lois de Snell-Descartes
Condition pour un stigmatisme approché
Condition pour un stigmatisme approché

Il est facile de vérifier avec un papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente...) et un crayon (et une calculette) que la réfraction fait du dioptre plan un système non-stigmatique : les rayons issus d'un point, traversant le dioptre, donnent un ensemble de réfractés qui ne se coupent pas tous au même point.

L'illustration ci-dessus montre que la lumière issue d'un point placé dans un aquarium, par exemple, donne des rayons réfractés dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) qui ont des directions sans point commun.

Pourtant, on lit, parfaitement, un journal placé, à plat, au fond d'une baignoire remplie d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (si l'eau n'est ni agitée, ni savonneuse !). C'est donc qu'un point sur un i, par exemple, constitue un objet qui forme une image de bonne qualité sur la rétine (La rétine est l'organe sensible de la vision. D'origine diencéphalique, elle est une mince membrane pluri-stratifiée d'environ 0,5 mm d'épaisseur...) de l'œil de l'observateur. Ceci n'est possible que parce que le faisceau de lumière, tombant sur notre pupille (Dans l'œil, la pupille est le trou situé au milieu de l'iris. Il nous apparaît noir étant donné que la majorité de la lumière entrant à l'intérieur de l'œil est absorbée par les...), est suffisamment étroit, du fait de la faible dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est...) de cette pupille. Ainsi les rayons, issus du point sur le i- supposé , en toute rigueur, coloré ! - , qui atteignent la rétine, y forment, après réfraction, une tache assez petite pour que notre cerveau l'assimile à un point. On est bien alors dans un cas de stigmatisme approché ; si la tache est inférieure à la résolution de notre œil : l'image semble nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien νη̃ττα, variante de...). Si la tache est plus grande, l'image est floue. C'est pour cette raison qu'un "gros'œil" de dinosaure (Les dinosaures (du grec Dinosauria) forment un clade extrêmement diversifié de vertébrés diapsides représentés actuellement par les oiseaux. Ce sont des archosaures ovipares ayant en...) ne pourrait lire le journal immergé... mais la question ne se pose pas puisqu'au jurassique la presse n'existait pas ! (ni sans doute la baignoire).

Remarque : l'image obtenue par réflexion sur un miroir plan est localisée indépendamment de la position de l'observateur ; au contraire, l'image approchée obtenue par réfraction dépend de la position de ce dernier ! On l'observera, au bord d'une piscine, en se déplaçant légérement : le reflet (Un reflet est, en physique, l'image virtuelle formée par la réflexion spéculaire d'un objet sur une surface. La nature spéculaire de la réflexion est...) du bord est incontestablement "fixe" tandis que le fond semble un "tapis volant" se mouvant au gré de nos propres déplacements !

Systèmes centrés : image d'un objet étendu - aplanétisme

Très souvent les éléments d'un système optique ont une symétrie de révolution. On parle de système centré lorsque les différents éléments ont un axe de symétrie commun : l' axe principal .

Un tel système est alors défini par ses éléments cardinaux - foyers et plans principaux, notamment, permettant de définir les distances focales et de construire les images.

Un objet n'est généralement pas ponctuel : on parle alors d'objet étendu. Le stigmatisme pour un point, qu'il soit rigoureux ou approché, ne garantit pas l'obtention de l'image d'un objet quelconque. Lorsque le stigmatisme est conservé au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité...) d'un point et dans un plan perpendiculaire à l'axe optique, on dit que le système est aplanétique. L'image d'un petit objet perpendiculaire à l'axe est alors dans le plan perpendiculaire à l'axe contenant les images des points constituant l'objet.

Dioptres et miroirs quelconques

Il faut insister sur le fait que les lois, précédemment définies, n'exigent en rien la planéité de l'interface : ce sont des lois locales applicables si l'on peut définir une normale à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir...) au point où le rayon l'atteint (point d'incidence) .

Les lois de Snell-Descartes s'appliquent donc lorsque les surfaces sont non-planes. L'application des lois de la réflexion et de la réfraction permettent alors de tracer le devenir de tout rayon incident, donnant ainsi des informations sur la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures...) du faisceau réfléchi et (ou) du faisceau réfracté.

