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Paul JEAN
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LENTILLES SYSTEME CENTRE
1. Lentilles minces
Parmi toutes les lentilles, il en existe un certain nombre qui peuvent être décrites par un modèle simple : il
sagit des lentilles minces.
Une lentille mince est une lentille dont lépaisseur au centre est petite devant les rayons de courbure des
dioptres qui la limitent (e<<R
1
et e<<R
2
). La valididu modèle augmente avec la meilleure réalisation de cette
condition.
Définitions et représentation schématique :
· Axe optique : droite qui joint les centres des deux dioptres limitant la lentille. Si lun des dioptres est plan
cest la droite perpendiculaire à ce dioptre qui passe par le centre de lautre dioptre.
· Centre optique : point laxe optique coupe la lentille supposée infiniment mince (il sagit là dune
approximation puisquune lentille a toujours une épaisseur).
Stigmatisme des lentilles minces :
Les lentilles minces sont des systèmes optiques stigmatiques approchés.
Le stigmatisme est dautant meilleur que lon est proche des conditions de Gauss :
· Les rayons du faisceau incident font des angles petits avec laxe optique,
· Les rayons du faisceau incident traversent la zone centrale de la lentille (zone de dimensions faibles
par rapport aux rayons des dioptres).
Dès que lon séloigne des conditions de Gauss apparaissent des aberrations. Si nous pensons aux verres de
lunettes, nous remarquons que la première condition de Gauss ne sera pas bien respectée quand le sujet
regardera sur les côtés, laberration sera dans ce cas une aberration dastigmatisme des faisceaux obliques,
nous y reviendrons.
Axe optique
de la lentille (droite
passant par les deux centres).
Réprésentation schématique de la lentille mince convergente
O
O : centre optique
de la
lentille
Axe optique
de la lentille (droite
passant par les deux centres).
Réprésentation schématique de la lentille mince
ergente
O
O : centre optique
de la
lentille
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2. Lentilles minces convergentes
Foyers :
Un faisceau parallèle donc issu dun point lumineux T à linfini, après traversée de la lentille mince convergente,
converge en un point T. T est donc limage de T à travers la lentille.
Ce point T est placé sur le foyer image principal F de la lentille. On dit que ce foyer est réel car les rayons
passent par F.
En déplaçant le point lumineux T sur laxe optique, il existe une position telle que le faisceau émergent soit un
faisceau parallèle. Le point T est alors placé sur le foyer objet principal de la lentille. Ce foyer est réel car les
rayons partent de T.
Limage T du point lumineux T est alors située à linfini.
Distance focale et vergence :
On oriente notre schéma dans le sens de propagation de la lumière. La distance focale image est alors positive
et la distance focale objet négative. Elles sont égales lorsque le milieu des deux côtés de la lentille est le
même (ce qui pour nous est le cas, le verre de lunette est placé dans lair).
On définit la vergence de la lentille par la relation :
)'(
'
1
'
)( airldanslentille
ff
émergentmilieuduindicen
V==
F
F
O
Sens +
f = OF distance focale objet f = OF distance focale image
f < 0 f > 0
n
Faisceau lumineux issu
dun point T
F : foyer principal
objet de la lentille
O
Faisceau émergent
parallèle
F
T
Faisceau
convergen
t en T
Faisceau lumineux issu
dun point T à linfini
T
O
F
F
: foyer principal image de
la lentille
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V est en dioptrie (d ) si f est exprimée en mètres. Pour une lentille convergente, la vergence est donc
positive.
Très souvent en optique lunetterie, on continue à parler de la puissance du verre au lieu de parler de sa
vergence : survivance du passé……
3. Lentilles minces divergentes
Foyers :
Un faisceau parallèle donc issu dun point lumineux T à linfini, après traversée de la lentille mince divergente,
diverge en semblant venir dun point T. T est donc limage de T à travers la lentille.
Ce point T est placé sur le foyer image principal F de la lentille. On dit que ce foyer est virtuel car les rayons
ne passent pas par F(leurs prolongements se coupent en F).
Pour que le faisceau émergent soit parallèle, il faut que le faisceau incident soit convergent puisque la lentille
fait diverger un faisceau lumineux. Le faisceau incident qui va donner en émergeant un faisceau parallèle aurait
convergé en T sil nay avait pas eu la lentille. Ce foyer est virtuel car seuls les prolongements des rayons
passent par T.
