Petit historique de l`optique - Etud.insa

Petit historique de l’optique
- 2500 L’usage du verre commence à se répandre.
-1000
-300
0-500
500-1000
1000-1300
1300-1600
Fin XVIe s.
XVIIe s.
XVIIIe s.
XIXe s.
XXe s.
Les peuples Chinois et Maya inventent des instruments d’observation des lumières
célestes.
Apparition de miroirs en cuivre et en bronze.
Euclide : l’œil est la source de la lumière ; théorie des miroirs.
Premières lentilles utilisées pour allumer des feux.
Platon et Ptolémée : Observation de la réfraction (dans l’eau d’abord, puis dans
différents milieux).
Progrès importants dans le monde arabe :
 Alhazen : loi de la réflexion.
 Miroir sphérique, parabolique.
 Description de l’œil humain.
Bacon : utilisation des premières lentilles (verres correcteurs pour l’œil),1285, Italie.
Il existe deux types de lentilles : celles qui font converger la lumière, et celles qui la
font diverger.
Leonard de Vinci et Giorgio Della Porta : l’étude des instruments est réalisée par
des problèmes de géométrie simples.
Janssen : invention du premier microscope (instrument permettant d’avoir l’image
d’un objet ou d’un phénomène de dimensions trop petites pour être visibles à l’œil
nu).
Modèle balistique de la lumière : elle est constituée de particules émises par les
sources et se propagent à des vitesses différentes suivant le milieu.
1608 Lippershey : première lunette astronomique, qui sert également de lunette
terrestre.
1609 Galilée : utilisation de la lunette astronomique pour l’observation
astronomique à Venise. Il découvre notamment les montagnes et cratères de la
Lune ainsi que les quatre principaux satellites de Jupiter.
1611 Kepler : publication d’un ouvrage de dioptrique, dans lequel il explique le
fonctionnement détaillé de la lunette astronomique et le principe de la réflexion
totale interne.
1621 Snell : loi de la réfraction.
1637 Descartes : théorie de l’arc-en-ciel, publication d’un ouvrage de
dioptrique dans lequel il formalise les lois de la réfraction et de la réflexion.
1671 Newton : construction et utilisation du premier télescope.
1676 Mise en évidence d’une vitesse finie pour la lumière (3,15x108m.s-1).
1650-1800 Débats fondamentaux sur la nature de la lumière.
1758 Première lentille achromatique, composée de deux types de verres.
Modèle ondulatoire de la lumière : elle est assimilée à une onde.
Différents physiciens s’intéressent à ce modèle ondulatoire : Young, Fresnel.
Analogie avec l’électromagnétisme : Foucault, Maxwell.
Modèle corpusculaire de la lumière : elle est constituée de quanta d’énergie
appelés photons sans masse qui se propagent à la vitesse de la lumière. C’est la
base de la mécanique quantique et de l’électrodynamique quantique.
Dualité entre les deux modèles courants (ondulatoire et corpusculaire).
Autres théories influençant le modèle de représentation de la lumière :
 Einstein : théorie de la relativité.
 Plank : théorie du corps noir.
 Bohr : théorie de l’atome.
MICROSCOPE OPTIQUE
1 PRÉSENTATION
Microscope optique, instrument utilisé pour obtenir une image agrandie d'objets, d'organismes
vivants, ou de détails minuscules ou invisibles à l'œil nu.
2 PRINCIPE ET CARACTÉRISTIQUES D’UN MICROSCOPE OPTIQUE
Le microscope optique (ou microscope photonique) est le descendant des premiers microscopes
inventés en Hollande au XVIIe siècle (pour info 1590 exactement). C’est le microscope le plus
répandu. Il utilise les radiations électromagnétiques du spectre visible de la lumière dont la
propagation est déviée et focalisée par des lentilles de verre. Il a contribué à approfondir de façon
considérable la connaissance du monde microscopique, de la physique à la chimie, de la pétrologie
à la biologie.
Schéma de principe
Le microscope optique est constitué de différents éléments :
Une source de rayonnement lumineux et un dispositif d’éclairage de l’objet.
 Une optique constituée de plusieurs lentilles assurant la fonction d’agrandissement.
 Un détecteur permettant l’observation ou l’enregistrement de l’image (œil, émulsion
photographique, caméra et moniteur TV).
 L’échantillon peut être observé en transmission s’il est partiellement transparent à la lumière, ou
en réflexion s’il possède un fort pouvoir réfléchissant comme une surface métallique ou minérale.

Microscope de Robert Hooke
Le scientifique anglais Robert Hooke a fabriqué ce microscope
au XVIIe siècle. En observant une fine coupe de liège au moyen
de cet instrument, il a découvert la structure cellulaire des
plantes.
Le microscope moderne est essentiellement constitué de deux
systèmes de lentilles, l'objectif et l'oculaire, montés à chaque
extrémité d'un tube fermé. L'objectif, constitué de plusieurs
lentilles élémentaires, donne de l’objet une image réelle
agrandie.
Les lentilles de microscope doivent être d’une grande qualité. Elles peuvent être, soit convergentes,
soit divergentes, selon la nature de la courbure de leurs faces. En associant plusieurs lentilles de
propriétés différentes en doublets, triplets et multiplets, il est possible de réaliser des images nettes
et agrandies des objets que l’on observe.
3 MICROSCOPES OPTIQUES SPÉCIFIQUES
De nombreux types de microscopes ont été mis au point pour des applications spécifiques :
Le microscope stéréoscopique est un microscope binoculaire à faible pouvoir de résolution, Ces
instruments fournissent des images tridimensionnelles de l’échantillon.

Le microscope à ultraviolet utilise le rayonnement ultraviolet au lieu de la lumière visible. Les
longueurs d'onde de ce rayonnement, plus courtes que celles de la lumière visible, procurent à ce
type de microscope une meilleure résolution.

