18-TP6 Instruments oculaires 2008-2009

Optique TP6 1
Instruments oculaires
1 – BUT DE LA MANIPULATION
Le but de cette manipulation est :
• de construire, avec deux lentilles minces, deux instruments oculaires simples, une
lunette de Galilée et une lunette astronomique, puis de les étudier ;
• d’utiliser un instrument oculaire du commerce, le microscope.
2 – NOTIONS SUR LES INSTRUMENTS OCULAIRES
Un instrument oculaire est un instrument optique qui, associé à l'œil, permet d’améliorer la vision
des objets.
2.1 Diamètre apparent
L’image A"B" située sur la rétine d’un œil regardant un objet AB, est de taille proportionnelle (en
première approximation) à l’angle θ, appelé « diamètre apparent », de cet objet (fig 1). L'objet est
perçu d'autant plus gros que θ est plus grand.
Lorsque l’œil regarde le même objet AB à travers un instrument oculaire (S) il voit une image A’B’
sous un angle θ’, généralement plus grand que θ. Pour un bon confort visuel de l’œil normal (œil
emmétrope), l’instrument doit être réglé de façon que l’image A’B’ soit rejetée à l’infini (fig 2) ;
les défauts de l’œil sont présentés en annexe.
θ
θθ
θ
A’’
B’’
A
B
Fig 1 : L’objet AB est vu, à l’œil nu, sous un angle
θ
.
Fig 2 : L’image A’B’ est vue, à travers l’instrument (S), sous un diamètre apparent
θ
’ supérieur à
θ
.
θ
θθ
θ
A’
∞
B’
∞
A’’
B’’
(S)
A
B
θ
θθ
θ
’

Optique TP6 2
2.1 Grossissement de l’instrument
Le grossissement G d’un instrument optique est, par définition, le rapport entre l’angle θ’ sous
lequel on y voit l’image A'B' d’un objet AB et l’angle θ sous lequel on verrait cet objet à l’œil nu :
θ
θ
=' G
En règle générale, on cherche à obtenir le plus fort grossissement possible.
2.1 Constitution de l’instrument
Les instruments oculaires sont généralement constitués de deux systèmes centrés , assimilés à deux
lentilles minces , l'objectif et l'oculaire :
• L'objectif : il donne d’un objet AB une image intermédiaire A
i
B
i
. Ses caractéristiques
définissent l'utilisation du système : lunette, télescope, microscope…
Instrument Distance objet/objectif
:
Distance focale de l’objectif :
lunette infinie grande (qq dizaines de cm)
microscope qq mm à qq dixièmes de mm petite (qq mm)
• L'oculaire : il donne de A
i
B
i
une image A'B' à l'infini ce qui implique que A
i
B
i
soit dans son
plan focal objet . Généralement, un réticule gradué et transparent est placé dans ce plan focal,
permettant ainsi une mesure de la taille de A
i
B
i
.
S’il est normal ( emmétrope ) et au repos (pas d’accommodation ), l'œil, qui est placé derrière
l’instrument, forme sur sa rétine une image A"B" de l’image A'B' à l'infini (voir annexe sur l’œil).
En résumé, on a donc la série de conjugaisons suivante :
AB A
i
B
i
A’B’ A’’B’’
Un instrument oculaire effectuant une conjugaison objet à l’infini image à l’infini (observation
d’étoiles, de planètes…) est qualifié d' afocal. C'est le cas de la lunette de Galilée et de la lunette
astronomique , par exemple.
III – MANIPULATION
3.1 Matériel utilisé
- 1 banc d'optique
- 1 calque portant un dessin
- 4 lentilles convergentes de distances focales 30 cm, 25 cm, 20 cm et 10 cm
- 1 lentille divergente de distance focale –10 cm
- 1 écran
- 1 miroir plan (pour l'autocollimation)
- 1 réticule transparent en mylar
- 1 microscope.
Objet image intermédiaire image à l’infini image sur la rétine
Objectif Oculaire Oeil