Limage T du point lumineux T est alors située à linfini.
Distance focale et vergence :
Faisceau
divergent
semblant venir
d
u point T
Faisceau lumineux issu
dun point T à linfini
T
O
F
F
: foyer principal image de
la lentille
Faisceau lumineux qui aurait
convergé au point T
F : foyer principal
objet de la lentille
O
Faisce
au émergent
parallèle
F
T
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On oriente notre schéma dans le sens de propagation de la lumière. La distance focale objet est alors positive
et la distance focale image négative. Elles sont égales lorsque le milieu des deux côtés de la lentille est le
même.
La vergence de la lentille : 'f
n
V= est donc négative.
4. Vergence et relation de conjugaison
Vergence de la lentille mince :
La vergence, définie pour les conditions de Gauss, dun dioptre sphérique est :
émergencedmilieuduindiceN
incidencedmilieuduindicenavec SC
nN
D
':
':
-
=
La vergence dune lentille mince est égale à la somme des vergences des dioptres qui la limitent.
Coupe de la lentille dans un plan contenant les deux centres des calottes
sphériques
C
1
et C
2
: centre
s des deux
dioptres sphériques.
R1 et R2
: rayons des deux
calottes sphériques
e
: épaisseur au centre
(mesurée sur la droite qui
joint les deux centres des
calottes).
n : indice du milieu extérieur
n1
: indice du matériau de la
lentille.
Pour des raisons de lisibilité du dessin, lépaisseur e
nest pas petite par rapport aux rayons des dioptres.
Sens +
n
F
F
O
Sens +
f = OF distance focale objet f = OF distance focale
image
n
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5
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ--=
=>
=>
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ--=
-
=
-
=
21
1
22222
11111
2211
1
2
1
1
1
1
1
11
)(
0
0:
11
)(
:
:'
RR
nnD
RCSCS
RCSCSschémaducasleDans
CSCS
nnDlentilleladevergence
SC
nn
Dsortiededioptreduvergence
SC
nn
Dentréeddioptreduvergence
D est exprimée en dioptries (d) lorsque R
1
et R
2
sont exprimés en mètres.
Pour lopticien :
Le verre de lunettes a toujours pour milieu extérieur lair dindice 1, la vergence de la lentille devient :
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ--=
21
1
11
)1( RR
nD
Voyons lutilité des verres à haut indice à partir dun exemple.
Verre convergent de +4d pour un hypérope : face avant +8 d, face arrière -4 d
Avec un Orma (Essilor) dindice 1,5 la face avant a un rayon de 6,25 cm et la face arrière un rayon de 12,5 cm ;
lépaisseur au centre pour un verre de 60 mm (tranchant) est de 4 mm
Avec un Linéis (Essilor) dindice 1,74 la face avant a un rayon de 9,25 cm et la face arrière un rayon de 18,5
cm ; lépaisseur au centre pour le même diamètre est de 2,55 mm.
Avec le haut indice, on a un verre moins cambré et plus fin.
Distances focales :
ff
D
n
f
D
n
f-==-= ''
Aberrations géométriques :
En fait si les rayons sécartent de la zone centrale de la lentille, la vergence correspondant va augmenter. Si
lon a un faisceau parallèle utilisant une trop grande surface de la lentille, les rayons ne convergeront pas
exactement tous au point F mais passeront tous dans une petite zone. On nomme cette aberration laberration
géométrique.
Pour les verres de lunettes, cette aberration ne pose pas de problème car le faisceau entrant dans l’œil est
limité par la taille de la pupille (2 à 8mm de diamètre). Le faisceau utile à la vision ne traverse donc quune zone
restreinte du verre de lunette et lon peut considérer pour cette petite zone que la vergence reste constante.
Elle nest bien sur pas rigoureusement la même au centre du verre (regard droit devant) ou lorsque lon regarde
sur le bord du verre mais une variation daccommodation de l’œil permet de compenser.
Relations de conjugaison :
Il sagit de la relation permettant de relier la position du point objet et de son point image (points conjugués
par rapport à la lentille mince).
A : point objet
A : image de A à travers la lentille mince
O : centre optique de la lentille
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