1. Optique géométrique

OPTIQUE - Principes physiques
Sommaire
zPrise de vue
z1. Optique géométrique
z2. Optique ondulatoire
z3. Matériaux optiques
z4. Mesures optiques
z5. Applications et développements
zBibliographie
Le corps de l'article OPTIQUE - Principes physiques
Toute classification des domaines de l'optique est en partie arbitraire et comporte de nombreux recouvrements.
L'optique géométrique s'appuie essentiellement sur la notion de rayons lumineux susceptibles de fournir des images
qu'on observe à l'aide de lunettes ou de microscopes, qu'on enregistre par photographie ou qu'on forme sur d'autres
récepteurs physiques pour recevoir des signaux ou effectuer des mesures.
L'optique énergétique tient compte des puissances transportées par le rayonnement, de leur répartition spatiale et de
leur action sur divers récepteurs [cf. PHOTOMÉTRIE] ; l'optique physiologique traite de la formation des images dans
l'œil et de leur perception ; les phénomènes où interviennent la nature vibratoire de la lumière et sa propagation pa
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ondes se rattachent à l'optique ondulatoire : interférences, diffraction, polarisation. La forme la plus générale de l'optique
ondulatoire est l'optique électromagnétique, qui exprime le champ électromagnétique de l'onde lumineuse à l'aide des
équations de Maxwell. L'étude des longueurs d'onde et de la répartition spectrale des radiations composant une lumière
ainsi que celle de leurs relations avec la nature et l'état physique des sources qui les émettent et des milieux qui les
transmettent constituent la spectroscopie, qu'on tend aujourd'hui, en raison de son importance, à considérer comme une
science distincte. La spectroscopie est étroitement liée à l'optique quantique, qui envisage l'aspect corpusculaire de la
lumière, dans ses échanges d'énergie avec la matière (cf. LUMIÈRE Optique ; optique QUANTIQUE).
La conception et la construction des instruments d'optique font appel à des calculs sur les « marches de rayons » et su
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l'influence de la diffraction, à des connaissances sur les matériaux optiques, à des mesures sur les défauts résiduels des
images, sur les lumières parasites, etc. Selon son application, l'optique instrumentale (on parle souvent de l'« optique »
d'un instrument, par opposition à sa partie mécanique) est dite astronomique, microscopique, photographique,
spectroscopique, métrologique ; l'optique de lunetterie est la plus répandue de toutes.
Après avoir rappelé les lois générales et la façon dont elles interviennent, on indiquera les caractéristiques essentielles
des verres et autres matériaux mis en œuvre, ainsi que les mesures qu'exigent les réalisations auxquelles se prêtent les
méthodes optiques. On terminera par un relevé très succinct des principales applications.
Pierre CHAVELPierre FLEURYChristian IMBERT
1. Optique géométrique
Les effets d'ombre, les pointés par alignement et quantité d'évidences de la vie quotidienne amènent à admettre que la
lumière se propage en ligne droite. L'expérience tout aussi commune de la réflexion et de la réfraction montre que la
lumière subit un changement de direction lorsqu'elle arrive à la surface de séparation de deux milieux, et pousse à
concevoir le rayon lumineux comme la ligne suivant laquelle se propage la lumière.
L'optique géométrique permet de connaître les rayons lumineux à partir de quelques lois simples qui, pour apparaître
en dernière analyse comme des approximations, n'en décrivent pas moins avec exactitude presque tous les phénomènes
lumineux.
Des essais de Ptolémée à la loi approchée de Kepler, les lois de la réfraction ont donné aux physiciens plus de mal que
celles de la réflexion. Il semble qu'Harriott, en 1598, ait été le premier à connaître la loi des sinus à laquelle sont attachés
les noms de Snell et de Descartes, Snell ayant vraisemblablement établi expérimentalement vers 1620 la relation qui fut
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démontrée - de façon fort critiquable - et publiée par Descartes dans sa Dioptrique en 1637. Mais c'est à Fermat que
revient le mérite d'avoir introduit, en 1650, sous la forme du principe de moindre temps, l'énoncé de base de l'optique
géométrique avec toute la généralité souhaitable : parmi toutes les courbes qui joignent deux points A et B (fig. 1), le
rayon lumineux est celle le long de laquelle le temps de parcours est minimal. Plus précisément, ayant eu l'idée que la
lumière se propage à vitesse moindre dans les milieux les plus « denses », Fermat a ouvert la voie à la formulation
suivante de son principe : c étant la vitesse de la lumière dans le vide et n, appelé indice de réfraction, le rapport de c à la
vitesse dans un milieu donné, on peut définir pour toute courbe C joignant A et B, le chemin optique L comme l'intégrale
curviligne de l'indice le long de C. L est donc la distance que parcourrait la lumière dans le vide pendant le temps qu'elle
mettrait à parcourir C. Le principe de Fermat affirme que, parmi toutes les courbes C, L est stationnaire le long du rayon
ou des rayons joignant A et B. Dans le cas d'un milieu homogène le rayon est une ligne droite.
