optique geometrique

IPSA Toulouse Première année du Cycle Préparatoire Intégré Nicolas RIVIERE Onera – Département Optique Théorique et Appliquée 2 avenue Edouard Belin – BP 74025 – 31055 Toulouse cedex +33 562 25 26 24 – [email protected] 2012-2013 Optique géométrique Table des matières Introduction générale ........................................................................................................................................... 7 I. Lumière et optique .......................................................................................................................................... 15 1 Le modèle particulaire de la lumière .............................................................................................................. 15 2 La vitesse de la lumière et l’indice de réfraction............................................................................................ 16 3 Bases de l’optique géométrique ..................................................................................................................... 18 II. Principes fondamentaux de l’optique géométrique..................................................................................... 31 1 Propagation rectiligne de la lumière............................................................................................................... 31 2 Lois de Snell-Descartes .................................................................................................................................. 32 3 Principe du retour inverse de la lumière......................................................................................................... 35 4 Construction du rayon réfracté ....................................................................................................................... 36 III. Stigmatisme et approximation de Gauss .................................................................................................... 39 1 Source ponctuelle et objet lumineux .............................................................................................................. 39 2 Définition d’un instrument parfait. Stigmatisme ............................................................................................ 39 3 Stigmatisme approché .................................................................................................................................... 40 IV. Miroirs sphériques et miroirs plans ............................................................................................................ 43 1 Réflexion vitreuse et réflexion métallique ..................................................................................................... 43 2 Miroir concave et miroir convexe .................................................................................................................. 44 3 Propriétés remarquables des miroirs sphériques ............................................................................................ 45 4 Recherche de l’image d’un point objet situé sur l’axe du miroir.................................................................... 45 5 Notions de foyer et de plan focal.................................................................................................................... 47 6 Construction de l’image d’un objet plan ........................................................................................................ 48 7 Formules des miroirs sphériques dans l’approximation de Gauss.................................................................. 50 8 Champ d’un miroir sphérique......................................................................................................................... 52 9 Miroirs plans .................................................................................................................................................. 53 V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique................................................................................................... 55 1 Rappels sur les miroirs ................................................................................................................................... 55 2 Les lentilles .................................................................................................................................................... 56 3 Formation des images..................................................................................................................................... 59 4 Puissance des lentilles et aberrations.............................................................................................................. 62 5 Généralités et principe de quelques instruments d’optique classiques ........................................................... 65 6 Application : la loupe ..................................................................................................................................... 66 7 Application : le microscope............................................................................................................................ 67 8 Application : la lunette astronomique............................................................................................................. 69 Annexe.................................................................................................................................................................. 71 1 Rappels sur la division harmonique ............................................................................................................... 71 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 3 Table des matières 4 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique 1 P h ot os d e c ou v e rt u r e 3 2 1. Portrait de René Descartes. Mathématicien, physicien et philosophe français, il est né le 31 mars 1596 à La Haye en Touraine (localité rebaptisée Descartes par la suite) et il est mort à Stockholm dans le palais royal de Suède le 11 février 1650. 2. Dessin d’Ibn Sahl (~940-1000). Il est le premier a mentionner la loi de la réfraction en considérant des triangles rectangles (en haut à gauche) et que le rapport des deux hypoténuses est une constante du système. 3. Notion d’objet et d’image en optique géométrique. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 5 Optique géométrique Introduction générale Un peu d’histoire… Comme pour la plupart des disciplines scientifiques, c'est l'approche Grecque qui a formé l'embryon des notions modernes. Le terme optique vient du Grec τα ὀπτικά. C'est ainsi, à l'origine, la science de tout ce qui est relatif à l'œil. Les Grecs distinguent l'optique de la dioptrique et de la catoptrique. Nous les appellerions probablement aujourd’hui « science de la vision » pour la première, « science des lentilles » pour la seconde et « science des miroirs » pour la troisième. Les grands noms de l'optique grecque sont Euclide, Héron d'Alexandrie et Ptolémée. Depuis l'Antiquité, l'optique a connu de nombreux développements. Le sens même du mot a varié et, de l'étude de la vision, elle est passée en plusieurs étapes à celui de l'étude de la lumière, avant d'être incorporée récemment dans un corpus plus large de la Physique. Les premiers travaux d'optique pratique concernent la mise au point de lentilles et semblent remonter aux anciens Égyptiens et Babyloniens. Puis, c'est au Moyen Âge, dans les sociétés arabo-musulmanes, qu'on commence à penser le rayon lumineux comme indépendant de l'œil humain. Le grand savant Arabe dans ce domaine est Ibn al-Haytham, plus connu sous le nom d'Alhazen. On a pu le qualifier de « père de l'optique ». La vision ne s'exclura du champ d'étude de l'optique qu'à la fin de la Renaissance, les précurseurs que sont Kepler et Descartes mêlant encore les deux notions. Durant la Renaissance, le développement de divers instruments d'optique (lunette astronomique, télescope, microscope) est à la base de véritables révolutions scientifiques. Que l'on pense à la théorie de Copernic confirmée par les observations du système solaire par Galilée, ou à la découverte des animalcules grâce au microscope par de multiples savants dont le Galilée Hollandais Leeuwenhoek est probablement le plus connu. Toutefois c'est avec Huygens et surtout bien-sûr Newton que l'optique connaît des développements théoriques importants : Newton à l'aide de prismes et de lentilles montre que la lumière blanche peut être non seulement diffractée jusqu'à être décomposée en plusieurs lumières de différentes couleurs, mais même recomposée (cercle chromatique de Newton). Il produit la première théorie solide de la couleur et met également en évidence les phénomènes d'interférence (anneaux de Newton). Ses travaux le conduisent à supposer une nature corpusculaire à la lumière. Vers la même époque, Huygens développe les idées de Descartes et postule au contraire la nature ondulatoire du phénomène (cf. principe de Huygens), initiant ainsi l'optique ondulatoire. Il ne se dit guère que des Animaux qu'on peut voir seulement à l'aide du microscope dans certains liquides. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 7 Introduction générale Au XIXe siècle, Young à l'aide de ses nouvelles expériences d'interférence et suite à la découverte du phénomène de polarisation repose la question de la nature de la lumière. Mis au courant, Augustin Fresnel reprend et perfectionne la théorie de Huygens, et peut rendre compte de la totalité des phénomènes optiques connus. La théorie de Newton est abandonnée et la lumière est conçue comme une vibration d'un milieu très ténu dans lequel baigne l'espace : l'éther. Les découvertes de Hertz et les illustres travaux de Maxwell permettent vers la fin du siècle d'unifier optique et électricité dans un corpus plus large, celui de l'onde électromagnétique : • le domaine optique du spectre lumineux n'est en fait qu'une petite partie du spectre électromagnétique, • l'onde lumineuse devient porteuse de l'interaction électrique et magnétique, l'optique devient vectorielle. Le phénomène de propagation est décrit par la variation d'un champ de vecteurs. Le début du XXe siècle voit à nouveau une révolution dans la physique avec l'apparition presque simultanée de deux théories fondamentales : la mécanique quantique et la relativité. L'hypothèse des particules de lumière reprend une partie de son ancien lustre, et la nouvelle théorie admet le caractère à la fois ondulatoire et corpusculaire de la lumière. En revanche, on a moins besoin de l'éther dont l'existence est abandonnée. L'optique quantique, dont le laser est probablement la plus éminente application, voit le jour. L'optique étant véritablement au cœur de la physique du XXe siècle, qui est pour une grande part une physique du rayonnement, ses plus grands noms en sont ceux des physiciens généraux et on pourra citer Albert Einstein, Max Planck, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac,... Les anciens chinois et indiens ont également développé des connaissances non-négligeables en optique. Cependant, leur histoire se présente plutôt comme celle de branches parallèles car, à la différence des savants grecs et arabes, les connaissances en optique des anciens savants indiens et chinois n'ont que très peu influencé le spectaculaire développement de cette science qui s'est effectué en Europe de la Renaissance au début du XXe siècle. En conséquence, l'impact des découvertes des anciens chinois et indiens sur l'optique contemporaine est faible. La situation monopolistique de l'Europe a évolué peu à peu au cours du dernier siècle, et l'aventure de l'optique, comme d'ailleurs celle des autres sciences, est de nos jours complètement mondialisée. L’optique sous l’Antiquité Les premières lentilles optiques furent fabriquées sous l'empire assyrien et Lentille Nimrud Assyrie, diamètre 38 mm, vers 750 av JC (British Museum) sont antérieures à 700 avant JC : il s'agissait de cristaux polis, la plupart du temps de quartz (voir photo ci contre). Des lentilles similaires furent fabriquées par les anciens Egyptiens, les Grecs et les Babyloniens. Les Romains et les Grecs remplissaient des sphères de verre avec de l'eau pour en faire des lentilles (verre ardent) destinées à allumer le feu. L'usage des lunettes pour améliorer la vision ne semble pas avoir été beaucoup pratiqué avant le Moyen Âge. 8 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Les premières théories en matière d'optique apparurent en Grèce. Euclide, au IIIe siècle avant JC est l'auteur d'une théorie d'optique géométrique, les Catoptrica (Théorie des miroirs), qui voit apparaître la notion de rayon lumineux. À la même époque, Archimède a très certainement travaillé dans ce domaine, même si la réalité historique de ses célèbres miroirs embrasant les vaisseaux ennemis est plus douteuse. Héron d'Alexandrie, au Ier siècle de notre ère, écrit également des Catoptrica. Au siècle suivant Ptolémée rédige une Optique. Il y traite des propriétés de la lumière, notamment de la réflexion, de la réfraction, et singulièrement de la réfraction atmosphérique, ainsi que de la couleur. Ses travaux sur la réflexion portent tant sur les miroirs plans que sur les miroirs sphériques. En ce qui