Chap8 [Mode de compatibilité]

IUT Lannion – Optique instrumentale
Plan du cours
– Notions de base et définitions
– Photométrie / Sources de lumière
– Les bases de l’optique géométrique
– Généralités sur les systèmes optiques
– Eléments à faces planes
– Dioptres sphériques
– Les lentilles
– Propriétés de quelques instruments d’optique
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
I – Classification des instruments
a) Les instruments de projection
Ces instruments forment d’un objet (à distance finie ou non) une image
réelle sur un écran ou un photodétecteur (photodiode, photomultiplicateur ou
encore matrice CCD).
Exemples :
- L’appareil photo
- Projecteur de cinéma
- Télescope + détecteur CCD
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
b) Les instruments oculaires
Ces instruments sont associés à l’œil afin de faciliter l’observation, ils
donnent donc une image à l’infinie ou encore virtuelle que l’œil
transformera finalement en image réelle sur sa rétine.
On distingue alors deux sous catégories :
- Instruments pour l’observation d’objet petits et rapprochés.
Exemples : loupe ou microscope
- Instruments pour l’observation d’objet grands et éloignés.
Exemples : jumelles ou lunette astronomique
c) Caractérisation des instruments
En règle générale : on calcule le rapport de la taille de l’image
sur celle de l’objet
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
II – Définitions
a) Grandissement
Le grandissement caractérise un instrument de projection pour lequel
l’image est réelle donc caractérisée par sa taille y ′ .
Nous ne l ’utiliserons que pour les objets à distance finie de taille y.
Dans ce cas le grandissement γ s ’identifie au grandissement
transverse gy :
y′
γ = = gy
y
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
b) Puissance
Ce paramètre caractérise les instruments d ’optique servant à
observer un objet rapproché.
On appelle θ′ l’angle sous lequel est vue par l’œil l’image formée par
l’instrument.
y est la taille de l ’objet (placé à distance rapprochée)
P =
θ′
y
Unité : dioptrie δ ou encore m-1
La puissance dépend de la position de l’œil et du réglage de
l’instrument.
Lorsque l’image est à l ’infini on parle de puissance intrinsèque : Pi
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
c) Grossissement G
Le grossissement est le paramètre servant à caractériser un système
oculaire dont l’objet observé est à grande distance.
Il est défini comme le rapport de l’angle sous lequel est vue par l’œil
l’image formée par l’instrument et l’angle sous lequel est vu l’objet à
l’œil nu.
θ′
θ
œil
θ′
G=
θ
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
On utilise également le grossissement pour caractériser un instrument
servant à observer un objet à distance rapprochée.
Objet sans instrument :
y
œil
θ
dm
dm : distance minimale de vison nette : d m = 25cm
Bien retenir que l’œil « voit net » un objet situé entre l’infini et dm.
On le voit à l ’œil sous un angle maximum : θ = −
Or : θ′ = P y
θ′
Py
=
= −P dm
Donc :
θ − y dm
et :
y
dm
G = −P dm
On définit également le grossissement
intrinsèque commercial :
Gic = − Pi d m = −
Pi
4
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
d) Notions d ’ouverture et de champ d ’un instrument
d ’optique
Un instrument n ’est pas simplement caractérisé par la taille de son image. Il
faut également déterminer la quantité de lumière qu ’il peut capter et la taille du
champ observable.
PE
A
×
α
PS
α′
A′
×
Figure 8.1
La pupille d ’entrée est l ’image du diaphragme du système dans l ’espace
objet.
La pupille de sortie est son image par le système complet.
A l ’aide des pupilles, ont peut définir les angles d ’ouverture objet et image :
α et α′ .
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
L ’angle d ’ouverture est un paramètre important, car il permet de caractériser la
quantité de lumière rentrant dans l ’instrument. Comme pour les fibres optiques
cette quantité est quantifiée par l’ouverture numérique :
ON = n sin α
On appelle le champ d’un instrument d’optique la portion de l’espace objet que
l’on peut observer à travers l’instrument.
Le champ en largeur ou transversal est perpendiculaire à l’axe optique.
La profondeur de champ correspond à la distance dont on peut déplacer l’objet
en conservant une image de bonne qualité.
- La connaissance du champ en largeur permet de savoir si un objet étendu
sera vu en entier ou partiellement.
- De son côté, une profondeur de champ importante permet de disposer d’une
mise au point plus aisée.
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
III – La loupe
Définition : La loupe est une lentille convergente de focale f ′ qui donne d’un
objet à distance finie une image virtuelle agrandie. On la classe dans la
catégorie des instruments oculaires. On va donc la caractériser par sa
puissance.
œil
×
F
Figure 8.2
O
×
F′
θ′
A′, B ′ → ∞
Pour que l’œil n’ait pas à accommoder, il faut placer l’objet dans le plan
focale de la lentille. Dans ce cas l’image est à l’infini.
1
Pi = −
La puissance est la puissance intrinsèque.
f′
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
IV – Le microscope
Le microscope est un instrument destiné à l’observation d’objet très petits. On
peut le schématiser par deux lentilles convergentes :
′
- Un objectif de focale courte (quelques millimètres) : f ob
- Un oculaire dont la focale est plutôt de quelques centimètres : f oc′
Cet instrument se classe dans la catégorie des instruments oculaire, on le
caractérisera par sa puissance intrinsèque et son grossissement
intrinsèque commercial.
Utilisation : Le microscope réalise d’un objet très petit une image à l’infini ou
une image virtuelle agrandie.
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
Schéma du microscope réglé à l ’infini :
y = AB
B
×
A Fob
′
Fob
×
Foc = Ai
×
Oob
objectif
B′ → ∞
Ooc
θ′ Foc′
×
Bi
Figure 8.3
oculaire
Calcul de la puissance :
Par définition : Pmic =
θ′ θ′
=
y AB
Puissance de l ’oculaire :
soit :
θ′
Poc =
Ai Bi
Grandissement de l ’objectif : γ obj =
Ai Bi
AB
Pmic =
θ′ Ai Bi
Ai Bi AB
Pmic = Poc γ ob
A′ → ∞
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
V – La lunette astronomique
La lunette astronomique est utilisée pour observer des objets très éloignés. Elle
permet d’augmenter l’angle sous lequel on voit un objet à l’infini. C ’est un
instrument afocal (sans foyer).
Nous allons étudier ici une lunette astronomique assimilable à l’association de
deux lentilles convergentes.
La lunette astronomique est classée dans la catégorie des instruments oculaires.
L ’image obtenue est renvoyée à l ’infini pour une observation à l ’œil.
L’objet étant à l’infini on caractérise la lunette par son grossissement .
Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique
Schéma de la lunette astronomique
(L2 )
(L1 )
B′ → ∞
θ
O1
Ai = F1′ = F2
×
O2
F2′
×
θ′
A′ → ∞
Bi
Calcul du grossissement :
G=
Figure 8.4
θ′
θ
Rayon angulaire de l ’objet :
AB
θ= i i
f1′
Rayon angulaire de l ’image :
θ′ = −
Ai Bi
f 2′
G=−
f1′
f 2′