Principe de Fermat
Illustration du principe de Fermat.
2005 Encyclopædia Universalis France S.A.
Dans un milieu non homogène dont l'indice varie de façon continue, les rayons lumineux suivent des trajectoires
courbes. Par exemple (fig. 2) 3, l'indice de l'air atmosphérique décroît progressivement à partir du sol ; un observateu
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situé sur terre croit voir dans la direction OE´ l'étoile E. L'écart entre les deux directions atteint 2´ pour une étoile située à
600 du zénith. De même, les couches d'air voisines du sol peuvent être chauffées, et donc devenir moins denses qu'au-
dessus, au point de rendre possibles des trajectoires telles que le rayon courbé de la figure, qui illustre le phénomène de
mirage.
Réfraction atmosphérique
2005 Encyclopædia Universalis France S.A.
Mirage
Mirage.
2005 Encyclopædia Universalis France S.A.
Dans les milieux homogènes, les rayons sont rectilignes et, à la surface de séparation de deux milieux, ils obéissent
aux « lois de Descartes » pour la réflexion et pour la réfraction (fig. 4), conséquences du principe de Fermat.
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Lois de Descartes
Lois de Descartes.
2005 Encyclopædia Universalis France S.A.
Les instruments d'optique les plus courants forment des images par application des lois de Descartes à des
combinaisons optiques formées de lentilles, de prismes et de miroirs. Une bonne image est obtenue lorsque tous les
rayons issus d'un point « objet » M et pénétrant dans l'instrument convergent en un même point « image » M´. Le
souhait d'obtenir de bonnes images pour de grands
Lentilles
Propriétés de base des lentilles convergentes et des lentilles divergentes.
Commentaires :
Une lentille est un corps transparent limité par deux surfaces incurvées de forme généralement sphérique. Elle peut
être convergente ou divergente.Les lentilles convergentes sont plus épaisses en leur centre et tendent à concentrer
les rayons qui les traversent.Tout rayon passant par le centre optique d'une lentille la traverse sans subir de
déviation.Lorsqu'un rayon lumineux passe par un point appelé foyer objet, il ressort de la lentille sur un axe parallèle à
l'axe principal.Si un rayon est parallèle à l'axe principal il se réfracte en passant par un point qui est appelé foyer
image.Si la lentille est convergente, les rayons lumineux reflétant un objet la traversent puis convergent en un point
situé derrière elle. L'image qui se forme est réelle et renversée sauf si l'objet se trouve entre le foyer et la lentille. Dans
ce cas, les rayons ne convergent pas. Ce sont leurs prolongations qui s'entrecroisent devant la lentille et forment une
image virtuelle droite.Les lentilles divergentes sont plus épaisses sur leur périphérie qu'en leur centre et tendent à
séparer les rayons. Avec ce type de lentille, l'image formée est toujours droite et virtuelle.
Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis pour la version française.
champs et avec une bonne luminosité conduit à calculer les combinaisons fournissant les aberrations les plus faibles,
c'est-à-dire les écarts les plus petits entre les poins images M´ idéaux et les rayons émergents venus de tous les points
objets M d'une vaste région et passés à travers des diaphragmes largement ouverts. L'art laborieux du calcul des
combinaisons optiques, qui doit bien sûr tenir compte du spectre de la lumière étudiée et de son influence sur les indices
de réfraction (cf. LUMIÈRE - Dispersion et absorption), a progressé de façon spectaculaire avec l'apparition des
ordinateurs.
La réflexion totale (fig. 5) intervient lorsque la lumière tombe assez obliquement sur une surface de séparation de
deux milieux en venant du milieu d'indice le plus élevé. Ce phénomène permet notamment de guider la lumière le long
de fibres de verre, il est à la base des progrès dans les télécommunications par fibres optiques (cf.
TÉLÉCOMMUNICATIONS - Télécommunications optiques).
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Réflexion totale
Réflexion totale.
2005 Encyclopædia Universalis France S.A.
La pénétration dans les milieux homogènes anisotropes provoque en général un dédoublement des rayons (cf.
CRISTAUX - Optique cristalline).