concerne la réfraction, s'il ne parvient pas à en définir la loi fondamentale, il montre que l'angle de réfraction croît à mesure que croît l'angle d'incidence et il établit des tables pour l'air et l'eau. Au sujet de la vision, les anciens étaient partagés. Les intramissionnistes (tel Epicure) pensent que les objets envoient des émanations (simulacres - εἴδωλα) qui parviennent aux yeux de l'observateur. Parmi eux, les atomistes considéraient que ces émanations étaient des atomes ténus. À l'inverse, les extramissionnistes estiment que les yeux projettent un « flux » qui permet la perception de l'objet par une sorte de contact, à l'instar du toucher. Pour d'autres savants Antiques, la vision résulte d'une interaction entre émanations des objets et flux visuel. C'est déjà l'opinion d'Empédocle au Ve siècle avant JC. Pour Ptolémée, par exemple, la vision résulte d'une interaction entre le « flux visuel » issu des yeux (visus en latin) et les émanations caractérisant compacité lumineuse et couleur. S'il ne recèle pas par lui-même de luminosité, l'objet doit être éclairé, stimulé en quelque sorte, pour que l'interaction se produise. L'Optique de Ptolémée ne nous est malheureusement pas parfaitement connue, car elle ne nous est parvenue que par l'intermédiaire d'une traduction latine, elle-même issue d'une traduction arabe assez imparfaite et incomplète : le livre I, qui contient la théorie de la vision, est perdu. Son propos est cependant connu par un bref résumé au début du livre II et les grandes lignes de sa théorie de la vision peuvent aussi se déduire d'indications éparses dans le texte. Au côté de Ptolémée, c'est-à-dire au nombre de ceux qui tentent une synthèse des deux courants anciens, il faut également ranger le médecin Gréco-Romain Galien qui fonde son opinion de l'observation anatomique de l'œil. Pour lui le corps émet un flux visuel qui interfère avec l'image de l'objet pour produire la sensation de vision. Ce flux part du nerf optique et se divise en de multiples ramifications à la manière d'un petit filet (retina). La fusion des deux flux s'effectue dans le cristallin. Il semble que ce genre d'opinion ait été majoritaire dans l'Antiquité. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 9 Introduction générale La période musulmane Les premiers travaux d'importances furent ceux d'Al-Kindi (vers 801–873) : dans son œuvre De radiis stellarum (traduction latine), il développe la théorie que « toute chose dans le monde [...] émet des rayons dans toutes les directions, ce qui remplit le monde entier ». Puis Ibn Sahl (vers 940-1000), mathématicien Persan à la cour de Bagdad, écrit un traité vers 984 sur les miroirs brûlants et les lentilles dans lequel il expose comment les miroirs courbes et les lentilles peuvent focaliser la lumière en un point. On y trouve la première mention de la loi de la réfraction redécouverte plus tard en Europe sous le nom de loi de Snell-Descartes. Il utilisa cette loi pour établir la forme de lentilles et miroirs capables de focaliser la lumière sur un point de l'axe de symétrie. Mais, dans ce domaine de l'optique, le plus influent des savants Arabes est Ibn al-Haytham, plus connu en occident sous son surnom d'Alhazen. Il prend pour base les théories antiques, mais parvient à les soumettre à l'arbitrage de la réalité par de nombreuses expériences, souvent très simples mais très ingénieuses, qui lui permettent d'étayer son argumentation. Il conclut en particulier, et pour la première fois sur des bases à peu près bien fondées, qu'il convient de concevoir l'œil comme un récepteur et non un émetteur. Il revient sur le rôle du cristallin, assimile l'œil à une chambre noire, étudie la vision binoculaire,... Son œuvre majeure Kitâb fi'l Manazîr (Traité d'optique 1015 - 1021), traduite en latin par Vitellion constituera la bible de l'optique du monde occidental pendant le bas Moyen-âge et la Renaissance. Pendant cette période, le monde verra le développement de la théorie et de l'observation, le développement de l'instrumentation et de la technique (amélioration des lentilles, lunettes, observatoires astronomiques) et la première mention de la loi de la réfraction (sans suite). Bas Moyen Age et Renaissance Pendant cette période, on redécouvre les travaux Antiques et arabes (Vitellion) et l’on progresse en optique géométrique. Ce sera également la naissance de la théorie de la perspective (perspective conique). On notera un intérêt accru pour la connaissance de l'œil en tant qu'organe de la vision. 10 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique De l’optique géométrique à l’optique ondulatoire… Dans cette introduction générale au module d’optique géométrique, nous procédons à un rapide rappel historique sur la mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière. C’est l’anglais Robert Hooke (1635-1703), contemporain et grand rival d’Isaac Newton, qui étudie en premier les couleurs produites par des couches de matière très minces, telles que les parois d’une bulle de savon ou de deux lames de verre mince pressées l’une contre l’autre. Il tente de les expliquer en postulant une nature ondulatoire de la lumière. Parallèlement aux travaux menés par Hooke, le père jésuite italien Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) découvre un nouveau mode de propagation de la lumière, qu’il nomme « diffraction ». En envoyant un filet lumineux sur un minuscule objet ou à travers un trou étroit, il observe que l’ombre projetée n’est pas nette, comme le laisserait supposer une propagation rectiligne de la lumière, mais bordée d’un halo de couleurs. Il en déduit très justement que certains rayons doivent être déviés ou « diffractés » : la lumière contourne l’obstacle, comme un cours d’eau contourne un rocher pour poursuivre son chemin. Or, les vagues de l’eau ont manifestement une nature ondulatoire. Pourquoi n’en serait-il pas de même de la lumière ? C’est le physicien hollandais Christiaan Huygens (1629-1665) qui formule la première théorie ondulatoire de la lumière. Il pense que la lumière se propage dans l’espace comme une onde engendrée par une pierre qu’on jette dans un étang se propage à la surface de l’eau. Le substrat matériel qui permet aux ondes lumineuses de se propager dans l’espace est, selon Huygens, une substance subtile, mystérieuse et impalpable, qui remplit l’espace, un fluide hypothétique, impondérable et élastique que les Anciens appelaient « éther ». Mais comment naît une onde lumineuse ? D’après Huygens, une source lumineuse est composée d’innombrables particules qui bougent et vibrent. Celles-ci communiquent aux particules de l’éther adjacentes leurs vibrations qui se propagent sous forme d’ondes sphériques. Grâce à sa théorie ondulatoire, Huygens parvient non seulement à rendre compte des lois de la réflexion et de la réfraction, mais aussi de la diffraction. Pourtant, la théorie ondulatoire de Huygens ne parvient pas à s’imposer. Elle rencontre l’opposition farouche du physicien anglais Isaac Newton (1642-1727). Son objection principale est que la lumière, contrairement au son, est incapable de contourner un obstacle. Si la lumière était une onde comme le son, nous devrions être capables de la voir aussi bien que nous percevons le son malgré l’obstacle. Newton a une vue mécaniste de l’Univers. Toutes ses composantes, petites ou grandes, sont constituées de particules en mouvement, obéissant aux lois de la mécanique. Ainsi, pour le physicien, un rayon visuel est une succession de corpuscules qui se suivent sur cette ligne droite. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 11 Introduction générale Les expériences de Newton sur la lumière comptent parmi les plus élégantes et les plus fondamentales de la physique. A l’aide d’un prisme en verre, solide transparent en forme de pyramide et à section triangulaire, il décompose la lumière solaire de couleur blanche en ce festival de couleurs qu’on voit dans un arc-en-ciel. Il remarque que la séquence des couleurs est toujours la même : rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Comment la lumière blanche peut-elle ainsi se doter de couleurs ? Soit les couleurs sont conférées à la lumière blanche par le prisme quand elle le traverse, soit la lumière blanche contient déjà en elle toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, la seule fonction du prisme étant de les séparer. Newton rejette la première hypothèse. Pour en avoir le cœur net, il fait passer la lumière décomposée par le premier prisme à travers un second prisme identique au premier mais disposé à l’envers. La lumière qui en sort est redevenue blanche. La lumière blanche est donc bien la somme de sept couleurs. Pour rendre compte de ces résultats dans le cadre d’une théorie corpusculaire, Newton s’inspire des concepts introduits dans la théorie de la gravitation universelle. Il explique les sept couleurs fondamentales en postulant des particules de sept tailles différentes, et fait intervenir des forces d’attraction et de répulsion qui poussent et tirent les particules de lumière qui, sinon, se propageraient en ligne droite. Ainsi, un prisme dévie plus la lumière bleue que la lumière rouge parce que la force attractive qu’il exerce sur la première est plus grande que celle qu’il exerce sur la seconde. Quant aux rayons diffractés de Grimaldi, Newton invoque une force répulsive qui pousse les particules de lumière dans l’ombre géométrique de l’objet. Les idées de Newton sur l’optique font autorité pendant tout le XVIIIe siècle. Pourtant, la théorie ondulatoire a toujours ses partisans, notamment le physicien anglais Thomas Young (1773-1829). Celui-ci s’intéresse en particulier au phénomène de diffraction découvert par le père Grimaldi. Il a bien observé que si l’on perce une petite fente dans la paroi d’une chambre noire, le faisceau lumineux qui y entre se diffracte, éclairant d’un halo d’intensité plus faible une zone étendue. En 1801, pour examiner le résultat de la superposition de deux halos de lumière, le physicien à l’idée de percer non plus une seule fente, mais deux, proches l’une de l’autre. Chacune va être à l’origine d’une zone de lumière étendue. Young place un écran derrière les deux fentes pour examiner la région où les deux halos de lumière se superposent. Ce qu’il découvre le stupéfie. Si la zone de superposition contient bien des bandes plus brillantes, celles-ci alternent avec des bandes sombres, dépourvues de toute luminosité. Young les nomme « franges d’interférence ». Autrement-dit, en certains endroits de l’écran, ajouter de la lumière à la lumière donne de l’obscurité ! Comment cela est-il possible ? Young réalise une description purement corpusculaire de la lumière. Il ne pourra jamais rendre compte de ce phénomène. Ajouter des particules de lumière à d’autres particules de lumière ne peut produire qu’un plus grand nombre de particules, donc créer une région plus éclairée. Par contre, si la lumière est une onde avec des crêtes et des creux comme ceux d’une vague à la surface de l’océan, le phénomène peut s’expliquer. Si les deux ondes arrivent en phase à un point de l’écran, elles s’ajoutent et l’écran est plus lumineux en ce point ; si elles sont déphasées, elles s’annulent et l’écran est obscur en ce point. 12 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Le jeune polytechnicien français Augustin Fresnel (1788-1827) ignorait tout du travail de Young et pourtant, il redécouvrit toutes les conclusions du physicien anglais. Fresnel réussit à décrire le principe d’interférence dans un langage mathématique qui lui permet de réfuter l’objection majeure de Newton à la théorie ondulatoire. Si la lumière se comportait comme une onde, elle devrait pouvoir contourner un obstacle, de la même façon que le fait le son. Fresnel démontre que la quantité de lumière qui contourne un obstacle dépend de sa longueur d’onde, la distance entre deux crêtes successives. Plus la longueur d’onde est petite, plus cette quantité est réduite. Or la longueur d’onde de la lumière est un million de fois plus faible que celle des ondes sonores. Il y a donc une quasi-annulation des ondes lumineuses. Certains phénomènes lumineux évoqués précédemment sont interprétés en tenant compte de la nature de la lumière. Une avancée capitale dans la compréhension de la nature de la lumière se fait par le biais de l’électricité et du magnétisme. Deux physiciens anglais, Michael Faraday (1791-1867) et James Maxwell (1831-1879) démontrent que les ondes de lumière sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde donnée. Avant de parler du caractère ondulatoire de la lumière (ceci est prévu dans le module d’optique en deuxième année), nous allons nous intéresser à l’optique géométrique. Ce module introduit le vocabulaire et les notions essentielles à une bonne compréhension des phénomènes physiques mis en jeu lors de l’observation de notre environnement via des instruments optiques. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 13 Optique géométrique I. Lumière et optique Cette partie introduit la notion d’optique géométrique. La lumière a toujours intrigué les scientifiques et elle a fait l’objet d’interminables discussions entre les philosophes qui cherchaient à la définir et à en comprendre la perception. Il est important d’en saisir la nature car elle est indispensable à la vie sur Terre. Elle est aussi notre principal canal d’échange d’information avec notre environnement. 