Le microscope polarisant permet de déterminer la nature et la quantité des constituants minéraux
dans les roches ignées et les roches métamorphiques. L'utilisation de microscopes polarisants
permet de visualiser, par le jeu de la direction de polarisation et de l'orientation des échantillons, des
détails invisibles en lumière naturelle.

Le microscope à diffraction concentre un cône de lumière extrêmement intense sur l'échantillon.
Le champ d'observation de l'objectif se trouve juste sous le cône ce qui permet observer uniquement
la lumière diffractée par l'échantillon. Cette forme d'éclairage est utile pour les matières biologiques
transparentes ainsi que pour les objets minuscules qui ne peuvent être vus en éclairage naturel sous
le microscope.

Le microscope confocal à balayage laser fait parti des microscopes optiques les plus avancés
techniquement. Ce microscope confocal, permettant de réaliser des observations tridimensionnelles
avec une résolution inférieure au micromètre dans les trois directions, en particulier lorsqu’il est
utilisé, avec des marqueurs spécifiques, pour l’observation des tissus et des cellules.

Le télescope
Un télescope est un instrument d’optique qui permet d’augmenter la taille apparente des objets
observés et surtout leur luminosité.
Il se distingue de la lunette astronomique de par le type de surface qui collecte la lumière. Ainsi,
dans le cas de la lunette astronomique (appelée ‘réfracteur’), cette surface est composée d’une ou
plusieurs lentilles, tandis que pour le télescope (appelé ‘réflecteur), il s’agit d’un miroir.
C’est en 1663 que le mathématicien écossais James Gregory proposa la première formule du
télescope. Le mathématicien et physicien Isaac Newton en construisit la première version en 1671.
Il s’agit d’utiliser un miroir concave, qui constituera l’objectif, pour former l’image. Afin de
faciliter l’observation, il introduit un miroir plan incliné à 45°. L’image, ainsi renvoyée à 90° de
l’axe optique est alors observée à l’aide de l’oculaire (qui joue le rôle d’une loupe perfectionnée).
Télescope de Newton
Télescope
type Cassegrain
Télescope
de type de
Schmidt-Cassegrain
Au montage
XVIIèmepermet
siècle, d’obtenir
est mis audes
point
le télescope de
Ce
images
Cassegrain,
peu
de
temps
après
la
version
de
beaucoup plus lumineuses et nettes
Newton. L’observateur
se place
ici derrière le miroir
qu’auparavant,
en associant
au miroir
primaire qui
est
percé
en
son
centre.
sphérique, une lame correctrice dite
lame de Schmidt.
D’a
utre
s
typ
es
de télescope ont par la suite vu le jour. On peut notamment citer le télescope de type MaksutovCassegrain (qui corrige la version de Cassegrain tout en restant facile à réaliser) et le télescope
Ritchey-Chrétien, qui repose sur l’utilisation de miroirs primaires et secondaires hyperboliques et
dont la formule est largement utilisée dans les observatoires modernes (les quatre télescopes de
8,2m de diamètre du Very Large Telescope utilisent cette configuration optique, de même que le
télescope spatial Hubble).
La lunette astronomique
Quelques images…
Lunette de Galilée
1 - Tube; 2 - Oculaire; 3 - Monture;
4 - Trépied; 5 - Contrepoids
Définition
Une lunette astronomique (ou lunette terrestre) est un instrument optique utilisé pour augmenter le
diamètre apparent des objets situés à l’infini et pour augmenter la luminosité des objets sans
diamètre apparent comme les étoiles. Les lunettes sont dénommées lunettes terrestres comme les
longues-vues quand on les utilise pour regarder des objets terrestres, ce sont des lunettes
astronomiques quand on les utilise pour observer des objets du ciel.
Histoire
La lunette astronomique a été conçue en Hollande vers 1608. On en attribue l’invention à l’opticien
hollandais Hans Lippershey. Mais c’est en 1609 que l’astronome italien Galilée présenta la
première lunette astronomique et eut le premier l'idée de pointer cet instrument vers le ciel et les
objets célestes. Son confrère allemand Johannes Kepler en perfectionna le principe, en proposant
une formule optique à deux lentilles convexes.
Composition
Une lunette est composée d'un objectif et d'un oculaire disposés de part et d'autre d'un tube fermé.
Le tube peut être fixe ou télescopique comme dans le cas des longues-vues de marine. L'oculaire se
situe, comme l'indique son nom, du côté de l'œil, et il est de petite dimension. L'objectif se situe de
l'autre côté, et est généralement de plus grande dimension que l'oculaire.
Les lunettes modernes ont toutes des objectifs et des oculaires composés de plusieurs lentilles. En
effet, une lentille simple n'a une qualité acceptable que sous certaines conditions. On peut corriger
ou diminuer certains défauts en appariant plusieurs lentilles ayant des verres d'indice différent, on
créé ainsi des doublets (achromatiques) ou des triplets (apochromatiques) qui sont exempts de
défauts sur des plages plus grandes.
Fonctionnement
La lunette astronomique (resp de Galilée) comporte un objectif convergent de grande distance
focale qui donne d'un objet situé à l'infini une image réelle et d'un oculaire convergent (divergent)
de courte distance focale qui permet d'observer l'image intermédiaire. Si celle-ci se forme dans le
plan focal objet de l'oculaire, l'image finale est située à l'infini. Le système est alors afocal et son
grandissement est négatif (positif). L'image est inversée (droite) et elle est vue sous un angle plus
grand que l'objet.
Rq : le grossissement de la lunette est calculé en divisant la distance focale de l'objectif par celle de
l'oculaire.
Formation d’une image par une lunette astronomique