2. Optique ondulatoire
On trouvera à l'article LUMIÈRE - Optique, un aperçu de la conception que la physique actuelle s'est forgée de la
nature de la lumière. C'est une onde électromagnétique dont les champs, pour la lumière visible, varient à des
fréquences comprises entre 4.1014 et 7.1014 Hz. Les récepteurs de lumière sont sensibles non pas au champ
électromagnétique instantané trop rapidement variable, mais à la moyenne dans le temps de son carré. Compte tenu de
la vitesse de la lumière dans le vide (environ 300 000 km.s -1), la propagation de ces ondes provoque des oscillations
spatiales dont la longueur d'onde s'échelonne entre 0,4 mm pour le violet et 0,7 mm pour le rouge. L'article
SPECTROSCOPIE examine les moyens de connaître le spectre des longueurs d'onde mis en jeu dans une expérience
donnée, et l'article LUMIÈRE Polarisation, les effets du caractère vectoriel des champs de l'électromagnétisme sur les
propriétés optiques de certains milieux, dits optiquement anisotropes. Les interactions de la lumière et de la matière lors
de l'émission et de la détection ou de l'absorption de lumière sont décrites dans le cadre de l'optique corpusculaire, dont
l'optique et l'électrodynamique quantiques (cf. optique QUANTIQUE et mécanique QUANTIQUE) effectuent la synthèse
avec les conceptions ondulatoires. Nous nous limiterons ici à évoquer les manifestations ondulatoires de la propagation
de la lumière.
C'est aux équations de Maxwell qu'il convient en dernière analyse de se référer pour toute question de propagation
des ondes lumineuses : de la connaissance de la lumière incidente envoyée par les sources et de la description
complète de la géométrie du problème on peut déduire les champs électromagnétiques en tout point de l'espace. Si
cette méthode puissante de résolution de tout problème de diffraction électromagnétique est parfois indispensable, elle
reste si lourde et ardue qu'elle ne peut être utilisée dans tous les cas, malgré les progrès qu'a permis l'apparition des
ordinateurs, par exemple pour l'étude des réseaux et des structures optiques intégrées. C'est alors au principe de
Huygens-Fresnel, attrayant par sa simplicité presque intuitive, qu'il convient d'avoir recours : effectuant la synthèse des
conceptions ondulatoires de Huygens et de l'interprétation des interférences par Young, Fresnel a présenté en 1815 la
diffraction lumineuse comme le résultat de la superposition d'ondelettes sphériques émises par chaque point atteint par
la lumière. On est ainsi en mesure de mener à bien la plupart des études de diffraction : limitation imposée par la
diffraction au pouvoir de résolution des instruments d'optique, utilisation de la diffraction en spectroscopie dans les
réseaux, modification et traitement des images par filtrage des fréquences spatiales, enregistrement de l'onde lumineuse
elle-même au lieu de son éclairement grâce à l'artifice de l'holographie (cf. LUMIÈRE - Diffraction ; HOLOGRAPHIE).
Lorsqu'un même point reçoit une onde lumineuse sinusoïdale (« monochromatique » en termes d'opticien) par deux
chemins nettement distincts, les deux vibrations peuvent se composer pour s'additionner ou s'annuler suivant que les
longueurs des deux voies diffèrent d'un nombre entier pair ou impair de demi-longueurs d'onde : c'est le phénomène
d'interférences. Si la lumière n'est pas parfaitement monochromatique, mais est composée de longueurs d'ondes
légèrement différentes, ou que la longueur de chacune des voies admet une certaine indétermination, le critère
précédent perd son sens, et la superposition de plusieurs phénomènes d'interférences peut provoquer la disparition de
ces dernières : on parle de manque de cohérence de la lumière, et c'est la raison pour laquelle les interférences
lumineuses sont très rarement observables dans la vie courante. Leurs applications sont toutefois considérables en
métrologie et en physique de la matière condensée et des surfaces par l'intermédiaire des couches minces - d'épaisseur
voisine de la longueur d'onde [cf. INTERFÉRENCES LUMINEUSES] .
Pierre CHAVEL
3. Matériaux optiques
L'optique instrumentale, fondée sur les calculs et les raisonnements de l'optique géométrique et de l'optique
ondulatoire, doit tenir compte des propriétés et de l'utilisation des matériaux qu'elle emploie. On peut disposer de verres
de compositions diverses, offrant une large gamme de
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éfringences et de dispersions, avec une transparence suffisante
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pour les radiations utilisées : certains, très dispersifs, absorbent notablement l'extrémité violette du spectre ; d'autres,
bien transparents pour l'infrarouge, sont opaques pour la lumière visible. Ces verres doivent être soigneusement
homogénéisés et stabilisés par un recuit et un refroidissement progressifs, qui peuvent demander des semaines. Leurs
dilatations et leurs variations d'indices avec la température, leur résistance à l'abrasion et aux altérations chimiques
interviennent dans leur choix.
Le nom de crown caractérise, en général, un silicate de calcium et de sodium ou potassium, celui de flint un silicate
de potassium et de plomb ; les uns et les autres sont éventuellement additionnés d'anhydride borique ou phosphorique,
de fluorures, de baryte, etc.