1 LE MODELE PARTICULAIRE DE LA LUMIERE Nous pouvons voir un objet selon l’une des deux manières suivantes. L’objet peut être une source lumineuse comme une ampoule, une flamme ou une étoile, et dans ce cas nous voyons la lumière émise directement par la source. Plus habituellement, nous voyons un objet par la lumière qu’il réfléchit. Dans ce dernier cas, la lumière peut provenir du Soleil, d’appareils lumineux ou d’autres sources. On n’a compris la façon dont les corps émettent de la lumière que durant les années 1920. Cependant, on a compris beaucoup plus tôt comment la lumière se réfléchit sur les objets. Il existe de nombreuses preuves que la lumière voyage en ligne droite dans de nombreuses circonstances : - une source lumineuse ponctuelle comme le Soleil projette des ombres aux contours très nets, - le faisceau d’une lampe de poche est rectiligne. Nous inférons la position des différents objets dans notre environnement en supposant que la lumière qui provient de l’objet atteint notre œil en suivant une ligne droite. Toute notre façon de nous orienter dans le monde physique repose sur cette supposition. Cette hypothèse raisonnable a conduit au modèle particulaire de la lumière. Les parcours rectilignes que la lumière suit s’appellent des rayons. Les rayons sont une idéalisation qui sert à représenter un faisceau de lumière infiniment mince. Ainsi, lorsque nous voyons un objet, la lumière qui atteint nos yeux provient de chaque point de l’objet. Quoique chaque point de l’objet émette des rayons dans toutes les directions, seul un petit nombre, ou faisceau, de ces rayons pénètre dans les yeux de l’observateur. Si la personne bouge la tête de côté, un autre faisceau de rayons de lumière provenant de chaque point pénètre dans ses yeux. On peut considérer la lumière comme une onde électromagnétique. Quoique la représentation de la lumière par des rayons de particules ne tienne pas compte de cet aspect de la lumière (nous le verrons l’année prochaine en optique ondulatoire), elle a tout de même permis de rendre compte de plusieurs aspects de la lumière : la réflexion, la réfraction, la formation d’images par les miroirs et les lentilles. Comme ces descriptions supposent des rayons lumineux rectilignes suivant différents angles, on appelle cette matière l’optique géométrique. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 15 I. Lumière et optique Remarque : On ne tient pas compte des propriétés ondulatoires de la lumière. Si la lumière passe à travers des objets ou dans une ouverture, ces derniers doivent être très grands devant la longueur d’onde de la lumière (pour négliger les phénomènes d’interférence et de diffraction). On ne tient pas compte, non plus, de ce qui arrive à la lumière aux bords des objets. 2 LA VITESSE DE LA LUMIERE ET L’INDICE DE REFRACTION Galilée (Galileo Galilei, né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri, près de Florence, le 8 janvier 1642) tenta de mesurer la vitesse de la lumière en essayant de mesurer le temps nécessaire à la lumière pour parcourir une distance connue entre deux sommets de colline. Installé sur un sommet, Galilée demanda à un assistant de s’installer sur un autre sommet et d’enlever le couvercle d’une lampe à l’instant même où il apercevrait la lumière provenant de sa lampe à lui. Après avoir mesuré le temps entre l’allumage de sa lampe et la perception de la lumière provenant de la lampe de son assistant, Galilée conclut que ce temps était si bref qu’il représentait simplement le temps de la réaction humaine et que la vitesse de la lumière devait être extrêmement grande. C’est l’astronome danois Ole Roemer (1644-1710) qui réussit le premier à démontrer que la vitesse de la lumière était finie. Roemer avait remarqué que la période, méticuleusement mesurée, de l’une des lunes de Jupiter (Io, avec une période moyenne de 42,5 h) variait légèrement et que cette variation dépendait du mouvement relatif de la Terre et de Jupiter. Lorsque la Terre s’éloignait de Jupiter, la période de la Lune devenait un peu plus longue et lorsque la Terre se rapprochait de Jupiter, elle se faisait un peu plus courte. Il attribua cette variation au fait que le temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance Terre-Jupiter augmentait ou diminuait selon que la Terre s’éloignait ou se rapprochait de Jupiter. Roemer en conclut que la vitesse de la lumière, bien que grande, était finie. 16 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Depuis, on a utilisé plusieurs méthodes pour mesurer la vitesse de la lumière. L’une des plus importantes fut celle employée par l’américain Albert Michelson (1852-1931). Il utilisa un miroir rotatif pour mener, de 1880 à 1920, une série d’expériences très précises. Il dirigea un faisceau de lumière provenant d’une source sur l’une des faces d’un miroir rotatif à huit faces. La lumière réfléchie par cette face parcourait une grande distance jusqu’à un miroir stationnaire d’où elle revenait. Lorsque le miroir rotatif tournait à la vitesse appropriée, le faisceau était alors réfléchi par l’une des faces du miroir dans un petit télescope à travers lequel l’expérimentateur observait. A une vitesse de rotation différente, le faisceau était dévié d’un côté de sorte que l’expérimentateur ne pouvait pas l’apercevoir. Michelson put calculer la vitesse de la lumière à partir de la vitesse de rotation requise du miroir rotatif et de la distance connue du miroir stationnaire. En 1920, Michelson installa son miroir rotatif sur le sommet du mont Wilson, dans le sud de la Californie, et le miroir stationnaire sur le mont Baldy (mont San Antonio) à une distance de 35 km. Par la suite, il mesura la vitesse de la lumière dans le vide en utilisant un long tube dans lequel on avait fait le vide. La valeur acceptée aujourd’hui pour la vitesse de la lumière dans le vide (ou célérité) est : c = 2,997 924 574(12) . 108 m.s-1 Cette valeur comporte un nombre impressionnant de chiffres significatifs. Les divers procédés mis au point pour mesurer la valeur de la vitesse de la lumière rivalisent d’ingéniosité mais nécessitent des dispositifs très couteux . Ces efforts sont toutefois justifiés car ils permettent de tester certaines théories modernes qui font intervenir des constantes fondamentales. Par exemple, la vitesse de la lumière dans le vide est liée à la permittivité et à la perméabilité du vide par l’expression : c= 1 µ0 ⋅ ε 0 En disposant d’une valeur plus précise de c, les physiciens peuvent élaborer de meilleurs tests des théories modernes de l’électromagnétisme. Mise en place de techniques laser, K.M. Evenson et al., Phys. Rev. Lett., 29, 1346 (1972) Description de mesures de la vitesse de la lumière, J.F. Mulligan, Am. Journal of Physics, 44, 960 (1976) IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 17 I. Lumière et optique Lorsqu’il n’est pas nécessaire de réaliser des mesures extrêmement précises, on arrondit la vitesse de la lumière à la valeur 3,00 ⋅ 108 m.s −1 . La vitesse de la lumière est légèrement moindre dans l’air que dans le vide. Dans d’autres milieux matériels transparents (comme le verre ou l’eau), la vitesse de la lumière est toujours plus petite que dans le vide. Dans l’eau, par exemple, elle voyage à environ (3 / 4) ⋅ c . Le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à la vitesse de la lumière v dans un milieu matériel donné est appelé l’indice de réfraction n de ce milieu matériel : n= c v Le tableau suivant donne la valeur de l’indice de réfraction pour différents matériaux à une longueur d’onde donnée (ici 589 nm). Par exemple, comme n = 2,42 pour le diamant, la vitesse de la lumière dans le diamant sera de : v = c / n = (3,00 ⋅ 108 m.s −1 ) / 2,42 = 1,24 ⋅ 108 m.s −1 . Matériaux Air (à TPN) Eau Alcool éthylique Lucite ou plexiglas Chlorure de sodium 3 n=c/v 1,003 1,33 1,36 1,51 1,53 Matériaux Diamant Verre : Quartz fondu Verre crown Verre au plomb n=c/v 2,42 1,46 1,52 1,58 BASES DE L’OPTIQUE GEOMETRIQUE Le champ électromagnétique associé à la propagation des ondes électromagnétiques lumineuses est caractérisé par des fréquences extrêmement hautes (de l’ordre de 1014 s-1) ou, ce qui revient au même, à des longueurs d’onde extrêmement petites (de 0,3 µm à 0,7 µm environ pour la lumière visible). La partie de l’optique correspondant au cas limite où la longueur d’onde est voisine de zéro est l’optique géométrique. L’énergie lumineuse s’écoule le long de certaines courbes définies comme les rayons lumineux. On obtient un pinceau de rayons lumineux en faisant passer la lumière émise par une source de dimensions négligeables à travers une petite ouverture percée dans un écran opaque. La lumière atteignant l’espace derrière l’écran occupe une région dont la limite (i.e. le bord du pinceau) apparaît très nette à première vue. Un examen plus approfondi montre cependant que l’intensité lumineuse varie très rapidement et continument en passant de la région correspondant à l’ombre du trou à la région éclairée. Cette variation se manifeste par l’apparition de franges sombres et brillantes appelées franges de diffraction. L’étendue de la région dans laquelle ces franges apparaissent est de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde. Aussi longtemps que celle-ci est négligeable devant les dimensions de l’ouverture, on peut parler d’un pinceau lumineux géométriquement défini. Dans la limite où la longueur d’onde est quasiment nulle, on peut dire qu’une ouverture de dimensions infiniment petites définit un pinceau de lumière infiniment fin : le rayon lumineux. L’optique géométrique est donc une approximation de l’électromagnétisme au cas où la pulsation ω de la source sinusoïdale engendrant le champ électromagnétique est infiniment grande ou, ce qui revient au même, au cas où la longueur d’onde du champ électromagnétique se propageant est infiniment petite. 18 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Résolution des équations de Maxwell, équation iconale (ou eikonale) Dans un premier temps, il est nécessaire de résoudre les équations de Maxwell dans le cas très particulier d’un champ électromagnétique engendré par une source variant sinusoïdalement avec le temps à une fréquence angulaire ω quasiment infinie, et se propageant dans un milieu diélectrique linéaire, isotrope et illimité, caractérisé par la permittivité diélectrique ε et la perméabilité magnétique du vide µ 0 . Dans le cas où ε est une fonction des coordonnées de l’espace, le milieu est dit inhomogène. Considérons l’espace à trois dimensions repéré par le trièdre Oxyz. La source d’onde est localisée en une région très peu étendue de l’espace centrée au point S. Le champ magnétique complexe est calculé au point M repéré r par le vecteur position OM = r . z M S O y x r r r r Le champ électromagnétique au point M est noté E (r , t ) et B(r , t ) et est solution des équations de Maxwell relatives à un milieu sans charges libres ni courants libres : r r ∂B rot E = − ∂t r div D = 0 r r ∂D rot B = µ 0 ⋅ ∂t r div B = 0 r r r r r r r 1 r r avec D (r , t ) = ε (r ) ⋅ E (r , t ) et H (r , t ) = ⋅ B (r , t ) µ0 Rappels sur les notations utilisées : opérateur nabla gradient  ∂     ∂x  r  ∂  ∇=   ∂y  ∂     ∂z   ∂f     ∂x  r  ∂f  grad f = grad f = ∇f =    ∂y   ∂f     ∂z  IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 divergence rotationnel r r r ∂F ∂Fy ∂Fz div F = ∇ ⋅ F = x + + ∂x ∂y ∂z  ∂Fz ∂Fy    − ∂z   ∂y  ∂F r r ∂F  rot f = rot F = ∇ ∧ f =  x − z  ∂x   ∂z  ∂F ∂Fx  y    ∂x − ∂y    19 I. Lumière et optique Le champ électromagnétique cherché varie sinusoïdalement avec le temps à la même fréquence angulaire que celle de la source. Cependant, ce n’est pas celui d’une onde plane monochromatique (voir définition en optique ondulatoire) puisque la source n’est pas infiniment éloignée de M. Nous admettrons donc que la solution est de la forme : r r r r r E (r , t ) = e (r ) ⋅ exp(i ⋅ (k ⋅ S (r ) − ω ⋅ t )) r r r r r B(r , t ) = b (r ) ⋅ exp(i ⋅ (k ⋅ S (r ) − ω ⋅ t )) où k = ω c = 2π λ est le module du vecteur d’onde dans le vide. r Ce vecteur d’onde est considéré comme infiniment grand dans l’approximation envisagée et S (r ) est une r r r r fonction réelle de la position du point M. Nous admettons, de plus, que les vecteurs e (r ) et b (r ) sont des vecteurs réels. 