Optique géométrique - Définition

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 comportement avec une bonne précision. Mais quand la lumière diffuse sur ou passe à travers des objets dont la taille est du même ordre de 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 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 dans laquelle on fait passer 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.
• 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. On mesure quantitativement ce défaut par le critère de Rayleigh

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 (le foyer d'une lentille non achromatique n'est pas le même pour le bleu 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 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.