La figure ci-contre donne un exemple dans le cas d'un dioptre concave, où le milieu de réfraction (en bleu) est plus réfringent que le milieu d'incidence.

Le cas du dioptre sphérique est particulièrement important puisqu'il limite les faces des lentilles les plus couramment et les plus anciennement employées, car, techniquement par usure et polissage, les plus faciles à réaliser.

Pour les miroirs, ce sont, en plus des miroirs plans, les miroirs sphériques et les miroirs paraboliques (réflecteurs des phares de voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en...), par exemple) les plus utilisés.

Quelques applications

Succession de dioptres

La succession de deux dioptres plans non parallèles constitue un prisme, dont les propriétés de réflexion totale (En optique géométrique, un rayon lumineux traversant une séparation entre deux milieux d'indices optiques différents peut subir une réflexion et une réfraction. Lorsqu'il n'y a pas de rayon...) ou de dispersion en font un objet largement utilisé. (Actuellement il est supplanté par les réseaux ( optique physique ) ).

La succession de deux dioptres dont l'un est sphérique (ou cylindrique) constitue une lentille.

Les instruments d'optique

  • La loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant d'obtenir d'un objet une image agrandie. La loupe est la forme la plus simple du microscope optique, qui, lui, est constitué de plusieurs lentilles :...)

La loupe est l'instrument d'optique réfractant le plus simple : elle est constituée d'une unique lentille convexe.
Son utilisation repose sur la possibilité d'obtenir une image, de même sens que l'objet, (droite et virtuelle) : des détails de l'objet sont alors vus sous un angle plus grand qu'il ne pourraient l'être à l'œil nu. Pour cela il faut que l'objet soit situé à une distance de la loupe inférieure ou égale à la distance focale (Les distances focales, respectivement objet et image, d'un système optique centré convergent ou divergent sont, par définition, les distances algébriques séparant respectivement le plan principal objet H du foyer objet F et le plan principal...).

  • L'appareil photographique

Le principe de l'appareil photographique est également des plus simples : une seule lentille convergente (en réalité une combinaison (Une combinaison peut être :) savante et complexe - souvent secrète - de plusieurs lentilles réelles), qui donne de l'objet une image réelle recueillie sur un "écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de texte et d'images en deux...)". Dans ce cas, l'image est, généralement, plus petite que l'objet. Seule particularité de cet instrument, il nécessite un récepteur sensible à la lumière pour "enregistrer" l'image. Ce récepteur peut être une pellicule contenant des sels d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) photosensibles ( procédé chimique de la photo dite argentique) ou une cellule photosensible (CCD) ( procédé physique de la photo dite numérique) : l'un des moyens n'ayant pas plus de "noblesse" que l'autre ; il s'agit, dans les deux cas, de photographie.

  • Télescope de Newton (Le télescope de Newton, souvent appelé communément un « Newton », est un dispositif optique composé de 2 miroirs. C’est donc un dispositif à objectif « réflecteur » (qui réfléchit la...)

Il s'agit d'un système afocal constitué d'un miroir parabolique ou sphérique de grand diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre...) chargé de collecter la lumière provenant des étoiles, suivi d'une lentille de plus courte focale (l'oculaire) servant de loupe pour regarder l'image intermédiaire. L'astuce du télescope de Newton est d'interposer un petit miroir plan qui permet de placer l'oculaire (Un oculaire est un système optique complémentaire de l'objectif. Il est utilisé dans les instruments tels que les microscopes ou les télescopes pour agrandir l'image produite au plan focal de...) à 90°.

  • Lunette astronomique (Une lunette astronomique est un instrument optique qui permet d'augmenter la taille apparente et la luminosité des objets du ciel lors de leur observation.)

Il s'agit d'un système afocal constitué d'une lentille de grand diamètre et de grande distance focale (l'objectif) chargée de collecter la lumière provenant des astres, suivie d'une lentille de courte distance focale (l'oculaire) servant de loupe pour regarder l'image intermédiaire.