20 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Démo ( ) r r r r En utilisant la relation mathématique : rot f ⋅ V = f ⋅ rot V + grad f ∧ V où f et V sont respectivement l’une une fonction scalaire et l’autre une fonction vectorielle des coordonnées de l’espace. On peut écrire : r r r r r r r r r r rot E (r , t ) = exp(i ⋅ (k ⋅ S (r ) − ω ⋅ t )) ⋅ [rot e (r ) + i ⋅ k ⋅ grad S (r ) ∧ e (r )] = i ⋅ ω ⋅ B(r , t ) r r r r r r r r r r s rot B(r , t ) = exp(i ⋅ (k ⋅ S (r ) − ω ⋅ t )) ⋅ rot b (r ) + i ⋅ k ⋅ grad S (r ) ∧ b (r ) = −i ⋅ ω ⋅ e(r ) ⋅ µ 0 ⋅ E (r , t ) [ ] Donc : r r r r r r r rot e (r ) + i ⋅ k ⋅ grad S (r ) ∧ e (r ) = i ⋅ ω ⋅ b (r ) r r r r r r r r rot b (r ) + i ⋅ k ⋅ grad S (r ) ∧ b (r ) = −i ⋅ ω ⋅ ε (r ) ⋅ µ 0 ⋅ e (r ) r r r r Dans l’approximation considérée, k et ω sont des infiniment grands. Les vecteurs d’amplitude e (r ) et b (r ) du champ électromagnétique varient lentement d’un point de l’espace à l’autre. C’est pourquoi nous admettrons r r r r que les vecteurs rot e (r ) et rot b (r ) sont négligeables dans les précédentes expressions devant les termes multipliés par ω et k . Il s’ensuit que : r r r r r r r r 1 1 r ⋅ grad S (r ) ∧ b (r ) et b (r ) = ⋅ grad S (r ) ∧ e (r ) c ⋅ µ 0 ⋅ ε (r ) c r r r r r Ces deux expressions montrent que e (r ) et b (r ) sont d’une part perpendiculaires à grad S (r ) et, d’autre part, r r perpendiculaires entre eux. De plus, en vertu des propriétés du produit vectoriel, le trièdre trirectangle e (r ) , r r r r r b (r ) , grad S (r ) est un trièdre direct. En éliminant b (r ) dans ces expressions, on obtient : r r e (r ) = − r r e (r ) = − 1 r ε (r ) ⋅ µ 0 ⋅ c ² r r r r ⋅ [(grad S (r ) ∧ e (r ) ) ∧ grad S (r )] ou encore, en utilisant les propriétés du produit vectoriel : r r e (r ) = − [ r r r r r r r 1 ⋅ (grad S (r ) )2 ⋅ e (r ) − (grad S (r ) ⋅ e (r ) ) ⋅ grad S (r ) r ε (r ) ⋅ µ 0 ⋅ c ² ] r r r Le second terme de cette expression est nul puisque les vecteurs e (r ) et grad S (r ) sont perpendiculaires. Il s’ensuit l’équation iconale suivante : r r 2 r 2  ∂S (r )   ∂S (r )  r r  +  +   = ε (r ) ⋅ µ 0 ⋅ c ² = n²(r ) ∂ ∂ x y z ∂       (grad S (rr ))2 =  ∂S (r )  IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 2 21 I. Lumière et optique r On note n(r ) = r ε(r ) l’indice de réfraction du milieu inhomogène. ε0 L’équation iconale définie ci-dessus est l’équation de base de l’optique géométrique et les r surfaces S (r ) = constante sont les surfaces d’onde géométriques, ou encore les fronts r r r r d’onde géométriques du champ électromagnétique E (r , t ) , B(r , t ) . Rayons lumineux et intensité lumineuse On sait que dans le cas d’un milieu transparent et non dispersif, on définit les valeurs moyennes des densités d’énergie électrique et magnétique emmagasinées par les relations : we = r r r r r 1 ⋅ ε (r ) ⋅ E (r , t ) ⋅ E * (r , t ) 4 et wm = 1 4µ 0 r r r r ⋅ B(r , t ) ⋅ B * (r , t ) r r r r Dans le cas particulier considéré ici, e (r ) et b (r ) sont supposés réels. On obtient donc (à partir des écritures précédentes) : we = wm = r r r r r 1 r r r r 1 ⋅ ε(r ) ⋅ e (r ) ⋅ e (r ) = ⋅ b ( r ) ⋅ b (r ) 4µ0 4 r En définissant la valeur moyenne du vecteur de Poynting P par la relation : [ r r r r r 1 P = ⋅ Re E (r , t ) ∧ B(r , t ) 2µ 0 ] On a : r P = r r r r r r grad S (r ) c ⋅ [e (r ) ⋅ e (r )] ⋅ grad S (r ) = r ⋅ w ⋅ r 2µ 0 ⋅ c n(r ) n( r ) 1 Où : w = we + wm = 2 ⋅ we est la densité d’énergie électromagnétique moyenne emmagasinée dans le milieu. On définit le vecteur : r r 1 u = r ⋅ grad S (r ) n( r ) r en vertu de l’équation iconale comme étant un vecteur unitaire porté par la direction grad S (r ) . Le vecteur de Poyting moyen est donné par la relation : r r r P(r ) = v ⋅ w ⋅ u 22 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique r Où v = c / n(r ) est la vitesse de propagation du champ électromagnétique dans le milieu. Le vecteur de Poynting moyen se propage donc dans la direction du vecteur normal au front d’onde géométrique. Son module est le produit de la densité d’énergie moyenne emmagasinée par la vitesse de propagation v du champ électromagnétique. La relation précédente est analogue à la relation obtenue dans le cas des ondes planes (voir optique ondulatoire). Il en résulte que dans l’approximation de l’optique géométrique, l’énergie se propage à la r même vitesse c / n(r ) que le champ électromagnétique. On définit les rayons lumineux comme les trajectoires orthogonales aux surfaces d’onde géométriques r S (r ) = constante . Ce sont des courbes orientées dont la direction en chaque point de l’espace coïncide avec celle r du vecteur grad S (r ) . Considérons un rayon lumineux se propageant dans l’espace (voir figure ci-dessous).Un point M du rayon lumineux est repéré par sa position : r OM = r dans l’espace ou par sa position : ) ΩM = s sur la courbe orientée que représente le rayon lumineux, où Ω est un point origine sur le rayon. Rayon lumineux z M’ M r S (r ) = constante Ω O y x Un point M’ sur le même rayon lumineux, infiniment voisin de M, est défini par le vecteur élémentaire : r MM ' = dOM = dr r dont la valeur algébrique est ds . Il s’ensuit que le vecteur unitaire u de la direction du rayon lumineux peut s’écrire : r dOM u= ds r Dans ces conditions, on peut réécrire l’expression du vecteur u sous la forme : r dOM r n( r ) ⋅ = grad S (r ) ds L’intensité lumineuse en un point d’un rayon lumineux est définie comme le module du vecteur de Poynting moyen, soit : r I = P = v⋅ w r La loi de conservation du flux lumineux permet d’écrire : div ( I ⋅ u ) = 0 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 23 I. Lumière et optique Définition du chemin optique Considérons deux fronts d’onde infiniment voisins, caractérisés par les équations où C et C’ sont des constantes : r r r r S (r ) = C et S ( r + dr ) = S ( r ) + dS = C ' Soient M et M’ les points d’intersection respectifs d’un même rayon lumineux avec ces deux surfaces (voir figure ci-dessous). En utilisant la définition du vecteur gradient, on peut écrire : r r r dS = MM '⋅grad S = dr ⋅ grad S = ds ⋅ u ⋅ grad S = n(r ) ⋅ dS Par définition, la quantité r dS = n(r ) ⋅ dS représente le chemin optique élémentaire parcouru par le rayon lumineux entre les deux fronts d’onde infiniment voisins. Rayon lumineux S + dS = C’ M’ M S = C’ Ω En considérant deux fronts d’onde S A et S B non infiniment proches et en notant par M A et M B leurs intersections respectives avec le rayon lumineux, le chemin optique parcouru par celui-ci est alors défini par : SB − S A = B r ∫ n(r ) ⋅ ds A où l’intégrale est une intégrale curviligne calculée sur le rayon lumineux. Celui-ci se propageant à la vitesse v, on peut écrire : ds = c r ⋅ dt n( r ) où dt est le temps infiniment petit mis par le rayon lumineux pour aller de M à M’. On définit le chemin optique comme étant la distance que le rayon lumineux aurait parcouru dans le vide pendant le temps qu’il a mis dans le milieu pour aller de A à B. ∫ B ∫ B S B − S A = c ⋅ dt = c ⋅ dt A 24 A IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Equation du rayon lumineux On a déjà écrit que : On en déduit que : r r r dS = MM '⋅grad S = dr ⋅ grad S = ds ⋅ u ⋅ grad S = n(r ) ⋅ dS r dS (r ) r = u ⋅ grad S ds Calculons la quantité vectorielle d (grad S ) en notant x̂ , ŷ , ẑ les vecteurs unitaires des 3 axes Ox, Oy, Oz. ds d  ∂S  d  ∂S  d (grad S ) d  ∂S  =   ⋅ xˆ +   ⋅ yˆ +   ⋅ zˆ ds  ∂z  ds  ∂y  ds ds  ∂x  Soit : r d (grad S )  r ∂S  ∂S  ∂S  r  ⋅ yˆ +  u ⋅ grad =  u ⋅ grad  ⋅ xˆ +  u ⋅ grad  ⋅ zˆ ∂x  ∂y  ∂z  ds    r r 1 Or, on sait que : u = r ⋅ grad S (r ) n( r ) r r r r r r  ∂ (grad S (r ) )  1 ∂ (grad S (r ) )2 1 ∂n²(r ) r ∂n(r ) ∂S Et que : grad S (r ) ⋅ grad = n( r ) ⋅ = ⋅ = [grad S (r )] ⋅  = ⋅ ∂x j ∂x j ∂x j ∂x j 2 ∂x j  2  Donc, si x j = ( x, y, z ) , on a : r r r d (grad S ) d  r dOM  ∂n(r ) ∂n(r ) ∂n(r ) ˆ ˆ ⋅ + ⋅ + = y x n r ( ) ⋅ zˆ = ⋅ ds  ds ds  ∂z ∂y ∂x Soit : r d  r dOM  n(r ) ⋅ = grad n(r )   ds  ds  C’est l’équation du rayon lumineux qui permet de décrire la trajectoire de celui-ci au sein du milieu où il se propage. r d  r dOM  n(r ) ⋅ = grad n(r ) ds  ds  Nous avons établi cette équation dans le cas d’un milieu inhomogène, c’est-à-dire d’un milieu dont la constante diélectrique est dépendante des coordonnées de l’espace. Dans tout ce qui suivra, nous ne considèrerons que des milieux homogènes donc caractérisés par un indice de réfraction n constant. Dans ces conditions, grad n est égal à 0, ce qui signifie que : d  dOM  = 0 et après intégration, que ds  ds  dOM r = u = constante ds La trajectoire du rayon lumineux, caractérisée en chaque point par une tangente dont la direction est constante, est une droite. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 25 I. Lumière et optique Equation du rayon lumineux et principe de Fermat Nous avons défini les surfaces d’onde géométriques, le rayon lumineux et le chemin optique en résolvant les équations de Maxwell dans le cas particulier où la pulsation ω de la source lumineuse est infiniment grand, c’est-à-dire où la longueur d’onde du champ électromagnétique est un infiniment petit. Nous n’avons pas fait référence au postulat fondamental de l’optique géométrique qu’est le principe de Fermat. Après avoir énoncé ledit principe, nous montrerons que l’on retrouve aisément les lois de l’optique géométrique précédemment démontrées. Enoncé du principe de Fermat Soient deux points A et B d’un espace à trois dimensions repéré par le trièdre trirectangle Oxyz (voir figure cidessous). (C) z B A O y x On peut tracer entre A et B une infinité de courbes susceptibles de représenter le rayon lumineux. Le temps que mettrait la lumière pour aller de A à B en suivant l’une d’entre elles (soit la courbe C), s’exprime par l’intégrale : (∆tC )BA = ∫ B A ds 1 = ⋅ v c B r ∫ n(r ) ⋅ ds A Fermat définit le chemin optique parcouru par la lumière lorsqu’elle va de A à B le long de la courbe C par la relation suivante : [AB]C = ∫ B A r n(r ) ⋅ ds Principe de Fermat : Le chemin effectivement suivi par la lumière est la courbe C pour laquelle le chemin optique [AB]C = ∫ n( M ) ⋅ ds B A est extrémal (c’est-à-dire maximal ou minimal). On dit encore que l’intégrale est stationnaire. La signification de la notion d’extrémal est la suivante. Calculons l’intégrale précédente sur une courbe C’ telle que le point M de la courbe C occupe sur la courbe C’ la position M’ (voir figure ci-dessous) définie par δM = MM ' . M (C) A B M’ (C’) 26 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Le chemin optique suivi par la lumière empruntant la courbe C’ est : [AB]C ' = ∫ B A n( M ' ) ⋅ ds' On dit que l’intégrale est stationnaire si : δ [AB] = [AB]C ' − [AB ]C est infiniment petit d’ordre très inférieur à la valeur maximum de δM . Dans ces conditions, [AB ] est extrémal et la lumière se propage suivant la courbe C. Equation du rayon lumineux On retrouve l’équation du rayon lumineux à partir de la définition du chemin optique. En effet, si C est le chemin suivi par la lumière comme représenté ci-dessous, on a : δ [AB] = δ n ⋅ ds = ∫ B A B ∫ δ (n ⋅ ds) = 0 A r r avec δ (n ⋅ ds ) = δn ⋅ ds + n ⋅ δ (ds ) et ds = u ⋅ dr . N’ N (C) A B r δr (C’) M r dr M’ En vertu de la définition du vecteur gradient, on peut écrire que : r r δn = grad n ⋅ δr avec δr = MN r r r r On sait aussi que (ds )² = dr ⋅ dr et que δ [(ds)² ] = 2 ⋅ ds ⋅ δ (ds) = 2 ⋅ dr ⋅ δ (dr ) Donc : δ (ds) = r r r r dr ⋅ δ ( dr ) = u ⋅ δ ( dr ) ds A partir de la figure précédente et de considérations géométriques, on obtient : r r r MN ' = MM ' + M ' N ' = dr + δ (r + dr ) r r r MN ' = MM + NN ' = δr + d (r + δr ) Par comparaison de ces deux relations, on en déduit que : r r r r δ (dr ) = d (δr ) et δ (ds) = u ⋅ d (δr ) De plus, on a : r r r r r r d (nu ⋅ δr ) = nu ⋅ d (δr ) + δr ⋅ d (nu ) La variation du chemin optique élémentaire δ (n ⋅ ds ) entre les courbes C et C’ peut se réécrire comme : r r r ds ⋅ grad n ⋅ δr + nu ⋅ δ (dr ) r r r ds ⋅ grad n ⋅ δr + nu ⋅ d (δr ) r r r r r ds ⋅ grad n ⋅ δr + d (nu ⋅ δr ) − δr ⋅ d (nu ) [ds ⋅ grad n − d (nur )] ⋅ δrr + d (nur ⋅ δrr) IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 27 I. Lumière et optique Donc : [ABδ ]C = ∫ A [δAB]C δ [AB]C = 0 ∫ [ds ⋅ grad n − d (nu )]⋅ r δ r r r r rδ − nu ⋅ rδ + ∫ [ds ⋅ grad n − d (nu )] ⋅ B r r δ d (nu ⋅ r ) + B r A B r = nu B ⋅ B r A A A r rδ d' après le principe de Fermat Les courbes C et C’ passant par A et B on a alors : r r δrA = δrB = 0 r Pour que δ [AB] soit nul quel que soit le déplacement arbitraire δr de chaque point M de la courbe, il est nécessaire que : r ds ⋅ grad n − d (nu ) = 0 On retrouve bien l’équation du rayon lumineux, conséquence directe du principe de Fermat : v d  dr  ⋅ n = grad n ds  ds  Théorème de Malus La seconde conséquence du principe de Fermat est l’existence de surfaces d’ondes normales aux rayons lumineux. Soit une source ponctuelle A (voir figure suivante) émettant une infinité de rayons lumineux (qui sont des demi-droites uniquement dans le cas des milieux homogènes). B1 B2 B3 Bp A r δr Bp+1 On considère sur chacun de ces rayons les points [AB1 ], [AB2 ],..., [AB p ] B1 , B2 ,..., B p tels que les chemins optiques soient les mêmes. Le lieu géométrique des points B1 , B2 ,..., B p est une surface d’onde (dans le cas d’un milieu homogène, il est évident que les surfaces d’onde sont des sphères). On a, par construction : [ ] [ ] [ ] δ AB p = AB p − AB p +1 = 0 [ ] où δ AB p a été donné précédemment avec une intégrale nulle par définition de l’équation du rayon lumineux et r r r r v v dans laquelle : δrA = 0 et δrp = B p B p +1 . On a alors : nu p ⋅ δrp = 0 . Donc, δrp est perpendiculaire à u p . 28 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Ceci est vrai quel que soit le rayon lumineux issu de la source A. Il en résulte le théorème de Malus. Théorème de Malus : Les rayons lumineux sont les trajectoires orthogonales aux surfaces d’onde. En résolvant les équations de Maxwell dans l’approximation de l’optique géométrique, on définit d’abord les surfaces d’onde puis la notion de rayon lumineux. En admettant le principe de Fermat, on définit d’abord le rayon lumineux et le chemin optique puis on en déduit la notion de surface d’onde. