Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- CHAPITRE III SYSTÈMES CENTRÉS DANS L’APPROXIMATION DE GAUSS III.1- Éléments cardinaux d’un système centré Les points cardinaux sont l’ensemble de points dont la connaissance permet la détermination complète des propriétés d’un système centré. Ils permettent donc de définir parfaitement ce système. Ce sont les foyers, les points principaux et antiprincipaux, les points nodaux et antinodaux. Certains de ces points sont situés dans un même plan, appelé plan cardinal. Les points et les plans cardinaux constituent les éléments cardinaux d’un système optique centré. 1) Foyers principaux – Plans focaux Le foyer principal objet F (ou image F’) est un point de l’axe optique tel qu’à tout rayon passant par ce point correspond un émergent (ou un incident) parallèle à l’axe optique. Le conjugué de F (ou F’) est donc situé à l’infini sur l’axe (Fig. III.1). Fig. III.1 Les plans focaux PF et PF’ sont les plans de front passant par F et F’. Les foyers secondaires φ et φ’ sont les points de PF et PF’ autres que F et F’. Le système est dit focal si F et F’ sont à distances finies. Il est afocal si ces points sont rejetés à l’infini. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 31 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2) Plans principaux – Points principaux Les plans principaux P et P’ sont deux plans de front conjugués correspondant à un grandissement transversal égal à l’unité : t A ' B' 1 AB Le plan P est le lieu de rencontre de rayons émergents parallèles à l’axe optique et des incidents correspondants (Fig. III.2). Fig. III.2 Le plan P’ est le lieu de rencontre des incidents parallèles à l’axe optique et des émergents correspondants. Pour avoir un grandissement égal à l’unité, on choisit l’émergent [2] suivant le support de l’incident [1] ; on a bien : t H 'K ' 1 . HK Les points principaux (H, H’) sont les points d’intersection des plans P et P’ avec l’axe optique. La distance : e HH ' est appelée interstice du système. Conséquence : A tout rayon passant par un point K de P correspond un rayon émergent passant par un point K’ de P’ situé à la même distance que K. On représente donc le système par le schéma équivalent suivant (Fig. III. 3) : Fig. III.3 Les distances focales objet et images s’écrivent : f HF et f ' H ' F ' ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 32 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Exemple du dioptre sphérique : les points principaux H et H’ sont confondus et très proches du sommet S dans l’approximation de Gauss; ainsi H = H’ # S. 3) Points nodaux Ce sont deux points (N, N’) de l’axe optique tel qu’à tout rayon incident passant par N correspond un émergent parallèle à l’incident et passant par N’ (Fig. III.4). Fig. III.4 Ce sont aussi des points tel que le grossissement (ou grandissement angulaire) du système est égal à l’unité : G ' 1 Considérons un objet AB = FB du plan focal objet (Fig. III.5) ; B étant un foyer secondaire, le faisceau émergent est cylindrique. Fig. III.5 Considérons aussi des rayons passants par les points nodaux N et N’. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 33 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- On en déduit : e HH ' NN ' l’interstice du système. et H Les triangles FBN 'F'K ' sont égaux : f ' H 'F' FN Le principe de retour inverse permet d’écrire : f HF F' N ' Or e NN ' NH HH ' H ' N ' HH ' ; d’où H ' N ' HN H ' N ' H 'F' F' N ' f ' f La figure III.5 montre aussi que : tg KH KH H 'K ' HK # et tg ' #' BK FH F'H ' F' H ' D’où : f' ' f Or d’après la loi des sinus d’Abbe : nHK sin n ' H ' K 'sin ou n n ' D’où la vergence du système : V n' n f' f et le théorème de Lagrange : f n f' n' « Le rapport des distances focales d’un système centré est égal au rapport des indices des milieux extrêmes changé de signe ». 4) Plans antiprincipaux – Points antinodaux Les plans antiprincipaux sont tel que le grandissement : γt = -1. Les points antinodaux sont tel que le grossissement G = -1. III.2- Relations de conjugaison 1) Origines en H et H’ Considérons un objet AB et son image A’B’ par rapport à un système optique centré SO (Fig. III.6). ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 34 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Fig. III.6 et BLK sont semblables : Les triangles FHL tg KL HL A 'B' A 'B' HL f ou (a) AH FH FH KL KL p De même : tg ' K ' L ' K ' H ' BA BA KH f ' ou (b) H ' A ' H ' F' H ' F' KL KL p ' (a) + (b) donne la relation de conjugaison du système avec origines des abscisses aux points principaux H et H’ : f' f 1 p' p avec : p HA et p ' H ' A ' Ou d’après la relation donnant la vergence du système : n' n n' n V p' p f ' f (a) / (b) donne le grandissement transversal: t n p' f p' n' p f' p On montre de même que le grossissement: G d’où : p p' G. t f n f ' n' ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 35 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2) Origines en F et F’ et FHL sont semblables : Les triangles FAB tg HL AB HL HF f ou FH FA AB FA avec FA Les triangles H 'F'K ' et F'A 'B' sont semblables : H 'K ' A 'B' H 'K ' H ' F' f' ou ' F'H ' F'A ' A ' B' F' A ' avec ' F'A ' Puisque H ' K ' HK AB et A ' B ' HL , on en déduit la relation de Newton : . ' f .f ' On en déduit aussi le grandissement : t ' f f' III.3- Association de deux systèmes centrés 1) Construction géométrique Considérons l’association de deux systèmes centrés (I) et (II) limitant un milieu d’indice N (Fig. III.7). Fig. III.7 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 36 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- On pose : H '1 H 2 ; F'1 F2 l’intervalle optique du système. 