Remarque : la lunette astronomique donne une image "renversée". Elle est donc peu adaptée à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) des objets terrestres. On utilise la lunette dite, justement, terrestre ou lunette de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du XVIIe siècle, célèbre pour avoir jeté les fondements des sciences mécaniques...), instrument ayant l'objectif, précédemment décrit, mais utilisant une lentille divergente comme oculaire : de la sorte, l'image finale est "droite".

  • Microscope
Principe du microscope ; objet, image intermédiaire, image finale
Principe du microscope ; objet, image intermédiaire, image finale

Le principe du microscope optique est d'obtenir une image très agrandie d'un objet réel, de faible dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre...), situé à distance finie, gràce à une lentille, de très courte focale, appelée objectif, et d'observer à l'aide d'une loupe (en fait un oculaire puissant) cette image agrandie : cet instrument emploie donc deux lentilles convergentes. .

Défauts inhérents à l'utilisation de dioptres plans ou sphériques

Ces défauts sont dus au caractère non-stigmatique ou dispersif des éléments utilisés donnant lieu aux aberrations : on distingue les aberrations géométriques (ou, plus restrictivement, de sphéricité) découlant du non stigmatisme et les aberrations dites chromatiques provenant du caractère dispersif des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (le foyer d'une lentille non achromatique n'est pas le même pour le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...) que pour le rouge). Afin d'atténuer les défauts de sphéricité, ou de les supprimer, on emploie actuellement des dioptres "asphériques" souvent mentionnés dans la "formule" des objectifs commerciaux.
L'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) des défauts chromatiques est réalisée par l'association de verres, au pouvoir dispersif adéquat, permettant une compensation satisfaisante dans une certaine gamme de longueurs d'onde : les meilleures corrections sont signalées par l'appellation "apo" (pour apochromatique) des objectifs concernés.

Limite de l'optique géométrique

L'optique géométrique ne permet pas d'expliquer tous les phénomènes lumineux. En particulier, elle ne tient pas compte du fait que la lumière est de nature ondulatoire. Lorsque tous les objets qui interagissent avec la lumière ont des tailles caractéristiques grandes devant la longueur d'onde du rayon lumineux alors il est convenable et plus simple d'utiliser l'optique géométrique pour décrire son conportement avec une bonne précision. Mais quand la lumière diffuse sur ou passe à travers des objets dont la taille est du même ordre grandeur (voire plus petits) que sa longueur d'onde alors il n'est plus possible de négliger l'aspect ondulatoire et on entre dans le domaine de l'optique ondulatoire.

Deux phénomènes caractéristiques de l'optique ondulatoire, inexplicables dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...) de l'optique géométrique, sont les interférences lumineuses et la diffraction.

  • Le premier est bien mis en évidence par l'expérience des fentes de Young (Les fentes de Young sont l'objet d'une expérience de physique réalisée en 1801 par Thomas Young qui consiste à diriger de la lumière sur deux petit trous (ou fentes). La lumière est ensuite récupérée sur un écran. On y...) dans laquelle on fait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de la lumière à travers deux trous percés sur un cache: la lumière résultante observée sur un écran au delà du cache présente des variations spatiales d'intensité qui ressemblent d'autant plus au résultat attendu par l'optique géométrique que la distance qui sépare les deux trous est grande devant la longueur d'onde[1].
  • Le deuxième est mis en évidence en faisant passer de la lumière à travers un simple trou circulaire. Si la taille du trou est grande devant la longueur d'onde alors l'image recueillie sur un écran est une tache correspondant à l'image du trou selon l'optique géométrique. Mais si le trou voit sa taille rétrécir alors on voit se développer une tache d'Airy avec des anneaux lumineux secondaires au delà de l'image ordinaire. Ce phénomène, qui est minime pour des instruments d'optique usuels comme les lentilles de télescopes mais tout de même présent, fait partie des défauts optiques inévitables de tout instrument et limite son pouvoir de résolution (En optique, le pouvoir de résolution d'un système optique désigne sa capacité à distinguer des détails fins. Il est défini comme la distance angulaire minimale entre deux éléments d'un objet qui permet d'en obtenir deux...). On mesure quantitativement ce défaut par le critère de Rayleigh

Notes

  1. Il est donc techniquement plus facile de réaliser des interférences avec des ondes radio qu'avec des rayons X.
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