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 29 Optique géométrique II. Principes fondamentaux de l’optique géométrique Tout le long de ce cours, nous considérons que les rayons lumineux se propagent dans des milieux homogènes et transparents. Il s’ensuit, comme nous l’avons démontré dans le chapitre précédent, que le rayon lumineux se propage en ligne droite. Cependant, la démonstration a été effectuée dans le cas où le rayon se propage dans un milieu illimité… 1 PROPAGATION RECTILIGNE DE LA LUMIERE Dans le premier chapitre, nous avons vu que les rayons lumineux sont définis comme des trajectoires orthogonales aux surfaces d’onde, trajectoire selon lesquelles s’écoule l’énergie lumineuse. Cette définition est très abstraite et la matérialisation d’un rayon lumineux expérimentalement impossible. En revanche, on sait parfaitement, à partir d’une source de lumière, réaliser un ensemble de rayons lumineux, c’est-à-dire un faisceau lumineux. Il y a trois types de faisceaux lumineux : Faisceau convergent Faisceau divergent Tous les rayons se dirigent vers un même point Tous les rayons lumineux sont issus d’un même point Faisceau cylindrique ou parallèle Tous les rayons lumineux sont parallèles donc se rencontrent à l’infini Définition du phénomène de diffraction Considérons une expérience où un faisceau lumineux de rayons parallèles se propage dans l’air. On interpose sur le trajet de ce faisceau un diaphragme percé d’une ouverture circulaire (voir figure suivante). Si le rayon rd de cette ouverture est très grand devant la longueur d’onde de la lumière, le faisceau émergeant demeure un faisceau parallèle dont la section droite est un cercle de rayon rd. Lorsque rd diminue, la surface de la section du faisceau diminue et celui-ci devient alors un pinceau de lumière. Le faisceau émergeant d’un laser matérialise très bien cette notion de pinceau de lumière. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 31 II. Principes fondamentaux de l’optique géométrique Lorsque rd devient de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde, l’expérience montre que le faisceau s’élargit. La trace du faisceau sur un écran E à grande distance d du diaphragme devient une tache circulaire dont le rayon augmente au fur et à mesure que rd diminue. Le rayon de cette tache est proportionnel à λ ⋅ d / rd . C’est le phénomène de diffraction qui apparaît dès que l’approximation de l’optique géométrique n’est plus valable, c’est-à-dire dès que le milieu dans lequel se propage le faisceau lumineux devient limité par des ouvertures dont les dimensions sont telles que l’on ne peut plus négliger la longueur d’onde. C’est à cause de la diffraction que le rayon lumineux ne peut pas être mis expérimentalement en évidence. Ce phénomène ne sera pas considéré ici (voir l’optique ondulatoire). Nous admettrons que les faisceaux lumineux sont constitués de rayons lumineux indépendants les uns des autres, ce qui signifie qu’un rayon lumineux n’a aucune action sur un rayon lumineux infiniment voisin. C’est le principe de l’indépendance des rayons lumineux. rd rd u D D d rd >> λ 2 rd ≈ λ LOIS DE SNELL-DESCARTES Notion d’indice de réfraction Les milieux transparents dans lesquels se propage la lumière sont caractérisés par leur indice de réfraction n par rapport au vide. Nous admettrons ici que le rayon lumineux se propage dans le vide à la vitesse c = 1 / ε 0 ⋅ µ 0 et dans un milieu d’indice n à la vitesse : v= c n L’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde. En première approximation, nous admettrons que la loi de variation est de la forme suivante où A et B sont des constantes dépendant du milieu : n( λ) = A + 32 B λ² IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Notions de dioptre et de miroir Deux milieux transparents d’indices de réfraction différents (voir figure suivante) sont séparés par une surface Σ que nous supposerons non diffusante et non diffractante. Pratiquement, cela signifie que les aspérités présentées par cette surface sont de dimensions très inférieures à la longueur d’onde de la lumière. Une telle surface est un dioptre. Nous ne considèrerons ici que les dioptres plans ou les dioptres sphériques. Dans le cas où le milieu d’indice n1 est transparent et le milieu d’indice n2 est absorbant, la surface de séparation est un miroir. Σ n1 n2 Enoncé des lois de Snell-Descartes Soit une surface Σ séparant deux milieux transparents caractérisés respectivement par les indices de réfraction n1 et n2 . Un rayon lumineux se propageant dans le milieu d’indice n1 arrive au point I de la surface de séparation des deux milieux (voir figure suivante). Ce rayon incident donne naissance à deux rayons : - un rayon réfléchi qui est renvoyé dans le milieu d’indice n1 - un rayon réfracté qui se propage dans le milieu d’indice n2 Ces deux phénomènes sont appelés respectivement réflexion et réfraction. Les lois les régissant sont les lois de Snell-Descartes. N i’1 i1 Σ I n1 n2 N’ i2 Définition du plan d’incidence Soit N’IN la normale à la surface de séparation au point I. Le plan défini par le rayon incident et la normale IN est appelé le plan d’incidence. L’angle i1 que fait le rayon incident avec IN est l’angle d’incidence. L’angle i’1 que fait le rayon réfléchi avec la normale IN est l’angle de réflexion et l’angle i2 que fait le rayon réfracté avec la normale IN est l’angle de réfraction. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 33 II. Principes fondamentaux de l’optique géométrique Première loi de Snell-Descartes : Le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont dans le plan d’incidence. Deuxième loi de Snell-Descartes : loi de la réflexion L’angle de réflexion i’1 est égal à l’angle d’incidence. Troisième loi de Snell-Descartes : loi de la réfraction Il existe un rapport constant entre le sinus de l’angle d’incidence et le sinus de l’angle de réfraction : sin i1 n2 = sin i2 n1 ou encore n1 ⋅ sin i1 = n2 ⋅ sin i2 Ces lois ne sont pas vérifiables directement puisque l’on n’a jamais pu isoler un rayon lumineux. Elles sont admises comme les bases de l’optique géométrique et vérifiées par l’ensemble de leurs conséquences. Si l’angle i1 est petit, il en est de même pour l’angle i2. On retrouve alors les lois de Kepler où : i '1 = i1 et n1 ⋅ i1 = n2 ⋅ i2 . Discussion des lois de Snell-Descartes L’angle d’incidence i1 est toujours compris entre 0 et π / 2 et il en est de même de l’angle i2. La valeur de ce dernier est donnée par la relation suivante et dépend donc du rapport des indices ( n1 / n2 ) : sin i2 = n1 ⋅ sin i1 n2 Que se passe-t-il lorsque le second milieu est plus réfringent que le premier ? n2 > n1 L’expression précédente montre que l’angle i2 est inférieur à l’angle i1. Le rayon réfracté se rapproche donc de la normale à la surface de séparation en pénétrant dans le second milieu. Différentions cette relation. On a cos i2 ⋅ di2 = π di2 n ⋅ cos i1 n1 = 1 est positif, inférieur à 1 et s’annule pour i1 = . ⋅ cos i1 ⋅ di1 donc di1 n2 ⋅ cos i2 n2 2 La courbe suivante représente les variations de i2 en fonction de i1. La tangente à l’origine fait avec l’axe des abscisses l’angle θ défini par : tan θ = sin i2 M = n1 n2 i2 i2M 0 34 θ π 2 i1 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Que se passe-t-il lorsque le second milieu est moins réfringent que le premier ? n2 < n1 L’angle i2 est supérieur à l’angle i1 et le rayon réfracté s’écarte de la normale à la surface de séparation en pénétrant dans le second milieu. La courbe représentant les variations de i2 en fonction de i1 est donnée sur la figure suivante. On aura un rayon réfracté dans le milieu d’indice n2 pour un angle d’incidence inférieur à : i1l = sin −1 n2 n1 i2 π 2 0 θ I1l i1 Si i1 est supérieur à i1l alors sin i2 est supérieur à 1 et il n’y a plus de rayon réfracté. En effet l’angle i2 n’est pas défini. Nous admettrons sans démonstration que le rayon incident subit alors une réflexion totale à la surface de séparation entre les deux milieux (voir figure suivante). N i1l i1 i1 n1 3 Σ I n2 PRINCIPE DU RETOUR INVERSE DE LA LUMIERE Les formules de Snell-Descartes sont symétriques pour la réflexion et la réfraction. En effet, considérons un rayon lumineux se propageant dans le milieu d’indice n2 et incident sous l’angle i2 à la surface de séparation du milieu avec un milieu transparent d’indice n1 (voir figure ci-dessous). Ce rayon se dédouble sur la surface Σ en un rayon réfléchi et un rayon réfracté. N’ i1 n1 I Σ n2 i2 N IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 35 II. Principes fondamentaux de l’optique géométrique D’après les lois de Snell-Descartes, le rayon réfléchi fait l’angle i2 avec la normale à la surface de séparation et l’angle i’1 que fait le rayon réfracté avec NIN’ est donné par la relation : n1 ⋅ sin i '1 = n2 ⋅ sin i2 i '1 = i1 On a donc : Le trajet suivi par la lumière ne dépend pas du sens de propagation. Un rayon lumineux se propage suivant une ligne brisée en subissant un certain nombre de réflexions et de réfractions. Principe du retour inverse de la lumière : Lorsque deux rayons lumineux se propageant en sens inverse ont une partie rectiligne commune, ils coïncident sur tout leur trajet. 4 CONSTRUCTION DU RAYON REFRACTE Construction de Huygens Le plan de la figure est le plan d’incidence. Le rayon incident sur la surface de séparation Σ entre les milieux transparents d’indices n1 et n2 coupe celle-ci au point I (voir figure suivante). N i1 1/n1 1/n2 D C1 1/n2 I T 1/n1 C2 i’2 n1 Σ A2 n2 A1 N’ Soit D la droite intersection du plan tangent en I à Σ et du plan de la figure. On trace dans ce plan les deux demi-cercles de centre I et de rayons respectifs 1 / n1 (demi-cercle C1) et 1 / n2 (demi-cercle C2). Le rayon incident coupe le demi-cercle C1 au point A1. La tangente en A1 à C1 coupe la droite D au point T. On mène de T la tangente au demi-cercle C2. Soit A2 le point d’intersection entre C2 et celle-ci, et soit i’2 l’angle formé par les demi-droites IA2 et IN. En considérant les triangles rectangles IA1T et IA2T, on a : 36 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique IT = IA1 IA2 = π π   cos − i1  cos − i '2  2 2   Ou encore : n1 ⋅ sin i1 = n2 ⋅ sin i ' 2 Donc, le rayon IA2 est le rayon réfracté. Construction de Snell Le plan de la figure est également le plan d’incidence et le rayon incident, la courbe Σ et la droite D sont les mêmes que dans le cas précédent. On trace les deux demi-cercles C’1 et C’2 de centre I et de rayons respectifs n1 et n2 (voir figure suivante). Le rayon incident coupe le demi-cercle C’1 en A’1. On mène de A’1 la perpendiculaire à la droite D qui coupe celle-ci en H et le cercle C’2 en A’2. On note i’2 l’angle entre IN et IA’2 et on a : IH = IA'1 ⋅ sin i1 = IA'2 ⋅ sin i ' 2 D’où : n1 ⋅ sin i1 = n2 ⋅ sin i ' 2 Donc, le rayon IA’2 est le rayon réfracté. N i1 n2 n1 D C’1 I n1 n2 C’2 i’2 n1 H A’1 Σ n2 A’2 N’ IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 37 Optique géométrique III. Stigmatisme et approximation de Gauss Ce chapitre est dédié à l’introduction des notions de source ponctuelle et d’objets lumineux. Nous verrons également quelques définitions telles que celles des instruments parfaits… 1 SOURCE PONCTUELLE ET OBJET LUMINEUX Une source ponctuelle est par définition un objet lumineux vu par l’œil sous un angle inférieur à une minute d’arc (3.10-4 radian). Un objet lumineux de dimensions finies peut-être considéré comme un assemblage de sources ponctuelles juxtaposées, indépendantes les unes des autres. Dans la suite et sauf mention contraire, la lumière se propagera de gauche à droite, ce qui revient à considérer le rayon lumineux comme une droite orientée. 2 DEFINITION D’UN INSTRUMENT PARFAIT. STIGMATISME Notion d’image Les systèmes optiques centrés sont des instruments à symétrie de révolution autour d’un axe, destinés à former des images c’est-à-dire donnant une représentation des objets extérieurs qui rappelle point par point l’apparence directe de ces objets. Stigmatisme Un instrument d’optique parfait est un instrument qui remplit la condition de stigmatisme : tous les rayons issus d’un point A quelconque doivent, après avoir traversé l’instrument, passer par un même point A’. On dit alors que A’ est l’image conjuguée de A, que A et A’ sont conjugués ou que l’instrument est stigmatique pour le couple de points A A’. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 39 III. Stigmatisme et approximation de Gauss Espace objet et espace image Les rayons lumineux sont des droites orientées dans le sens de propagation de l’énergie lumineuse. Considérer un instrument d’optique revient à distinguer deux espaces illimités se correspondant point par point : l’espace objet et l’espace image. Espace objet Instrument d’optique Espace objet Espace image Instrument d’optique Espace image L’instrument délimite l’espace objet (image) en deux régions, l’une dite réelle (virtuelle) et l’autre dite virtuelle (réelle). Ces deux régions sont orientées dans le sens de la propagation de la lumière. Pour l’espace objet, la région qui est traversée par la lumière avant que celle-ci ne pénètre dans l’instrument est l’espace objet réel. La région qui suit l’instrument dans le sens de propagation de la lumière est l’espace objet virtuel. Espace objet réel Instrument d’optique Espace objet virtuel Sens de propagation de la lumière Au contraire, dans l’espace image, la région qui précède l’instrument est virtuelle ; celle qui le suit est réelle. Espace image virtuel Instrument d’optique Espace image réelle Sens de propagation de la lumière L’objet ou l’image sont dits réels ou virtuels selon la région de l’espace correspondant dans laquelle ils sont situés. Nous verrons plus loin la signification physique d’un objet virtuel. En ce qui concerne la signification physique de la réalité ou de la virtualité d’une image, celle-ci est plus évidente. Un instrument d’optique donne d’un objet une image réelle si celle-ci peut être recueillie sur un écran. Si celle-ci ne peut être recueillie sur un écran, elle est virtuelle. 