Le quartz cristallin ou fondu (silice amorphe) est précieux de par sa faible dilatation et surtout en raison de sa
transparence pour certaines radiations ultraviolettes ou infrarouges. D'autres cristaux (sel gemme, fluorine, spath, etc.)
rendent également de bons services : on élimine l'influence de leur biréfringence, lorsqu'elle existe, ou bien, au
contraire, on utilise les effets de polarisation qui en résultent.
Les verres organiques sont des matières plastiques transparentes, légères, résistant aux chocs, mais généralement
moins bien à l'abrasion ; la possibilité de les reproduire par moulage est avantageuse, et leur usage s'est développé en
lunetterie. Mais leurs indices varient avec la température beaucoup plus que ceux des verres minéraux, ce qui en
interdit l'emploi dans des systèmes à aberrations réduites [cf. VERRE] .
Les lentilles et miroirs sphériques sont de beaucoup les plus employés, leur fabrication étant relativement aisée ;
d'autres surfaces de révolution sont en usage depuis plus ou moins longtemps : paraboloïdes pour les télescopes et
projecteurs, ellipsoïdes pour des condenseurs de lumière, tores pour certains verres de lunetterie. De nouvelles
machines, capables de tailler en série de telles surfaces asphériques, ou d'autres à génératrices quelconques, ont été
réalisées, et des calculs ont été développés pour que leur emploi simplifie certains systèmes tout en améliorant leur
stigmatisme.
On doit encore classer, parmi les matériaux optiques, certains liquides très dispersifs (cinnamate d'éthyle, sulfure de
carbone) qu'on enferme dans des prismes creux, pour les besoins de la spectroscopie. Rappelons aussi les métaux tels
que l'aluminium, travaillés dans la masse ou déposés en couche de très faible épaisseur sur un support de verre ou de
silice, taillé à la forme voulue, pour réaliser des miroirs, ou des réseaux de diffraction.
En déposant sur les surfaces optiques des couches de substances d'indices convenables et d'épaisseurs constantes
de quelques dixmillièmes de millimètre, on peut éliminer en grande partie des lumières parasites résultant des réflexions
multiples et améliorer en même temps la transparence des systèmes. On peut aussi, à l'aide d'autres couches minces,
augmenter au contraire les facteurs de réflexion de miroirs ou réaliser des filtres ne transmettant que certaines
longueurs d'onde. Cette application technique importante des interférences lumineuses couvre maintenant non
seulement le domaine visible, mais l'infrarouge, l'ultraviolet et même le domaine des rayons X mous jusqu'à quelques
nanomètres, ce qui permet d'espérer disposer bientôt de miroirs pour rayons X de bon pouvoir réflecteur même sous
faible incidence.
4. Mesures optiques
Certaines d'entre elles concernent la composition et l'intensité des lumières, cette dernière étant évaluée d'après la
puissance qu'elles transportent ou d'après leur action sur l'œil (cf. SPECTROSCOPIE et PHOTOMÉTRIE) ;
éventuellement, l'état de polarisation doit aussi être déterminé.
D'autres évaluations concernent la qualité des images fournies par un système optique : grandissement, netteté,
luminances, contrastes. Les contrôles, en cours de fabrication ou d'utilisation, sont de plus en plus soignés ; de même
qu'en acoustique on étudie la reproduction des sons des différentes fréquences musicales, on mesure en optique la
fonction de transfert de modulation qui détermine la perte de contraste subie par un objet sinusoïdal de fréquence
spatiale donnée lorsqu'un instrument d'optique forme son image.
Les mesures sur les propriétés optiques des substances : absorption, réflexion, diffusion, couleur, réfraction et
dispersion, pouvoir rotatoire, sont intéressantes non seulement pour la réalisation d'éléments optiques, mais aussi pour
des analyses ou identifications, des dosages (notamment par polarimétrie), des études de matériaux, etc.
La possibilité d'effectuer des pointés très précis, à l'aide de viseurs ou de microscopes, en superposant une image
nette à un repère ou à un gabarit pour vérifier la grandeur ou la forme d'un objet, assure à la métrologie dimensionnelle
une exactitude souvent bien meilleure que l'emploi de mètres ou de calibres par juxtaposition ou emboîtement.
L'interférométrie, qui détermine des ordres d'interférence, de la forme ne/l, se prête à la mesure des indices de
réfraction n, des épaisseurs e, ou des longueurs d'onde l avec une extrême sensibilité.
La télémétrie optique peut aussi utiliser le temps de propagation de la lumière. Les faisceaux lasers ont permis
d'évaluer, par exemple, la distance moyenne de la Terre à la Lune à un instant donné (de l'ordre de 385 000 km) à
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