2) Éléments cardinaux La figure montre que : - F’ est le conjugué de F1’ par rapport au système (II) ; - F est le conjugué de F2 par rapport au système (I). D’où : f ' .f f ' .f F2' F' 2 2 et F1 F 1 1 Les triangles F'H 'K ' et J '2 H '2 F2' sont semblables : H1' K1' H 1' F1' f1' F22 F2 F1' Les triangles F22 F1' et F1' K1' H1' sont semblables : Puisque H1' K1' H 'K ' et H1' J '2 F22 , d’où : f1' .f 2' f .f f ' H 'F' et f HF 1 2 3) Vergence La vergence du système s’écrit : V n' n f' f Or les vergences des systèmes (I) et (II) sont : V1 N f1' n n' N et V2 f1 f2 f 2' et F1' F2 F1' H1' H1' H 2 H 2 F2 f1' f 2 ; d’où la formule de Gullstrand: V V1 V2 V1.V2 N III.4- Application aux lentilles 1) Définition Une lentille est un système réfringent limité par deux surfaces sphériques (Fig. III.8), ou par une face sphérique et une face plane. C’est donc une association de deux systèmes optiques. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 37 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Fig. III.8 La distance entre les sommets S1 et S2 est appelée épaisseur de la lentille: e S1S2 . Une lentille est dite : - mince si l’épaisseur e est négligeable devant les rayons de courbure des dioptres ; - épaisse si e n’est pas négligeable. On distingue les lentilles : - convexe si R < 0 ; - concave si R > 0 ; R SC étant le rayon du dioptre rencontré le premier par la lumière et le sens positif étant celui du trajet de la lumière. Les six formes possibles des lentilles sont (Fig. III.9) : Fig. III.9 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 38 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2) Éléments cardinaux a- Foyers Considérons une lentille d’indic n, plongée dans l’air d’indice unité (Fig. III.10). Fig. III.10 D’après le tracé : - F’ est le conjugué de F1’ par rapport au second dioptre. - De même, F est le conjugué de F2 par rapport au premier dioptre ; d’où : F' F' 2 f 2' .f 2 f ' .f et F1 F 1 1 avec Δ = f2 + ε – f’1 ; S1S2 = e : épaisseur de la lentille, puisque dans l’approximation de Gauss, les points principaux H et H’ d’un dioptre sont confondus avec son sommet S. b- Centre optique C’est un point O de l’axe optique tel qu’à tout rayon intérieur dont le support passe par O correspondent un incident et un émergent parallèles (Fig. III.11). C’est donc le conjugué des points nodaux par rapport aux deux dioptres. Fig. III.11 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 39 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Dans l’approximation de Gauss, les rayons sont paraxiaux, on peut donc considérer que les rayons C2I2 et I1C1 sont parallèles. Les angles C 1C2 I 2 et I1C1C 2 sont donc égaux. SI S I SI S I tg # 1 1 2 2 ou tg # 1 1 2 2 OS1 C2S2 C1S1 C2S2 ; d’où la relation donnant le centre optique O de la lentille : OS1 S1C1 R1 OS2 S2C2 R 2 relation valable si les milieux extrêmes sont identiques. 3) Cas d’une lentille mince a- Centre optique Dans quelles conditions la lentille est considérée comme mince, c’est-à-dire que les sommets S1 et S2 sont confondus ? OS1 S1C1 R1 eR 2 et e S1S2 S1O OS2 ; d’où : OS2 R 2 R1 OS2 S2C2 R 2 Ainsi, e est négligeable si O # S2 = S ; soit si OS2 est très faible ou : e << |R2 – R1|. Dans ce cas, on a la conséquence suivante : « Un rayon passant par le centre optique O n’est pas dévié pour une lentille mince ». b- Points principaux et foyers Pour une lentille mince, puisque O = S1 = S2, les points principaux (H, H’) de la lentille sont confondus avec le centre optique O. En effet : - la lentille est plongée dans l’air : f’ = -f soit FN F' N ' ou FO F'O , les foyers F et F’ sont donc symétriques par rapport au centre O. - or f ' FN FO H 'F' F'O f HF ; H et H’ sont donc en O. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 40 Prof. H. NAJIB Optique Géométrique Février 2013 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- C’est ainsi que l’on représente une lentille mince par un segment vertical (Fig. III.12). Fig. III.12 Pour distinguer une lentille mince convergente d’une lentille mince divergente, on représente les bords d’une lentille par deux prismes dont : - les bases sont en regard pour une lentille convergente; - les arêtes sont en regard pour une lentille divergente. c- Relations de conjugaison On pose : p ' OA ' et p OA ; et puisque e = 0 , on obtient les relations suivantes : - 1 1 1 1 V p' p f ' f - t - . ' f .f ' f 2 f '2 - V (n 1)( p' p 1 1 ) R1 R 2 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Université Ibn Tofaïl Faculté des Sciences Département de Physique Kénitra 41