3 STIGMATISME APPROCHE Sauf dans le cas très particulier du miroir plan, les systèmes centrés ne sont pas stigmatiques. En effet, considérons un point objet A sur l’axe de l’instrument (voir figure suivante). Dans le cas général, les rayons émergents sont tangents à une surface à deux nappes, dite surface caustique, et on ne peut plus définir une image. 40 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Instrument d’optique Cependant, dans le cas particulier où les rayons issus du point A sont très peu inclinés sur l’axe, (rayons paraxiaux, voir figure suivante), les rayons émergeant de l’instrument passent tous au voisinage d’un point A’ situé sur l’axe. Ce point A’ constitue alors l’image de A et on dit qu’il y a stigmatisme approché. Instrument A d’optique A’ Approximation de Gauss Si l’on considère un objet lumineux ayant une certaine étendue, l’instrument n’en donnera une bonne image (c’est-à-dire une image point par point semblable à l’objet), que si : L’objet est plan (ou rectiligne), perpendiculaire à l’axe du système et de dimensions suffisamment réduites pour que son image soit également plane (ou rectiligne). L’ensemble des rayons lumineux émis par chaque point de l’objet constitue un faisceau très peu divergent dont le rayon moyen est pratiquement perpendiculaire à toutes les surfaces de séparation de l’instrument. Ces deux conditions constituent ce que l’on appelle l’approximation de Gauss. Elle est fondamentale car c’est le seul cas où l’on puisse considérer le système optique comme parfait. Dans le cas général, l’image d’un point est une tache lumineuse et l’on conçoit aisément que l’image d’un objet constitué d’une infinité de points lumineux juxtaposés n’est plus une reproduction point par point de celui-ci. On dit alors que le système optique présente des aberrations. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 41 Optique géométrique IV. Miroirs sphériques et miroirs plans Un miroir sphérique (ou plan) est une surface sphérique (ou plane) réfléchissant la lumière. Le miroir plan est le seul système optique centré possédant la propriété de stigmatisme rigoureux. 1 REFLEXION VITREUSE ET REFLEXION METALLIQUE Les miroirs sont caractérisés par leur pouvoir réflecteur qui est le rapport de l’énergie lumineuse contenue dans le faisceau lumineux réfléchi à l’énergie lumineuse contenue dans le faisceau lumineux incident. Le pouvoir réflecteur dépend de la nature physique des deux milieux séparés par la surface. D’une façon générale, nous admettrons que le faisceau lumineux incident se propage dans un milieu transparent d’indice n1. Réflexion vitreuse On dit que la réflexion est vitreuse lorsque le second milieu est un milieu transparent (tel que le verre ou l’eau), d’indice n2. Dans ce cas, le facteur de réflexion dépend de l’angle d’incidence. Réflexion métallique On dit que l’on a une réflexion métallique dans le cas où le faisceau incident se propageant dans un milieu transparent arrive à la surface de séparation de ce milieu avec un métal dont la conductivité est supposée pratiquement infinie. Le facteur de réflexion est alors pratiquement égal à 1 quelle que soit la valeur de l’angle d’incidence. Par la suite, on supposera que le faisceau incident se propage dans l’air (n1 = 1) et que le second milieu est une lame de verre recouverte d’une couche d’argent (ou d’aluminium). Nous sommes dans le cas d’une réflexion métallique, il n’y a donc pas de rayon réfracté. Argent Verre IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 43 IV. Miroirs sphériques et miroirs plans 2 MIROIR CONCAVE ET MIROIR CONVEXE Le miroir est une calotte sphérique dont la base est le cercle de centre O. Le centre du miroir est le centre C de la sphère et le rayon du miroir est le rayon R de la sphère. Le rayon r du cercle de base de la calotte est le rayon d’ouverture et l’angle α est le demi-angle d’ouverture tel que : tan α = r OC R r α S O C Toute droite passant par le centre C est un axe du miroir. La droite joignant le centre C du miroir et le centre O du cercle de base est l’axe principal du miroir. C’est l’axe de symétrie du système optique et son point d’intersection avec la surface réfléchissante est le sommet S du miroir. Le miroir est dit concave lorsque la surface réfléchissante est la surface intérieure de la sphère. Il est dit convexe lorsque la surface réfléchissante est la surface extérieure de la sphère. I S I i1 S i1 C Miroir concave 44 C Miroir convexe IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique 3 PROPRIETES REMARQUABLES DES MIROIRS SPHERIQUES Centre C Tout rayon incident passant par le centre est réfléchi sur lui-même quelle que soit son inclinaison. Ceci est une application directe de la loi de Snell-Descartes relative à la réflexion. Si l’on place un point source au centre du miroir, le faisceau réfléchi convergera au même point. Il y a donc stigmatisme pour le point C. Sommet S et points du miroir Tout rayon incident passant par le sommet S du miroir se réfléchit suivant le rayon symétrique par rapport à l’axe du miroir et ce, quelle que soit la valeur (petite ou grande) de l’angle θ (voir figure suivante). Il en résulte qu’une source lumineuse placée en S a le point S pour image et que le miroir est stigmatique pour S. Il en est de même pour tous les points I du miroir. En effet, tout rayon incident arrivant au point I se réfléchit suivant le rayon symétrique par rapport à l’axe secondaire CI et ce, quelle que soit la valeur de l’angle d’incidence i. I i i S θ C 4 θ RECHERCHE DE L’IMAGE D’UN POINT OBJET SITUE SUR L’AXE DU MIROIR Soit A un point lumineux sur l’axe du miroir. Le rayon incident AI se réfléchit en IA’ symétrique de IA par rapport à IC (voir figure suivante). I α' T S i A’ i ϕ α C A La tangente en I au miroir coupe l’axe en T. Le faisceau des quatre droites est un faisceau harmonique (voir démonstration dans l’annexe « Rappels sur la division harmonique ») et les quatre points A, C, A’ et T forment une division harmonique. On a alors : 1 1 2 + = CA CA' CT Or : IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 45 IV. Miroirs sphériques et miroirs plans CT = CI CS = cos ϕ cosϕ Donc : 1 2 ⋅ cosϕ 1 = − CA' CS CA Et : CA' = CA ⋅ CS 2 ⋅ CA ⋅ cosϕ − CS Pour que A’ soit l’image de A, il faut qu’un autre rayon AJ se réfléchisse en JA’. En d’autres termes, il faut que CA' soit indépendant de la valeur de l’angle ϕ . L’expression précédente montre que ceci n’est pas vrai dans le cas général. Nous avons déjà évoqué précédemment le cas où le point objet est soit au centre du miroir ( CA = 0 ), soit au sommet S de celui-ci ( ϕ = 0 et CA = CS ). Dans ces deux cas, le miroir est rigoureusement stigmatique. Approximation de Gauss Dans le cadre de l’approximation de Gauss, les rayons sont très peu inclinés sur l’axe et le point I est alors voisin de S. On peut alors admettre que ϕ reste petit et que cos ϕ , qui varie peu au voisinage de ϕ = 0 , reste approximativement égal à 1. Ainsi, on a : 1 1 2 + = CA' CA CS Ceci revient à confondre le point T et le sommet du miroir. Les miroirs sphériques sont approximativement stigmatiques pour un point quelconque de l’axe, dans l’approximation de Gauss. Cas des points voisins du centre Pour tous les points objets voisins du centre, CA est très petit et CA ⋅ cosϕ est négligeable devant CS . On peut admettre que 2 ⋅ CA est négligeable devant CS et dans ces conditions, on a quel que soit ϕ : CA' = −CA L’image est symétrique de l’objet par rapport au centre. Les miroirs sphériques sont approximativement stigmatiques pour les points voisins du centre C. Dans la suite, nous considèrerons le cas de l’approximation de Gauss et nous prendrons comme sens positif de propagation, le sens de la lumière émergent du miroir (propagation de gauche à droite). 46 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique 5 NOTIONS DE FOYER ET DE PLAN FOCAL Foyer image Dans le cas particulier où le point objet A de l’axe est à l’infini ( 1 / CA = 0 ), l’image se forme en un point F’ de l’axe dont la position est donnée à partir de l’approximation de Gauss : CF ' = CS 2 Le foyer image F’ est au milieu du segment CS. Il résulte de sa définition que tout rayon incident parallèle à l’axe se réfléchit en passant par le foyer image F’. Celui-ci est réel si le miroir est concave et virtuel si le miroir est convexe. I S S F C C Miroir concave F Miroir convexe Dans le cas du miroir sphérique, les foyers objet et image sont confondus. La lettre F désigne ce foyer commun. La distance focale f du miroir est définie par la relation algébrique suivante qui est positive pour un miroir concave et négative pour un miroir convexe : f = SF Un faisceau parallèle à l’axe du miroir est donc réfléchi en un faisceau convergeant au point F dans le cas d’un miroir concave et divergeant du point F dans le cas d’un miroir convexe. I S S F Miroir concave IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 C C F Miroir convexe 47 IV. Miroirs sphériques et miroirs plans 6 CONSTRUCTION DE L’IMAGE D’UN OBJET PLAN Cas général Considérons des objets plans très peu étendus et perpendiculaires à l’axe du miroir. Le miroir présente un stigmatisme approché. Les images sont planes et perpendiculaires à l’axe du miroir. On peut utiliser les propriétés du centre optique et des foyers communs pour donner une construction géométrique très simple des images. Pour obtenir l’image de l’objet AB il suffit de déterminer l’image B’ de B. L’image A’B’ est perpendiculaire à l’axe du miroir par hypothèse et il en résulte que A’ est le pied de la perpendiculaire à l’axe menée de B’. Parmi l’ensemble des rayons issus de B et incidents sur le miroir, il y a trois rayons incidents qui donnent naissance à un rayon réfléchi que l’on peut aisément tracer (voir figure suivante) : Le rayon BCI qui passe par le centre optique et qui se réfléchit sur lui-même en ICB. Le rayon BJ parallèle à l’axe du miroir qui se réfléchit en JF, en passant par le foyer image F. Le rayon incident BFK qui passe par le foyer objet F et se réfléchit parallèlement à l’axe du miroir. Ces trois rayons sont concourants au point B’ qui est l’image de B. Deux de ces rayons suffisent pour déterminer l’image de B et l’image A’B’ de l’objet AB. Si le miroir est concave (voir figure suivante), l’image réelle est renversée et plus petite que l’objet. Pour un miroir convexe, l’image est virtuelle, droite et plus petite que l’objet. I B B B’ S F A’ A A C C F A’ S B’ Miroir concave Miroir convexe On définit le grandissement linéaire γ par le rapport de la dimension linéaire de l’image à celle de l’objet, dimensions comptées sur un axe orienté perpendiculairement à l’axe principal du miroir : γ = A' B' AB Le grandissement linéaire est une quantité algébrique qui est positive si l’objet et l’image sont de même sens et négative si l’objet et l’image sont de sens contraire. 48 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Cas particuliers 1. L’objet est dans le plan de front du centre du miroir Si A est confondu avec C alors A’ l’est aussi. Dans l’approximation de Gauss, on peut admettre que I est si voisin de S que H et S sont pratiquement confondus. Donc, F est le milieu de CH et C le milieu de BB’. L’image est également dans le plan de front du miroir et le grandissement est égal à -1. I B S F H C B’ 2. L’objet est dans le plan passant par F et perpendiculaire à l’axe du miroir Par définition, ce plan est le plan focal du miroir. Le point A est confondu avec F. Dans le cas de l’approximation de Gauss, F est le milieu de CH et les rayons JC et IF sont parallèles. L’image de B est donc à l’infini. On peut alors caractériser cette image par son diamètre apparent α ' défini par : tan α ' ≈ α ' = AB FB = f f J B I α' S H F C 3. L’objet est à l’infini On caractérise un objet à l’infini par son diamètre apparent α qui est l’angle sous lequel on voit cet objet de n’importe quel point de l’axe. L’image du point A situé à l’infini sur l’axe du miroir est en F. Le rayon issu de B et passant par C est incliné d’un angle α sur l’axe du miroir. Il est réfléchi sur lui-même. L’image de l’objet à l’infini est située dans le plan focal en FB’. I B’ α S F IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 C 49 IV. Miroirs sphériques et miroirs plans Remarque : un faisceau de rayons parallèles (non parallèles à l’axe du miroir) converge en un point focal nommé foyer image secondaire. De la même manière, une source ponctuelle OF placée en un point du plan focal objet donne naissance après réflexion à un faisceau parallèle incliné d’un angle α sur l’axe du miroir. Ce point est un foyer objet secondaire du miroir sphérique. I J S I FS OS J F F S C C 4. L’objet est dans le plan de front du sommet S L’image du sommet S est le sommet lui-même. Dans l’approximation de Gauss, A est confondu avec S et B est suffisamment voisin de A pour être à la fois sur le miroir et dans le plan tangent en S à la sphère. Dans ces conditions, l’image de B est B. L’objet AB et son image A’B’ sont confondus et le grandissement est égal à 1. 