optique : travaux diriges n°1

LYCEE HENRI LORITZ
- PCSI 2 -
OPTIQUE
TRAVAUX PRATIQUES
DE PHYSIQUE – 1ère Série
L.PIETRI – Optique - Lycée Henri Loritz – PCSI 2 – page 1 / 29

TP-Cours n°1
TECHNIQUES DE PROJECTION &
INTRODUCTION AUX INSTRUMENTS D’OPTIQUE
INTRODUCTION:
Ce TP a pour but de familiariser les élèves avec le matériel d’Optique. Dans un premier temps on verra les
conditions opératoires qui permettent d’avoir une « belle » image réelle en jouant sur l’éclairage, la profondeur de
champ...
Dans un deuxième temps on s’intéressera aux différentes sources de lumière que l’on utilisera au cours de
l’année. A l’aide d’un prisme on réalisera la projection d’un spectre afin de vérifier les caractéristiques des
différentes sources.
I - TECHNIQUES DE PROJECTION CLASSIQUE
Il s’agit de former l’image réelle, en général agrandie, d’un objet étendu non lumineux (grille, fente,
lettre,...). Le champ doit être uniformément éclairé et présenter un contour net : cela doit être beau.
Dans cette réalisation il faut distinguer deux points à satisfaire :
- assurer la conjugaison objet-image
- régler l’éclairage
I-1) La conjugaison
La conjugaison objet-image est assurée par une lentille convergente dont la distance focale est choisie en
fonction du grandissement souhaitée et de la distance objet - image disponible (entre 10 et 30 cm en général ).
Plus le grandissement souhaité est important plus la distance focale doit être petite mais il faut penser aussi à
l’éclairement qui diminue lorsque le grandissement augmente.
Remarques:
1 - Il faut toujours avoir en mémoire le fait que l’on ne puisse obtenir d’un objet réel, une image
réelle que si la distance objet-image est supérieure à 4f.
2 - La portion de l’axe optique utilisée se réduit dans le cas, le plus fréquent, des projections avec
grandissement supérieur à 1, au segment HF (entre f et 2f). Il est donc inutile de déplacer la lentille tout le long de
la paillasse
3 - Afin de minimiser les aberrations il faut placer la lentille de telle sorte que sa face la plus plane soit
située du côté de l’objet ou de l’image la plus proche de la lentille (moyen mnémotechnique des 4P : plus plat plus
près ). Dans le cas des projections de grandissement supérieur à 1 cette règle impose de placer la face la plus
plane du côté de l’objet.
I-2) L’éclairage
Ce problème n’est généralement pas abordé car on considère toujours des objets lumineux c’est à dire
diffusant la lumière dans toutes les directions.
Dans la pratique l’objet à projeter n’est généralement pas lumineux; il est donc nécessaire de l’éclairer et
pour ce faire d’utiliser une source de lumière le plus souvent associée à un condenseur (lampe Quartz-Iode, lampe
spectrale plus condenseur...).
I-2-1) Rôle du condenseur
Si on éclaire un objet partiellement transparent avec une source grossièrement ponctuelle (filament de
lampe,...) les rayons passant par les bords de l’objet risquent de rencontrer la monture de la lentille et dans ce cas
ne participent pas à la formation de l’image. Les points correspondants de l’objet n’ont pas d’image. De plus
l’image observée est souvent polluée par l’image floue de la source. Le rôle du condenseur est de rabattre les
rayons vers le centre de la lentille et d’éliminer l’image parasite du filament.
Si on utilise des objets de précision type une fente il faudra utiliser un filtre anticalorique afin de ne pas
déformer les lames de la fente.
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I-2-2) Objet diffusant
Si l’on place entre le condenseur et
l’objet un écran diffusant (papier calque ou
verre dépoli) le faisceau issu du condenseur
est diffusé dans toutes les directions. L’objet à
projeter est alors un objet diffusant. Dans ces
conditions la lentille est entièrement couverte
par l’ensemble des faisceaux issus de chacun
des points de l’objet : la projection est peu
lumineuse et la Profondeur de champ faible.
C’est cependant la technique à utiliser à
chaque fois que l’on veut étudier des
relations de conjugaison. Ainsi pour le TP
de focométrie on utilisera un objet diffusant.
I-2-3) Objet non diffusant
Si l’on veut réaliser une projection classique d’un objet non diffusant, il faut faire jouer son rôle au
condenseur , rôle qui est de rabattre vers l’axe optique les rayons lumineux ayant traversé l’objet.
On procède aux réglages suivants :
- Alignement : le montage comportant deux systèmes optiques il faut faire coïncider leurs axes. On peut
former l’image de la source par le condenseur sur l’écran pour définir l’axe . Le faisceau moyen doit être
horizontal : le centre de l’image du filament doit se trouver à la hauteur de celui-ci . On introduit la lentille de
telle sorte qu’elle donne de la source une image centrée à la même hauteur.
- Conjugaison : on place l’objet à projeter au voisinage du condenseur pour avoir un champ en largeur maximal
et uniformément éclairé. Avec la lentille on réalise la conjugaison objet - écran .
- Eclairage: on forme l’image de la source (filament de tungstène) sur la lentille de projection en
déplaçant la lampe par rapport au condenseur (tige en fer)
Le faisceau qui contribue à former l’image d’un point , au lieu de s’appuyer sur le pourtour de la lentille
comme dans le cas de l’objet diffusant , s’appuie sur l’image de la source donnée par le condenseur . En
conséquence la lentille travaille uniquement au voisinage de son centre avec des rayons peu inclinés ce qui
augmente la profondeur de champ, on est dans les conditions de Gauss.
