Focalisation (optique) - Définition

Introduction

En optique, la focalisation est l'opération qui consiste à concentrer des rayons provenant d'un point en un autre point. Lorsque l'on est très loin de l'objet observé cela revient à concentrer les rayons parallèles entre eux en un même point. Ceci se fait soit à l'aide de miroirs, soit à l'aide de lentilles.

Intérêt de la focalisation

La focalisation consiste à obtenir une image nette d'un objet. Le terme « image » est à prendre au sens large d'information caractéristique sur l'objet.

En effet, les informations émises par l'objet (par exemple la lumière qu'il diffuse) partent en général dans tous les sens, elles se « diluent » dans l'espace. Si l'on veut collecter une quantité suffisante d'informations (avoir suffisamment de signal, de luminosité), il faut donc reconcentrer ces informations, en séparant ce qui provient de tel ou tel point de l'objet. C'est là le but de la focalisation. L'image est nette si l'information attribuée à un point de l'objet provient bien de ce point et pas d'un autre. L'image est floue si les informations provenant de plusieurs points se mélangent.

Il existe deux types de phénomènes pour lesquels la focalisation est utile :

• dans le cas de la diffraction, par exemple pour l'analyse par diffraction sur un cristal, ou bien pour l'analyse spectrale par dispersion de longueur d'onde ;
  chaque point du cristal diffractant émet dans toutes les directions, et on veut collecter tous les rayons ayant la même déviation ; il faut donc concentrer ces rayons, quel que soit leur point d'origine, en un même point ;
• en photographie et en astronomie, on veut observer des objets situés proches ou bien « très » éloignés (en général des étoiles dans le second cas) ;
  pour les objets lointains, les rayons (lumineux, radio ou rayons X) qu'émettent ces objets arrivent parallèles, le fait de collecter ces rayons sur une grande surface puis de les concentrer en un point donné permet d'avoir plus de signal.

Dans le cas de la focalisation de rayons parallèles, les rayons se concentrent dans un plan nommé le plan focal. Chaque point du plan focal représente une direction de rayons. Le plan focal représente un espace dual de l'espace réel.

Focalisation de rayons provenant de l'infini

Dans le cas des instruments d'optiques, l'image donnée par l'objectif est en général observée via un oculaire, dont le but est de donner une image « à l'infini » (cela permet à l'œil de relâcher les muscles chargés de l'accommodation, ce qui présente un meilleur confort d'observation). Si l'objectif focalise la lumière, l'instrument est globalement afocal.

Principe et intérêt

Lorsque la distance entre les objets observés et l'instrument d'optique est faible (figure de gauche), la direction des rayons n'est pas caractéristique de la direction de l'objet. Lorsque cette distance est grande (figure de droite), on peut sélectionner la direction observée en sélectionnant la direction des rayons

Lorsqu'un système optique observe des objets qui sont proches, les rayons lumineux provenant d'un objet ne sont pas tous parallèles, et des rayons parallèles ne proviennent pas nécessairement d'objets qui sont dans la même direction (par rapport à l'axe optique).

Par contre, lorsque les objets sont très éloignés comme par exemple des astres dans le ciel, alors les rayons issus d'un point et qui arrivent dans le système optique sont tous parallèles entre eux, et leur direction est la direction de l'objet par rapport au centre optique. On peut le constater de manière simple : si l'on ferme un œil puis l'autre, ou si l'on se déplace d'un pas dans n'importe quelle direction, on voit toujours les astres au même endroit. Cela prouve bien que ce qui importe, c'est la direction observée et non pas le positionnement de l'observateur à quelques mètres près (ce qui n'est pas le cas pour les objets proches de l'observateur).

Ainsi, en sélectionnant une direction de rayons, on sélectionne aussi une direction dans le ciel, donc un objet.

Donc, si l'on met un écran sur le plan focal d'une lentille ou d'un miroir courbe, chaque tache correspondra à la lumière captée venant d'une même direction donc venant d'un même objet (ou d'objets alignés). Plutôt que de mettre un écran, on met en général un miroir, qui prend moins de place et permet de rallonger le trajet optique, donc l'agrandissement de l'image. Plus l'ouverture de l'instrument d'optique est grand, plus on collectera de lumière, plus l'intensité sera importante, mais plus on s'éloignera des conditions de Gauss, moins la focalisation sera parfaite (image floue).

Par ailleurs, si un obstacle bouche partiellement l'ouverture de l'instrument d'optique, cela va diminuer l'intensité visualisée, mais n'altèrera pas l'image, puisqu'il suffit de prendre des rayons venant à côté de l'obstacle (n'oubliez pas que seule la direction des rayons compte). Ainsi, la présence d'un petit miroir devant l'ouverture du grand miroir dans les télescopes de Newton et de Cassegrain ne gêne pas la formation de l'image. La présence du capteur devant le miroir d'une parabole de télévision ne gêne pas la réception des ondes.

Exemples

Télescopes optiques

Les télescopes utilisent des miroirs paraboliques ou sphériques pour focaliser la lumière provenant des astres. Comme le plan focal se trouve devant le miroir focalisateur, donc sur le trajet des rayons arrivant, les rayons réfléchis sont déviés par un autre miroir, ce qui permet d'avoir une image du plan focal du premier miroir. Cette image du plan focal est observée grâce à un dispositif optique appelé oculaire.

Dans le cas des télescopes dits de Schmidt-Cassegrain, le premier miroir est percé en son centre, les rayons sont renvoyés derrière le miroir à travers le trou. Le second miroir, hyperbolique, est perpendiculaire à l'axe optique du télescope.

Dans le cas des télescopes dits de Newton, les rayons sont renvoyés sur le côté par un miroir plan incliné à 45 ° par rapport à l'axe optique du premier miroir.

Schéma de principe du télescope de Cassegrain

Schéma de principe du télescope de Newton

Lunettes astronomiques, longues-vues et jumelles

Focalisation de rayons parallèles par une lentille

Dans une lunette astronomique, une longue-vue ou des jumelles, la focalisation se fait avec une lentille convergente. Les rayons frappant la lentille avec un angle donné convergent tous vers un point du plan focal. Ainsi, de même qu'avec un miroir parabolique ou sphérique, les points lumineux du plan focal représentent l'intensité reçue en fonction de la direction des rayons d'origine. On place également un oculaire derrière la lentille de focalisation afin de former l'image dans l'œil de l'observateur.

Télescopes à rayons X

Du fait de leurs caractéristiques, les rayons X sont habituellement diffractés ou absorbés par la matière. Toutefois, si l'angle d'incidence est important (incidence rasante, le rayon est presque parallèle à la surface), on a de la réflexion totale. Cette propriété permet de focaliser les rayons X avec un miroir parabolique. L'incidence devant être rasante, on ne peut pas utiliser la partie du miroir proche de l'axe optique (l'incidence est quasiment normale à cet endroit). On utilise un anneau du paraboloïde de révolution et non une calotte.

On peut ainsi faire des télescopes à rayons X afin de capter ces longueurs d'onde émises par les étoiles et autres objets célestes. Les rayons X étant absorbés par l'atmosphère terrestre, de tels télescopes sont embarqués dans des satellites, comme Chandra (NASA) et XMM-Newton (ESA).

Voir aussi Astronomie des rayons X.