7 FORMULES DES MIROIRS SPHERIQUES DANS L’APPROXIMATION DE GAUSS Ces formules permettent de déterminer la position et la grandeur de l’image A’B’ connaissant la position et la grandeur de l’objet AB. Ces formules sont des formules algébriques qui dépendent du point origine choisi sur l’axe du miroir. Origine du centre Le faisceau des droites IA, IC, IA’ et IS étant un faisceau harmonique, on a : 1 1 2 1 + = = CA CA' CS CF Origine au sommet De la même manière, en prenant le point S comme origine, on a : 1 1 2 1 + = = SA SA' SC SF CA' CA' En utilisant l’expression de l’origine au centre, on a soit +1 = CA CF 50 FA' CF = FA' FA CF 1+ CF 1+ IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Donc : 1 + FA' CF = FA' CF + FA FA' d’où la formule de Newton ci-dessous. CF CF Origine au foyer (formule de Newton) FA' ⋅ FA = CF ⋅ CF = SF ⋅ SF = f ² On distingue trois formules pour le grandissement telles que : Origine au centre γ = A' B' CA' = AB CA Cette formule est déduite en appliquant le théorème de Thalès aux triangles CAB et CA’B’. B S A’ F B’ C A I Origine au sommet tan i = AB A' B' =− SA SA' et γ = A' B' SA' = AB SA En effet, le rayon BS incident sur le miroir en faisant l’angle i avec la normale CS est réfléchi suivant le rayon symétrique SB’. La formule précédente est obtenue en considérant les triangles SAB et SA’B’. B S i i A’ A B’ IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 51 IV. Miroirs sphériques et miroirs plans Origine au foyer γ =− FA' SF =− SF FA En effet, dans l’approximation de Gauss, on peut confondre F et le milieu de CH. Dans ces conditions : A' B ' A' B' FA' FA' ≈ = ≈ HI AB FH FS γ = et FA' A' B' =− AB SF Or, en utilisant la relation écrite pour l’origine au foyer (formule de Newton), on peut écrire : FA' FA' CF SF =− = =− CF SF FA FA d’où I S J γ =− FA' SF =− SF FA B A’ H C F B’ A Ces relations sont algébriques et indépendantes du sens positif choisi. En général, on choisit comme sens positif le sens de propagation de la lumière réfléchie. Avec cette convention, la distance focale définie algébriquement par f = SF est positive pour un miroir concave et négative pour un miroir convexe. 8 CHAMP D’UN MIROIR SPHERIQUE On appelle champ d’un miroir sphérique, pour une position donnée de l’œil, l’ensemble des points de l’espace qui peuvent être vus par celui-ci. En d’autres termes, c’est le lieu des points qui envoient des rayons pénétrant dans l’œil après réflexion sur le miroir. S C 52 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique 9 MIROIRS PLANS On peut directement déduire les propriétés principales du miroir plan de celles que l’on vient de démontrer pour un miroir sphérique dans le cas de l’approximation de Gauss. Un miroir plan est un miroir sphérique dont le rayon est infini. Il n’y a pas de centre, il n’y a pas de foyer et tous les points du miroir plan sont équivalents au sommet du miroir sphérique. Image d’un objet 1. Image d’un point Le point objet A envoie une infinité de rayons qui se réfléchissent sur le miroir en suivant la loi de SnellDescartes relative à la réflexion. On applique l’expression de l’origine au sommet, en remplaçant le sommet S par le pied H de la perpendiculaire menée de A sur le miroir et en posant HC = 0 . On a donc : HA' = − HA L’image A’ de A donnée par le miroir est le symétrique de A par rapport au plan du miroir. Elle est virtuelle. La différence essentielle avec le miroir sphérique est que ceci est vrai quel que soit l’inclinaison du rayon incident sur la perpendiculaire au miroir. En effet, quelle que soit la valeur de l’angle d’incidence i, les rayons réfléchis se rencontrent au point A’. Le miroir plan est donc stigmatique pour tous les points de l’espace. A i i H I i' i' J A’ 2. Image d’un objet Il résulte de ce qui précède que l’image d’un objet est symétrique de celui-ci par rapport au plan du miroir. Dans le cas général, elle n’est pas superposable à l’objet. Marche des rayons d’un faisceau lumineux Puisqu’un miroir plan est stigmatique pour tous les points de l’espace, on peut aisément tracer le faisceau réfléchi par un miroir. Soit A un point source duquel est issu un faisceau lumineux. Tous les rayons du faisceau réfléchi passant par l’image virtuelle A’, on peut tracer les limites de celui-ci en joignant le point A’ aux points I et J du miroir, points d’intersection des rayons extrêmes du faisceau incident avec le miroir. I A’ A J IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 53 IV. Miroirs sphériques et miroirs plans Rotation d’un miroir plan 1. Déplacement de l’image Le miroir M1 donne du point objet A une image A1. Faisons tourner M1 d’un angle θ autour de l’axe O. Il occupe alors la position M2 et donne de A l’image A2. Les points A, A1 et A2 sont sur le cercle de centre O et de rayon OA puisque A1 et A2 sont les symétriques de A, respectivement l’un par rapport à M1 et l’autre par rapport à M2. A A2 O M1 θ 2θ M2 A1 La droite AA1 est perpendiculaire à M1 et la droite AA2 à M2. L’angle A1 Aˆ A2 est donc égal à θ . L’angle au centre A1Oˆ A2 qui intercepte le même arc de cercle est donc égal à 2θ . Lorsqu’un miroir plan subit une rotation d’un angle θ autour d’un axe situé dans son plan, l’image d’un point fixe tourne autour du même axe, et dans le même sens, d’un angle 2θ . 2. Rotation du rayon réfléchi Le miroir dans la position M1 réfléchit le rayon incident R incliné d’un angle i1 sur la normale en I1 à M1. Lorsque le miroir occupe la position M2 déduite de la précédente par une rotation d’angle θ autour d’un axe passant par Ω et perpendiculaire au plan d’incidence, le rayon réfléchi devient le rayon R2 incliné de l’angle i2 sur la normale I2 au miroir M2. L’angle entre les deux normales I1N1 et I2N2, respectivement l’une au miroir M1 et l’autre au miroir M2 est θ . On a alors : i2 = i1 − θ L’angle entre les rayons R1 et R2 est donné par : α = i1 + θ − i2 = 2θ Lorsqu’un miroir plan subit une rotation d’un angle θ autour d’un axe perpendiculaire au plan d’incidence, le rayon réfléchi subit une rotation de 2θ autour du même axe et dans le même sens. R2 N2 R M2 i2 i2 N1 I2 θ Ω 54 2θ R1 i1 i1 I1 M1 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique Les appareils photographiques, les microscopes, les télescopes et l’œil sont des instruments d’optique qui font usage de lentilles et dans certains cas de miroirs. Ici, les lentilles auront des dimensions supérieures à la longueur d’onde de la lumière visible : leur fonctionnement peut être étudié sans tenir compte des phénomènes d’interférence ou de diffraction. La nature ondulatoire de la lumière impose une limite à la résolution des instruments d’optique ou à la netteté des images que forment ces instruments. Ce chapitre est en partie constitué par des applications d’instruments optiques simples. 1 RAPPELS SUR LES MIROIRS Si nous nous plaçons à un mètre d’un miroir plan et que nous regardons dans la direction de ce miroir, nous y voyons un personnage qui paraît se trouver à un mètre derrière la glace et qui nous ressemble trait pour trait, mis à part qu’il s’est coiffé du mauvais côté. La lumière captée par nos yeux paraît provenir d’un point appelé image et situé derrière le miroir. Cette image est virtuelle plutôt que réelle du fait que la lumière ne passe jamais réellement par l’endroit où elle se forme. Il s’agit d’une image droite, dans laquelle le haut et le bas ne sont pas inversés. Il est utile de se rendre compte que ces observations sont la conséquence directe de l’égalité des angles d’incidence et de réflexion. Le raisonnement que nous appliquerons peut également s’appliquer à des situations plus complexes comme, par exemple, la formation d’une image au moyen d’une lentille. La figure suivante montre deux des nombreux rayons de lumière émis par la source ou objet ponctuel placé en O, à une distance d du miroir. Le rayon incident tombant suivant la normale est réfléchi sur lui-même et paraît provenir d’un point situé sur la normale derrière le miroir. Pour une incidence i, le rayon réfléchi prend une direction formant avec la normale un angle i égal à l’angle d’incidence et paraît provenir d’un point situé sur son prolongement derrière le miroir. Les prolongements des deux rayons réfléchis se rencontrent au point I qui définit ainsi la position de l’image. O d i i i d' I IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 x 55 V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique Les deux triangles rectangles tracés en couleur sur la figure ont un côté commun en x et un angle égal à i. Ces triangles sont donc égaux et tous leurs angles et côtés sont égaux. Ceci implique que la distance d’ entre le miroir et l’image est identique à la distance d entre le miroir et l’objet. Lorsqu’un objet complexe éclairé est placé devant un miroir, chacun de ces points a son image juste en face (voir figure suivante). O I On dit parfois que le miroir inverse la gauche et la droite mais n’inverse pas le haut et le bas. C’est formulation n’est pas réellement judicieuse, comme on peut s’en rendre compte lorsqu’on se couche de côté devant un miroir (voir ci-dessous). Nous percevons alors une image inversée de haut en bas et non inversée suivant l’horizontale ! 2 LES LENTILLES Une lentille est une pièce taillée dans un matériau transparent conformée pour focaliser les rayons lumineux de manière à créer une image. Les lentilles que l’on trouve dans les instruments d’optique construits par l’homme sont faites le plus souvent de verre ou de matière plastique, alors que la lentille qui équipe l’œil est constituée d’une membrane remplie d’un liquide transparent. Ici, nous ne décrirons que les lentilles sphériques minces. Elles sont limitées par deux surfaces sphériques ou une surface sphérique et une surface plane. Leur épaisseur est faible en regard des rayons de courbure. On considère deux catégories de lentilles : les lentilles convergentes et les lentilles divergentes. Une lentille convergente s’amincit du centre vers le bord et une lentille divergente s’épaissit vers le bord. Cette définition suppose que la lentille soit taillée dans un matériau d’indice de réfraction plus élevé que celui du milieu extérieur. 56 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Lentilles convergentes Lentilles divergentes Une lentille convergente dévie la lumière dans la direction de son axe optique, c’est-à-dire la droite passant par les deux centres de courbure. Ainsi, un faisceau de rayons parallèles à cet axe converge en un même point (voir figure ci-dessous). Une lentille convergente peut par exemple produire un point lumineux suffisamment intense pour calciner du papier. Une lentille divergente dévie les rayons lumineux de manière qu’ils s’écartent de l’axe. Considérons un objet très distant placé sur l’axe même de la lentille. Les rayons émis par cet objet arrivent pratiquement parallèles. Une lentille convergente déviera ces rayons parallèles pour qu’ils se rencontrent ou forment une image au foyer F’ de l’autre côté de la lentille (voir figure suivante). F’ Axe F f Axe f Une lentille divergente les déviera de telle sorte qu’ils semblent émaner du foyer F’ situé en avant de la lentille (voir figure suivante). Axe F’ F Axe f f La distance entre le centre de la lentille et le foyer est la distance focale f. Par convention, f est définie comme positive pour les lentilles convergentes et négative pour les lentilles divergentes. Les lentilles ont un second foyer. Si un objet est placé au point F, à une distance f du centre d’une lentille convergente, les rayons lumineux qu’il émet vers la lentille émergeront parallèlement à l’axe de celle-ci. De même, les rayons lumineux qui se dirigent vers un point F situé à une distance f en arrière d’une lentille divergente émergeront aussi parallèlement à l’axe optique (voir figures précédentes). La puissance d’une lentille est déterminée par sa distance focale. Une lentille de courte distance focale est plus puissante et dévie plus fortement les rayons lumineux qu’une lentille de grande distance focale. