Télécharge systèmes optiques simples et systèmes centrés et plus Notes au format PDF de Optique sur Docsity uniquement!
1.1 Notion d’objet et de système optique En optique, on désigne simplement par « objet » tout dispositif émettant ou diffusant de la lumière. Un point objet est un point géométrique d'où émanent des rayons lumineux. Un objet lumineux est un ensemble de points sources.
1 Système optique, points objets, images, espace objet, espace image
Chapitre 2 : systèmes optiques simples (images
par réflexion et réfraction) et systèmes centrés
Par exemples, la flamme d'une bougie peut être considérée comme un objet lumineux, un trou percé dans un écran et éclairé par derrière, une diapositive éclairée, une préparation sur lamelle pour mettre sur la platine d'un microscope, la Lune, etc., sont des objets.
L'observation de ces objets passe généralement par l'usage d'instruments d'optique : loupe, microscope optique, lunette astronomique, télescope, jumelles, appareil photo, etc. De tels instruments sont des systèmes de lentilles et miroirs qui guident par réflexion et réfraction la lumière jusqu'à l'œil, l'écran, la pellicule... De façon générale, on parle alors de « système optique ».
Un système optique est dit centré s’il possède une symétrie de révolution autour d’un axe (cet axe est alors appelé axe optique). Tout point objet O de l’objet est donc un point jouant le rôle de source de lumière pour un système optique. Fichier en local
1.2 Notion d’image L'analyse de la formation des images d'objets par des instruments d'optique repose sur la modélisation de tout objet comme un ensemble de points lumineux : de chaque point de l'objet partent ainsi des rayons lumineux dont une partie est interceptée par le système optique. On dit obtenir l'image d'un point objet, lorsque tous les rayons issus de ce point et passés par le système optique, convergent en un point unique, ou bien semblent provenir d'un point unique. On parle alors de point image ou de l'image du point objet.
1.3 Stigmatisme rigoureux et points conjugués Si un système optique possède la propriété d’associer à un point objet A un et un seul point image A’ on parle de stigmatisme rigoureux. Une telle propriété des systèmes optiques est rare. Nous verrons que seul le miroir plan est stigmatique pour tout point objet. D'autres systèmes ne sont rigoureusement stigmatiques que pour quelques points particuliers. Dans de nombreux cas (en particulier pour les lentilles) on doit se contenter d'un stigmatisme approché (voir plus loin). D’après le principe du retour inverse de la lumière, si le point A’ est considéré comme un point objet du système optique renversé, alors le point image de A’ est le point A. On dit aussi que les points objet A et image A’ sont conjugués pour le système optique.
1.4 Types de systèmes optiques Un système optique constitué uniquement de dioptres transparents séparant des milieux homogènes transparents d’indices différents est appelé système optique dioptrique. Un système dioptrique ne comporte donc que des surfaces réfringentes. Le phénomène réfraction contrôle la propagation de la lumière. C’est le cas des systèmes rencontrés dans beaucoup d’instruments (loupes, microscopes, lunettes astronomiques, jumelles, objectifs photo, etc.). Ces systèmes ont une face d’entrée et une face de sortie distinctes. Un système ne comportant que des surfaces réfléchissantes est appelé système catoptrique. Le phénomène contrôlant la propagation de la lumière est la réflexion. De tels systèmes sont souvent réalisés par une combinaison de miroirs, par exemple dans certains télescopes. Un système comportant à la fois des surfaces réfléchissantes et réfringentes est appelé système catadioptrique. La lumière subit un certain nombre de réfractions, une réflexion puis une nouvelle série de réfractions en sens inverse. La face d’entrée et la face de sortie sont des surfaces dioptriques confondues. Par exemple, la réalisation d’objectifs de très grande ouverture (ou de très longue focale) peut nécessiter l’introduction de miroirs.
1.5 Espace objet et espace image Pour chaque système optique on définit, en fonction du sens d’utilisation par rapport à la direction de propagation de la lumière, un dioptre d’entrée et un dioptre de sortie. Pour un système dioptrique, on définit comme espace objet l’espace se trouvant avant le dioptre d’entrée et l’espace image, l’espace qui se trouve au-delà du dioptre de sortie. Pour les systèmes catadioptrique et catoptrique, on définit comme espace objet et l’espace image, l’espace se trouvant avant le dioptre d’entrée.
Une image est dite réelle si elle peut être observée sur un support physique (écran, pellicule, rétine,…) dans l’espace image du système ; les rayons peuvent donc être reçus sur un écran placé au bon endroit. Une image est dite virtuelle lorsqu’elle se forme avant le dioptre de sortie du système (loupe, lame à faces parallèles) : on peut la voir en plaçant directement son œil dans le faisceau émergent (l'œil accommode automatiquement). 1.6 Types d’images Un point image ou plus simplement, « une image » peut être qualifié(e) de réel(le) ou de virtuel(le).
1.7 Types d’objets Le point objet A est le sommet d’un faisceau conique incident, entrant dans le système optique. Si le faisceau lumineux diverge à partir de A quand il pénètre dans le système optique, A est qualifié d’objet réel vis-à-vis du système optique. La lumière vient effectivement du point A (ou semble seulement provenir de A) : le point A se trouve avant la face d’entrée du système optique. Le point objet A joue le rôle d’objet réel vis-à-vis de {S}.En (a) A se trouve dans l’air ; en (b), A se trouve dans un système antérieur à {S} Si le faisceau incident est convergent au niveau de la face d’entrée du système {S}, le point A est dit objet virtuel vis-à-vis de {S}. Ce sont les prolongements des rayons incidents (tracés en trait discontinu) qui se coupent en A, au-delà de la face d’entrée de {S}. Le point A joue le rôle d’objet virtuel pour le système optique {S}, à distance finie en (a) et à l’infini en (b)
Un point objet réel est donc un point situé avant la face d’entrée du système d’où émergent les rayons lumineux (faisceau divergent à partir de O). Un objet est réel si il existe physiquement. Pour qu’un système optique puisse en donner une image il doit se trouver dans l’espace objet. Un point objet virtuel est un point situé après la face d’entrée du système et vers où convergent les prolongements (à l’intérieur du système) des rayons lumineux entrants (faisceau convergent en O). Un objet est virtuel si il se trouve au-delà du dioptre d’entrée du système. Un tel objet peut-être obtenu lorsque que cet objet est une image produite par un autre système optique.
Le rétroprojecteur, une illustration de la formation par un miroir de l’image réelle d’un objet virtuel (lui-même image d’un objet réel, le transparent éclairé, par une lentille convergente, l’objectif).
