Cours d’optique géométrique Anne-Laure Melchior (UPMC)

1. Crédit: Hergé, L’étoile mystérieuse Crédit: US Food & Drug Administration Cours d’optique géométriqueAnne-Laure Melchior (UPMC) Aurore boréale en Alaska. Crédit: Wikipédia

2. Plan • Introduction • Approximations et omissions de l’optique géométrique • Systèmes optiques • Instruments d’optique

3. L’optique … Ce que perçoit l’œil Une science vieille de 2000 ans • Grecs: • Aristote (384-322 av JC) : éther (pas de vide) • Euclide (325-265 av JC) : loi de la réflexion, rayon lumineux • Ptolémée (100-170 ap JC) : étude de la réfraction (pas la loi) • Héron d’Alexandrie (100 ap. J.-C.) : trajet le plus court • Arabes: • Ibn Al-Haytham (965-1039) : concept d’image, formation des images /l’œil • 13ème siècle: miroirs, besicles, arc-en-ciel • 17ème siècle : débat sur la nature ondulatoire/corpusculaire de la lumière - 1609 : Galilée: lunette, microscope • 1611 : loi de la réfraction (Willebrordus Snellius), lunette astronomique / Kepler • 1637 : Dioptrique de Descartes: formulation mathématique des lois de l’optique • 20ème siècle : complémentarité  optique physique mécanique quantique, électromagnétisme

4. l L’optique c = l n c = 3 x 108 m/s Vitesse de la lumière

5. L’optique géométrique est une approximation… 1: ce que l’on suppose l  0 ; propagation rectiligne dans milieu homogène i.e. l petit par rapport aux instruments de mesure •  des rayons lumineux indépendants les uns des autres • Dans un milieu homogène, transparent et isotrope, les rayons lumineux sont des lignes droites. • A la surface de séparation de deux milieux, les rayons lumineux obéissent aux lois de Snell-Descartes. • Principe du retour inverse de la lumière

6. L’optique géométrique est une approximation… 1: ce que l’on suppose Fondements de l’optique géométrique déduits du Principe de Fermat = principe du moindre temps selon lequel la lumière suit le trajet de plus courte durée [utilise chemin optique défini par la théorie ondulatoire de la lumière…] = chemin optiquedL = n(l)dl extrémal (minimal/maximal)

7. L’optique géométrique est une approximation… 2: ce que l’on néglige • Interférences et diffraction (phénomènes liés à la nature ondulatoire de la lumière) Source : http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ Bulles de savon : couleurs interférentielles Diffraction de la lumière sur un CD

8. L’optique géométrique est une approximation… 2: ce que l’on néglige • Stigmatisme : 1 objet  système optique  1 image  Conditions de Gauss: rayons quasi axiaux Système non stigmatique http://www.uel.education.fr/consultation/reference/physique/optigeo

9. Les trois lois de Snell-Descartes • 1ère loi : Les rayons réfléchi et réfracté sont dans le plan d’incidence. • 2ème loi : Les angles d’incidence et de réflexion sont égaux et de sens contraire : 1 = - 3 • 3ème loi : Pour un rayon lumineux monochromatique, on a : n1 sin 1 = n2 sin 2 1 = - 3 Indice de réfraction d’un milieu: ni = c / vi , vi vitesse de propagation de l’onde lumineuse dans le milieu.

10. Les trois lois de Snell-Descartes • 3ème loi : n1 sin 1 = n2 sin 2 Si1 (et 2) est petit, alors : sin 1≈1& sin 2≈2n11≈ n22 (approx. Képler) • L’indice de réfraction ni dépend • de la longueur d’onde • de la température Indice de réfraction d’un milieu: ni = c / vi , vi vitesse de propagation de l’onde lumineuse dans le milieu.

11. Les trois lois de Snell-Descartes Principales difficultés : les notations et le schéma ! Plan d’incidence

12. Les trois lois de Snell-Descartes Applet java : http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=49.0

13. Deux des trois lois de Snell-Descartes Réfraction (3ème loi) Réflexion (2ème loi) http://fr.wikipedia.org/wiki

14. Miroir plan et dioptre plan Objet : A -- réel Image : A’ -- virtuelle Objet: A1 -- réel Image: A2 -- virtuelle http://www.uel.education.fr/consultation/reference/physique/optigeo

15. Miroir sphérique et dioptre sphérique http://www.uel.education.fr/consultation/reference/physique/optigeo

16. Lentilles épaisses Association de : • 2 dioptres sphériques Ou • 1 dioptre sphérique + 1 dioptre plan http://www.uel.education.fr/consultation/reference/physique/optigeo

