Systèmes Optiques I

IUT Lannion – MP 1ère année – S2
2010-2011
Systèmes Optiques I
Optique Instrumentale
Y. Dumeige
UE 2-3 Sciences et techniques de l’ingénieur II
M 2-3-3 Systèmes optiques
Cours : 10h – TD : 15h
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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
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Chapitre 1 – Notions de base et définitions
I – Introduction et définitions
Lumière : Radiations visibles ou invisibles, flux de photons
émis par les corps incandescents ou luminescents
Dans cette définition se dessinent deux approches :
- La lumière est une radiation ou une onde
- La lumière est constituée de quanta d’énergie : les photons
Optique : Science qui a pour objet l'étude de la lumière, de
ses lois et de leurs relations avec la vision
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Chapitre 1 – Notions de base et définitions
II – Différents modèles pour la description de la lumière
a) Modèle ondulatoire
La lumière : onde électromagnétique (signal périodique de fréquence ν )
Cette onde se propage avec une vitesse finie, on distingue:
- La vitesse de phase Vφ : définie pour une onde monochromatique
- La vitesse de groupe Vg : vitesse d’une impulsion de lumière
Pour un milieu non ou très peu dispersif (c’est-à-dire que Vφ ne dépend pas
ou peu de ν) on a :
Vφ=Vg
Sauf précision supplémentaire nous ferons cette hypothèse dans ce cours.
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Chapitre 1 – Notions de base et définitions
La vitesse (de groupe ou de phase) de la lumière dans le vide est
une constante physique très importante.
Elle constitue une vitesse limite maximale pour la vitesse de
propagation d’un signal.
Définition du mètre (1983) :
« Le mètre est la distance
parcourue par la lumière dans le
vide en
1
299 792 458
seconde »
Par la suite on note c la vitesse de la lumière dans le vide :
c = 299 792 458 ≈ 3 × 108 m ⋅ s −1
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Chapitre 1 – Notions de base et définitions
Comme toutes les ondes (ici
lumière est caractérisée par :
considérée comme plane et monochromatique),
la
i) Son amplitude A
ii) Sa fréquence ν (« nu ») en Hz qui caractérise la couleur de la lumière.
La période T (en s) est l’inverse de la fréquence : T =
1
ν
La longueur d’onde λ (en m) est la distance parcourue par la lumière (se
propageant à la vitesse de phase V ) pendant une période : λ = V × T
Variations temporelles en un point fixé z de l’espace :
A
t
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T
Chapitre 1 – Notions de base et définitions
Variations spatiales à un instant t fixé :
A
z
λ
Remarque : Lumière ne possédant qu’une seule fréquence : lumière
monochromatique.
10 nm
0.7 µm
0.4 µm
1.55 µm
Spectre
lumineux
Ultraviolet
VISIBLE
ν (Hz )
7.5 × 1014
λ
Infrarouge
1.9 × 1014
3× 1016
10 µm
4.3 × 1014
3× 1013
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Chapitre 1 – Notions de base et définitions
b) Modèle des rayons lumineux
Si on suppose que les dimensions caractéristiques des systèmes optiques
étudiés sont largement plus grand que la longueur d’onde λ
Certaines propriétés ondulatoires de la lumière peuvent être oubliées
C’est l’approximation de l’optique géométrique
Dans ce cas on modélise la lumière par des rayons lumineux correspondant
à la direction de propagation du rayonnement optique.
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Chapitre 1 – Notions de base et définitions
c) Modèle corpusculaire
Pour décrire de manière plus précise (par rapport au modèle de l’optique
ondulatoire) l’interaction entre la lumière et la matière on doit modéliser la
lumière de manière corpusculaire : optique quantique
On introduit alors la notion de photons qui sont les quantas d’énergie
lumineuse. Pour un rayonnement de fréquence ν chaque photon possède
alors une énergie Eph donnée par :
E ph = hν
et une quantité de mouvement :
r E ph r
u
p=
c
r
u
r
où u est le vecteur unitaire de la direction de propagation.
h = 6.626176 × 10 −34 J ⋅ s est la constante de PLANCK
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Chapitre 1 – Notions de base et définitions
III – Conclusion
Optique
quantique
Optique
électromagnétique
Optique
physique
Les 4 principaux
modèles de l’optique
Optique
géométrique
Il convient de choisir le bon niveau de description restant le plus simple
possible et permettant de rendre compte de tous les phénomènes
physiques. Aussi le modèle de l’optique géométrique convient
parfaitement à l’étude de la plupart des instruments d’optique
courants.
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Chapitre 1 – Compléments : vitesse de groupe
Milieu artificiel « absorbant »
Vg>c :
Cliquer ici pour lancer
l’animation
Vg<c :
Cliquer ici pour lancer
l’animation
Conclusion :
- Dans un milieu absorbant ou amplificateur Vg peut être < ou > à c
- Dans les milieux parfaitement transparents : Vg=Vφ < c
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