m - Recherche et développement pour la défense Canada

Cours d'optique général
Optique géométrique et optique physique
Martin P. Lévesque
RDDC – Centre de recherches de Valcartier
Recherche et développement pour la défense Canada
Document de référence
DRDC-RDDC-2016-D049
septembre 2016

DÉCLARATIONS D'INFORMATION IMPORTANTE
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© Her Majesty the Queen in Right of Canada, as represented by the Minister of National Defence, 2016
© Sa Majesté la Reine (en droit du Canada), telle que représentée par le ministre de la Défense nationale,
2016

DRDC-RDDC-2016-D049 i
Abstract
This course is a general overview of the fields of geometrical and physical optics. It is a reminder
of the basic notions of the ray-tracing technique which shows how to make simple lens
associations (objective – eyepiece). The main sources of degradation in image quality are
addressed (spherical and chromatic aberrations, vignetting, pupil effect, etc.). Several optical
designs are presented (telescope, periscope, etc.). This course also presents theory and practical
applications of polarization and birefringence. Light interference phenomena are explained and
several designs of spectrometers and other interferential devices are shown. Light diffraction is
then examined and we demonstrate that the impulse response at the lens’ focal point is linked to
its aperture by a Fourier transform. The course ends with the demonstration that an image
produced by an optical system is the result of the projected image (with the ray-tracing technique)
convolved by the impulse response of this system, which depends on diffraction, spherical and
chromatic aberrations, and other sources of degradation.
Significance to defence and security
With the staff turnover during these last years, we have observed that DRDC’s expertise in optics
is decreasing. In order to fill this gap, this course was conceived to introduce the scientific staff to
the basic notions of geometrical and physical optics.
This course is only an overview of optics, which is a quite vast field. However, it provides
enough information to allow technicians and junior scientists to understand how the optical
systems they use are working, to characterise them and, eventually, to make their own basic
optical designs. The course offers enough theory and practical examples to allow optical system
users to apprehend the limits of their systems.

ii DRDC-RDDC-2016-D049
Résumé
Ce cours est un survol général des domaines de l’optique géométrique et physique. Il fait un
rappel des notions de base de la technique du tracé des rayons et montre comment faire des
associations de lentilles simples (objectif - oculaire). Les principales sources de dégradation de la
qualité de l’image sont décrites (aberration sphérique et chromatique, effet de vignette, de pupille,
etc.). Plusieurs designs optiques sont abordés (télescope, périscope, etc.). Ce cours présente aussi
la théorie et des applications pratiques de la polarisation et de la biréfringence. Les phénomènes
d’interférences lumineuses sont expliqués et on présente plusieurs designs de spectromètres et
d’autres systèmes interférentiels. La diffraction de la lumière est ensuite examinée et on démontre
que la réponse impulsionnelle au foyer d’une lentille est liée à sa fonction d’ouverture par une
transformée de Fourier. Le cours se termine par la démonstration que l’image produite par un
système optique est le résultat de l’image projetée (par la technique du tracé des rayons)
convoluée par la réponse impulsionnelle de ce système, laquelle dépend de la diffraction, des
aberrations sphériques et chromatiques et d’autres sources de dégradation.
Importance pour la défense et la sécurité
Avec le renouvellement du personnel ces dernières années, nous constatons que l’expertise en
optique de RDDC va en diminuant. Afin de combler partiellement cette lacune, ce cours a été
conçu pour initier le personnel scientifique aux notions de base en optique géométrique et
physique.
Ce cours n’est qu’un survol de l’optique, qui est un domaine très vaste. Cependant, il donne
suffisamment d’information pour permettre aux techniciens et scientifiques juniors de
comprendre comment fonctionne les systèmes optiques qu’ils utilisent, comment les caractériser
et, finalement, comment faire leurs propres designs optiques de base. Le cours donne
suffisamment de théorie et d’exemples pratiques pour permettre aux utilisateurs de systèmes
optiques d’appréhender les limites de leurs systèmes.

DRDC-RDDC-2016-D049 1
1 Introduction
Avec le renouvellement du personnel ces dernières années, nous constatons que l’expertise en
optique de RDDC va en diminuant. Afin de combler partiellement cette lacune, ce cours a été
conçu pour initier le personnel scientifique aux notions de base en optique géométrique et
physique. Ce cours s’adresse particulièrement aux techniciens et aux scientifiques juniors qui ont
à utiliser des systèmes optiques plus ou moins complexes, à concevoir ou modifier des systèmes
relativement simples, ou tout simplement à comprendre quelles sont les limites des systèmes
optiques qu’ils utilisent.
Ce cours a été donné à RDDC Valcartier au début de l’année 2016. Le cours a été divisé en cinq
séances de deux heures, soit :
1re leçon :
1: Les phénomènes optiques
2: Optique géométrique et tracé des rayons
2e leçon :
3: Les aberrations optiques
4: Design de télescopes (et autres systèmes)
3e leçon :
5: Polarisation
4e leçon :
6: Interférence lumineuse
7: Interférence et cohérence
5e leçon :
8: Diffraction de la lumière
9: Transformées de Fourier
Ce cours n’est qu’un survol de l’optique qui est un domaine très vaste. Il commence par
l’énumération et la définition des différents phénomènes optiques, tels que la réfraction, la
réflexion, la diffusion, la diffraction, l’interférence, la cohérence, etc., afin d’éliminer certaines
confusions qui peuvent régner sur ces termes.
Avec la réfraction et la réflexion, l’optique géométrique nous amène naturellement à concevoir
des systèmes optiques simples, tels que les lentilles et les miroirs convergents ou divergents. De
fil en aiguille, la technique du tracé des rayons nous permet d’assembler ces composantes de base
pour en faire des systèmes plus complexes, tel un télescope. Avec la technique du tracé des
rayons, on peut calculer la position du plan image, calculer le facteur de grossissement, le champ
de vision, la lentille équivalente (plan principal), etc.