17. Lentilles minces : les approximations • Epaisseur axiale négligeable comparée aux rayons de courbures des deux faces et la distance de leurs centres • e=S1S2 << S1C1; e << S2C2; e<< C1C2 F: foyer objet; F’: foyer image F: foyer objet; F’: foyer image F’ F F’ F

18. Lentilles minces: constructions géométriques Lentille convergente Lentille divergente Distance focale image: f’=OF’ ─ Distance focale objet : f=OF=-f’ ─ http://www.uel.education.fr/consultation/reference/physique/optigeo

19. Lentilles minces : les formules Grandissement Formule de conjugaison LENTILLE CONVERGENTE Vergence : v = 1 / f’ Unité : dioptrie 1d = 1 m-1 V > 0 & f’ > 0 Foyers réels

20. Lentilles minces : les formules Grandissement Formule de conjugaison LENTILLE DIVERGENTE Vergence : v = 1 / f’ Unité : dioptrie 1d = 1 m-1 V < 0 & f’ < 0 Foyers virtuels

21. Association de lentilles minces accolées Théorème des vergences : Vtot = V1 + V2 + V3 +… 1 système de N lentilles minces accolées ~ 1 lentille mince unique

22. Autres qualités des instruments d’optique • Configurations où l'instrument donne une image virtuelle d'un objet réel à distance finie (loupe, oculaires positifs, microscope...). Puissance optique(en dioptries) a’ exprimé en radians AB est exprimé en m. a’ ~ tan a’ = A’B’/d

23. Autres qualités des instruments d’optique • Grossissement optique(grandeur sans dimension) = rapport de l'angle sous lequel est vu l'objet observé à travers l'instrument d'optique par rapport à celui sous lequel il est vu à l'œil nu.

24. Autres qualités des instruments d’optique • Grossissement commercial = valeur standardisée du grossissement pour laquelle on fixe la distance à laquelle est vu l'objet à l'œil nu à 0,25 m (valeur moyenne minimum de vision distincte d'un œil sain). Il sert à caractériser un oculaire ou une loupe par exemple.

25. Autres qualités des instruments d’optique • Pouvoir séparateur = aptitude d’un instrument d'optique à séparer des détails rapprochés angulairement ou linéairement.  Définition d’une limite angulaire ou linéaire de séparation (ou de résolution) dont l'inverse sera appelé pouvoir séparateur ou pouvoir de résolution angulaire ou linéaire.

26. Application : modèle simplifié de l’œil • distance minimale de vision distincte pour l'œil normal : 25 cm (accommodation) • Distance maximale : ∞(au repos) http://www.chimix.com/

27. Application : modèle simplifié de l’œil

28. Application : la loupe Objets > 100 mm  Œil nu 100 mm > Objets > 3mm  Loupe Extrait de « Optique géométrique. Imagerie et instruments » de Bernard Balland

29. Application : la loupe Latitude de mise au point Cas d’un œil « normal » : AR= F =A1 [Loupe]  PR= ∞  [Œil au repos]  Rétine AP= A2 [Loupe]  PP= 25cm  [Œil accommodant] Rétine Cas d’un œil non « normal » (myope, hypermétrope) : PR et PP sont différents Extrait de « Optique géométrique. Imagerie et instruments » de Bernard Balland

30. Application : l’oculaire • Similaire à la loupe, mais corrige des aberrations géométriques et chromatiques • Association de deux lentilles minces non accolées (lentille de champ + lentille d’œil) • Oculaires de Huygens et de Ramsden  Équivalent à un système centré

31. Application : le microscope Comment l’œil peut-il accommoder ? - Intérêt? / g Objectif Oculaire F’2 F2 O O F1 F’1 http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/optigeo/doublets.html

32. Application : le microscope Comment l’œil peut-il accommoder ? Objectif Oculaire F’2 F2 O O F1 F’1 http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/optigeo/doublets.html

33. Application : le microscope Observation confortable pour l’œil au repos Objectif Oculaire F’2 F2 O O F1 F’1 http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/optigeo/doublets.html

34. Application : le microscope Accommodation de l’oeil Objectif Oculaire F’2 F2 O O F1 F’1 http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/optigeo/doublets.html

35. Bibliographie • Ouvrages: - « Optique géométrique. Imagerie et instruments » de Bernard Balland, Presses polytechniques de universitaires romandes, 2007 • Sites web et animations : - Université du Mans : simulation de doublets http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/optigeo/doublets.html • Université en ligne – Physique/Optique géométrique http://www.uel.education.fr/consultation/reference/physique/optigeo/