Optique TP6 3
3.2 Etude de la lunette de Galilée
♦ Construire, tout d’abord, par la méthode d' autocollimation (étudiée au TP n° 3), un objet AB à
l'infini en plaçant le calque portant l’objet A
o
B
o
dans le plan focal objet d'une lentille L
0
(f
0
’ = +30 cm), (fig 4).
Dorénavant, pour la lunette , l’objet sera donc AB et non A
o
B
o
.
♦ Réaliser la lunette de Galilée (ou lunette terrestre ) suivant le schéma ci-dessous :
• Laisser suffisamment d’espace (au moins 50 cm) entre l'objectif L
obj
et la lentille de collimation
L
0
pour pouvoir y intercaler votre tête et observer l'objet à l'œil nu.
• Veiller à ce que le foyer image F
1
’ de l'objectif ( convergent ) soit confondu avec le foyer objet
F
2
de l'oculaire ( divergent ) L
oc
.
♦ Montrer, en poursuivant la marche du faisceau lumineux de la figure 4, que ce système est afocal .
♦ Déterminer qualitativement le grossissement G de la lunette (signe, valeur absolue) en plaçant
l’œil devant puis derrière la lunette (jouer sur le diaphragme de la lampe pour ne pas être
ébloui).
♦ Poursuivre, sur la figure 5 de la page suivante, la marche du faisceau parallèle issu du point
objet B situé à l’infini.
♦ En déduire, les angles étant supposés petits :
•
les positions des images A
i
B
i
et A’B’.
• l’expression théorique G
thé
du grossissement de la lunette en fonction de f
1
’ et de f
2
’.
Fig 4 : La lentille L
0
donne de l’objet A
0
B
0
une image AB à l’infini. Cette
image virtuelle joue le rôle d’objet réel pour la lunette.
∞
A
A
0
B
0
F
1
F
2
’
F
2
O
1
O
2
F
1
’
(f
0
’ = 30 cm) (f
1
’ = 20 cm) ( f
2
’ =- 10 cm)
L
oc
L
obj
F
0
Réalisation d’un objet AB à l’infini Lunette de Galilée
L
0

Optique TP6 4
Pour déterminer la valeur expérimentale du grossissement de la lunette on remplace l’œil par un
système optique constitué d’un écran et d'une lentille annexe convergente L
a
(f
a
’ = 25 cm). On
peut ainsi mesurer les diamètres apparents θ et θ’ de l’objet AB et de l’image A’B’ (voir la
figure 6 ci-dessous).
♦
Placer ce système derrière l’oculaire de la lunette, mesurer la taille y’ de l’image obtenue sur
l’écran, puis en déduire la valeur de θ’ :
y’ = θ’ =
F
1
’
F
2
F
2
’
B
∞
F
1
θ
+
+
+
(f
1
’ = + 20 cm) (f
2
’ = - 10 cm)
Objectif Oculaire
Fig 5.
O
1
O
2
Fig 6 : Le système (lentille + écran) joue optiquement le rôle de
l’œil et permet de déterminer les diamètres apparents θ et θ ’ .
θ
’ O
a
F
a
’
y’
L
a
écran
B’
∞
B’’
θ
’
B’
∞
B’’

Optique TP6 5
♦ Sans toucher au système, enlever la lunette du banc optique, mesurer la taille y de l’image sur
l’écran, puis en déduire la valeur de θ :
y = θ =
♦ Calculer la valeur expérimentale du grossissement G
exp
de la lunette :
G
exp
=
♦ Est-ce en accord avec G
thé
?
3.3 Etude de la lunette astronomique
Le remplacement de l'oculaire divergent de la lunette de Galilée par un oculaire convergent donne
une lunette astronomique .
Où doit-on placer cette lentille convergente pour que le système soit encore afocal ?
♦ Schématiser le montage correspondant et tracer la marche des rayons pour le point A et pour le
point B (faire deux schémas).