Ce procédé de projection doit être utilisé
chaque fois que l’on veut faire une image lumineuse
d’un objet étendu : diapositive , fente ...
Ainsi si on veut réaliser le spectre avec un
prisme ou un PVD, le PVD bien que plus étroit que la
lentille est suffisamment large pour ne pas
diaphragmer le faisceau. Sur le schéma la marche des
faisceaux dans le PVD a été fortement simplifié. En
l’absence du PVD l’image de la fente se forme sur
l’axe du plan du spectre alors qu’en présence du
PVD les rayons rouges vont converger en un point et
les rayons violets en un autre point avec toutes les
autres couleurs étalées entre les deux.
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I-3) Profondeur de champ
C’est le domaine de l’espace objet dans lequel les points fournissent une image dont la tâche de diffusion
sur l’écran est inférieure à la taille de l’unité détectrice du détecteur ( grain du papier ).
Pour une position donnée de l’écran il existe un ensemble de points objets de part et d’autre de A (point du
plan objet conjugué de l’écran) pour lesquels les faisceaux donnent des tâches de diffusion sur l’écran inférieure à
d. Les points extrêmes B’ et C’ dans l’espace image correspondent aux faisceaux qui s’appuient sur les bords de d
en convergeant soit en avant de A ( B’) soit en arrière (C’). Leurs images par retour inverse dans l’espace objet B
et C définissent la profondeur de champ.(BA n’est pas égal à AC)
Si l’on diaphragme la lentille les points B’ et C’, compte tenu de leur construction , s’écartent et il en est de
même pour les points B et C : la profondeur de champ augmente.
• Représentez sur la figure un diaphragme et démontrer graphiquement que la profondeur de champ
augmente.
• EXP : Eclairons l’écran du galvanomètre avec une lampe QI et projetons-le de telle sorte que la
graduation 10 soit nette sur l’Ecran . La lentille travaillant à pleine ouverture, dans ces conditions les autres
graduations apparaissent floues, diaphragmons la lentille les graduations avoisinantes deviennent nettes mais on
perd en luminosité. (On pourra par défaut prendre un objet incliné dépoli ou précédé d’un dépoli (certaines règles
en plastiques font l’affaire).
Ainsi on est souvent contraint en Optique au compromis luminosité-netteté
II - SOURCES DE LUMIERE
II-1) Sources à spectres de raies - Lampes spectrales
Les sources de lumière basées sur la désexcitation d’atomes émettent un rayonnement composé d’ondes
monochromatiques réparties en « paquets » de fréquences très voisines :
Δ ν
ν
=− 10 7
La décomposition de la lumière , émise suite à la désexcitation d’atomes , par un prisme ou un réseau ( à
revoir en 2nde année) donne un ensemble de raies caractéristiques de la composition de la source.
• EXP : Projection d’un spectre
- Agir sur la distance source-condenseur pour faire converger la lumière issue de la source sur la fente objet afin
de récupérer le maximum de lumière.
- L’objet est une fente dont on fait l’image à l’infini par la méthode d’autocollimation.
- On place alors le prisme sur le faisceau parallèle puis on récupère celui-ci en plaçant un écran au foyer de la
deuxième lentille.
- On observera ainsi les spectres d’une lampe spectrale (Hg ,Na ou Cd).
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Remarque : Le prisme est en général plus lumineux mais comme il introduit une déviation du faisceau , on
utilise plutôt un prisme à vision directe qui , par une association judicieuse de 3 prismes de verres différents fournit
une forte dispersion mais une déviation moyenne nulle.
II-2) Sources à spectre continu - lampes blanches
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Effectuer la même expérience avec une lampe blanche (aussi appelé Quartz-Iode).
Les sources à spectre continu sont basées sur le rayonnement du corps noir ( sera vu en détail en 2nde
année ) : un corps absorbant , dont la température T , émet un rayonnement électromagnétique comprenant toutes
les longueurs d’onde λ du spectre.
La longueur d’onde λM correspondant au maximum d’émission du corps noir est relié à la température de
celui-ci par la loi de WIEN : λMT = 2898 μm.K . Ainsi les étoiles les plus chaudes émettent un rayonnement visible
dans le bleu alors que les plus froides rayonnent dans le rouge.
On peut vérifier cette loi de Wien par l’expérience qualitative suivante: (Appelez le professeur afin qu’il
vous effectue l’expérience).
Pour une tension faible , c'est à dire une basse Température on ne voit que le rouge et couleurs
avoisinantes ; ensuite si on augmente V et par conséquent T d’autres couleurs apparaissent et le spectre devient
de plus en plus intense en λ courtes . Dans tout ce raisonnement on oublie la réponse spectrale de l’œil qui admet
un maximum de sensibilité à 0.56 μm .
II-3) Amplification de lumière par émission stimulée d’une radiation
L’appareil responsable de ce phénomène est le L.A.S.E.R dont les initiales signifient ( Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation ) . Une source laser est basée sur le principe de l’émission stimulée : les
différents atomes émis se désexcitent de façon synchronisée , la source est dite « cohérente » . Les fréquences
des ondes composant la lumière d’un Laser sont très proches : Δ
ν
ν
=− 10 10 .
⇒ Un laser est une source quasi-monochromatique et très directive d’où sa forte utilité .
Il existe différents types de Lasers : à gaz dont le He-Ne que nous utiliserons de λ=632,8nm , solides ,
liquides et à semi-conducteur tels que les diodes AsGa.
III) APPAREILS DE MESURE
II.1) La lunette
Les lunettes sont toutes constituées des éléments suivants :
- un objectif qui donne de l’objet observé ou pointé une image intermédiaire
- un oculaire qui permet l’observation « à la loupe » de cette image intermédiaire, placée dans le plan focal
objet de l’oculaire.