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 57 V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique La distance focale dépend d’une part des indices de réfraction du milieu extérieur et de la lentille, et d’autre part de sa forme ou, plus précisément, des rayons de courbure de ses faces. Les surfaces des lentilles peuvent être convexes, concaves ou planes. Par définition, une surface est dite convexe si elle est bombée vers l’extérieur de la lentille. Elle est dite concave si elle est bombée vers l’intérieur. Nous utiliserons la convention suivante pour caractériser les surfaces des lentilles : 1. une surface convexe a un rayon de courbure positif 2. une surface concave a un rayon de courbure négatif 3. une surface plane a un rayon de courbure infini R2 R1 R2 R2 R1 Cas convexe, convexe R1 positif R2 positif Cas concave, convexe R1 négatif R2 positif Cas surface plane, concave R1 infini R2 négatif La distance focale d’une lentille est liée à son indice de réfraction n et aux rayons de courbure R1 et R2 de ses surfaces par une formule qui peut être établie à partir de la loi de Snell et qui reste valable tant que les angles d’incidence sont petits. L’établissement de cette relation ne sera pas détaillé ici. La distance focale d’une lentille d’indice n dans un milieu d’indice de réfraction 1 est donnée par la formule dite des opticiens. Formule des opticiens  1 1 1   = (n − 1) ⋅  + f  R1 R2  La formule des lentilles minces suppose que la lentille est utilisée dans un milieu dont l’indice de réfraction est 1. Si la lentille n’est pas utilisée dans l’air ou le vide, le symbole n apparaissant dans l’équation précédente doit être interprété comme l’indice de réfraction relatif : nrelatif = 58 nlentille nmilieu IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Remarque A titre d’exemple, la distance focale sera plus grande dans l’eau que dans l’air. Cet accroissement de la distance focale d’une lentille plongée dans l’eau explique pourquoi notre vision sous l’eau est aussi mauvaise. Nos yeux contiennent des fluides dont les indices de réfraction sont proches de celui de l’eau. La lumière est principalement réfractée au niveau de la cornée, au moment où elle pénètre à l’intérieur de l’œil. Dans l’eau, la déviation est très faible et l’œil produit une image très mal focalisée. Lorsqu’un plongeur porte un masque, la lumière traverse la vitre sous une incidence presque normale et se trouve peu déviée en pénétrant dans l’air. La lumière est alors déviée de la manière habituelle en pénétrant dans l’œil à partir de l’air et la vision est pratiquement normale. 3 FORMATION DES IMAGES Les rayons lumineux émis par une source ponctuelle située à grande distance d’une lentille se rencontrent et forment une image au foyer de celle-ci. Les rayons issus d’autres points forment des images dont le position peut être déterminée par une méthode graphique ou par l’algèbre si la distance focale de la lentille est connue. Les images peuvent être réelles ou virtuelles. Une image réelle se forme au point de rencontre de rayons lumineux réels et constitue un point de forte concentration d’énergie lumineuse. Une telle image peut être recueillie sur un écran (voir figure suivante). 1 3 F’ Objet 2 F f Image f s s’ Dans le cas d’une image virtuelle, les rayons émergents semblent provenir du point où elle se forme. Si nous plaçons un écran à cet endroit, il ne s’y formera évidemment aucune image (voir figure suivante). 2 F’ I F O C 1 3 Dans la plupart des cas, les objets sont réels, la lumière diverge a partir de chacun des points de l’objet. Des objets virtuels doivent parfois être considérés dans le cas de systèmes de lentilles, lorsque les rayons rendus convergents par une première lentille sont interceptés par une seconde lentille avant qu’ils ne se rencontrent. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 59 V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique 1 2 F 3 C I F’ O Pour le tracé des rayons lumineux en vue de déterminer la position de l’image d’un point, nous nous conformerons aux conventions suivantes : 1. Le rayon issu de la source et se propageant parallèlement à l’axe de la lentille est dévié de telle sorte qu’il passe par le foyer F’, accord avec la définition du foyer. 2. Le rayon qui passe par le foyer émerge parallèlement à l’axe optique de la lentille. 3. Le rayon qui passe par le centre de la lentille ne subit aucune déviation. Ceci provient de ce qu’aux environs du centre, la lentille peut être assimilée à une lame à faces parallèles (voir remarque et figure suivantes). Comme la lentille est mince, le rayon ne subit qu’un décalage négligeable par rapport à sa trajectoire initiale. Remarque Un rayon passant par une lame plane à faces parallèles est déplacé parallèlement à lui-même et ne change pas de direction. De la même façon, un rayon passant par le centre d’une lentille ne change pas de direction. C Les points situés au-dessous de la pointe de la flèche à la même distance s de la lentille donnent des images qui sont toutes situées à la même distance s’. Ainsi, dès que la position de l’image de la pointe a été déterminée, nous pouvons dessiner l’image de la flèche entière. Le tracé des rayons est décrit dans les figures précédentes pour des situations où entrent en jeu des images ou des objets virtuels. Dans ces cas, les rayons passant par F et F’ et le centre de la lentille sont tracés et leur intersection localisée. Bien que le tracé des rayons nous apporte une intuition immédiate de la manière dont se forment les images par une lentille ou un système de lentilles, il est préférable, pour l’évaluation précise de la position des images, d’utiliser des expressions algébriques. Pour développer et appliquer ces formules, nous adopterons les conventions suivantes pour les quantités décrites sur la figure suivante : 1. s est positif pour un objet réel et négatif pour un objet virtuel. 2. s’ est positif pour une image réelle et négatif pour une image virtuelle. 3. La hauteur de l’objet h est positive s’il pointe au-dessus de l’axe de la lentille et négative s’il pointe en dessous. 4. La hauteur de l’image h’ est positive si celle-ci pointe au-dessus de l’axe de la lentille et négative si elle pointe en-dessous. 60 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique D s’ - f B Objet A F’ α h α C F h' f Image H f s G s’ E Le facteur d’agrandissement linéaire ou grandissement linéaire est noté m. Il représente le rapport de la hauteur de l’image à celle de l’objet. Il est négatif lorsque l’image est renversée par rapport à l’objet. Il est positif lorsque l’image est droite et non renversée. m= h' h Nous pouvons découvrir les relations qui lient les quantités s, s’, f et m en utilisant les propriétés des triangles semblables. Deux triangles sont semblables et leurs côtés correspondants sont proportionnels lorsqu’ils ont deux de leurs angles égaux. Sur la figure précédente, les triangles rectangles ACB et GCH ont un angle aigu égal et sont donc semblables. Dans ce cas, on a : h' s' = h s En utilisant les conventions données précédemment, h’ est négatif sur la figure précédente, de sorte que le facteur d’agrandissement linéaire m peut s’écrire : m= h' s' =− h s De plus, les triangles CDF’ et GHF’ sont semblables, de sorte qu’on peut aussi écrire : m=  s '− f h' = − h  f    En comparant ces équations, nous trouvons : s ' s '− f = s f Si nous divisons cette relation par s’ et que nous réarrangeons quelque peu les différents termes, nous obtenons la formule des lentilles minces. Formule des lentilles minces 1 1 1 + = s s' f IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 61 V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique Nous pouvons aisément nous assurer que cette équation fournira les mêmes résultats que ceux qui ont été obtenus par la méthode graphique. Pour un objet très distant, s est infini et 1 / s s’annule, de sorte que la formule des lentilles minces donne 1 / s ' = 1 / f ou s ' = f . On remarquera que pour une distance focale donnée, la distance à l’image s’ ne dépend que de la distance à l’objet s, et ne dépend pas de la hauteur h de l’objet. Ceci veut dire que tous les objets ponctuels situés à une distance s de la lentille ont leur image dans un même plan. 4 PUISSANCE DES LENTILLES ET ABERRATIONS Pour la discussion des propriétés des lentilles, il est parfois plus commode d’exprimer la convergence en termes de l’inverse de la distance focale, c’est-à-dire la puissance de la lentille : P= 1 f Le mot puissance en optique n’a rien de commun avec celui qui intervient dans le contexte de la mécanique où la puissance exprime un travail effectué par unité de temps. Si la distance focale f est mesurée en mètres, la puissance P s’exprime en dioptries : 1 dioptrie = 1 m-1. Par exemple, une lentille dont la distance focale est −0,4 m a une puissance P = 1 /(−0,4 m) = −2,5 dioptries . Une lentille de courte distance focale, qui réfracte fortement la lumière, est une lentille de forte puissance. Il est possible de démontrer que deux lentilles minces accolées, de distances focales f1 et f2, sont équivalentes à une seule lentille dont la distance focale f vérifie : 1 1 1 = + f f1 f 2 Cette relation est équivalente à la suivante qui fait intervenir les puissances P1 = 1/ f1 et P2 = 1 / f 2 . La puissance de l’ensemble des deux lentilles accolées est donnée par : P = P1 + P2 Les puissances des deux lentilles accolées s’ajoutent pour donner la puissance totale de l’ensemble. De ce fait, l’usage du concept de puissance permet d’éviter une manipulation parfois fastidieuse de nombres fractionnaires. Par exemple, un ophtalmologiste sait que s’il place une lentille de 3 dioptries et une lentille de 0,25 dioptrie devant les yeux d’un patient, l’assemblage est équivalent à une lentille de 3,25 dioptries. 62 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique Aberrations optiques des lentilles Quelle que soit la perfection de la taille des lentilles, celles-ci présentent toujours certains défauts ou aberrations qui limitent la netteté des images indépendamment des effets de diffraction. Comme l’indice de réfraction varie avec la longueur d’onde de la lumière, la distance focale d’une lentille varie également avec celle-ci. Lorsqu’un objet est éclairé en lumière blanche et que son image est au point pour une composante de couleur particulière, elle ne peut pas être parfaitement nette pour les autres composantes. On appelle ce défaut l’aberration chromatique. Par ailleurs, la relation liant la distance focale aux caractéristiques de la lentille (voir la formule des opticiens décrite plus haut) n’est précise que dans le cas où les rayons forment avec la direction de l’axe optique des angles suffisamment petits. Si des corrections sont apportées à cette relation, on constate que les rayons parallèles à l’axe forment des images dont la position dépend de leur distance à celui-ci. De ce fait, un faisceau de rayons parallèles forme une image de dimensions finies et ne se réduit pas à un point (voir figure ci-dessous). Les aberrations de ce type sont des aberrations monochromatiques. F’ D Pour réduire ces aberrations, on est amené à remplacer une lentille par un système comportant de nombreux éléments, dont les aberrations individuelles tendent à se compenser dans l’ensemble (voir figure suivante, objectif multiélément utilisé sur un microscope moderne). Nous pouvons illustrer ce procédé en considérant un doublet c’est-à-dire un ensemble de deux lentilles en contact (voir figure suivante). La lentille 1 présente deux surfaces convexes et est constituée de verre « crown ». La lentille 2 présente une surface plane et une surface concave, elle est taillée dans du verre « flint ». IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 63 V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique 2 1 Indices de réfraction Verre « crown » Verre « flint » Puissances P1 (crown) P2 (flint) P = P1 + P2 656 nm Rouge 589 nm Jaune 486 nm Bleu 1,517 1,644 1,520 1,650 1,527 1,664 10,34 -6,44 3,90 10,40 -6,50 3,90 10,54 -6,64 3,90 Toutes les surfaces sphériques ont un rayon de courbure de 10 cm. Dans les deux types de verre, l’indice de réfraction varie de 1% d’une extrémité à l’autre du spectre visible. Les puissances P1 e P2 peuvent être évaluées à partir de l’équation : P=  1 1 1   = (n − 1) ⋅  + f  R1 R2  Comme le montre la figure précédente, P1 varie de 2% sur tout le spectre et P2 de 3%. Toutefois, lorsque les deux lentilles sont mises en contact, P = P1 + P2 est constant ! Le doublet ne présente plus aucune aberration chromatique. 64 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique 5 GENERALITES ET PRINCIPE DE QUELQUES INSTRUMENTS D’OPTIQUE CLASSIQUES On distingue deux grandes familles d’instruments d’optique. Les instruments oculaires donnent d’un objet une image virtuelle observée par l’œil. Parmi ces instruments, on distingue la loupe, le microscope et la lunette. Si l’objet est situé à l’infini, l’instrument est du genre télescope. Les instruments objectifs ou de projection donnent d’un objet une image réelle recueillie sur un écran ou un film photographique. Caractéristiques d’un instrument d’optique Les qualités d’un instrument d’optique sont caractérisées par : - la grandeur de l’image par rapport à celle de l’objet, - le champ qui définit la distance angulaire entre les deux points les plus voisins de l’objet dont l’instrument donne deux images distinctes, - la clarté qui rend compte du rendement photométrique de l’instrument. Par la suite, nous nous intéresserons uniquement à la grandeur de l’image donnée par l’instrument. Suivant le type de l’instrument, elle sera définie soit par la puissance (objet proche) ou le grossissement (objet éloigné) pour les instruments oculaires, soit par le grandissement linéaire pour les instruments objectifs. Instrument oculaire Un tel instrument donne d’un objet réel AB à distance finie ou à l’infini, une image virtuelle A’B’ observée par l’œil. Dans ce cas, la grandeur de l’image est caractérisée par le diamètre apparent α ' sous lequel l’observateur la voit. Pour un objet proche, l’instrument est caractérisé par le rapport suivant que l’on définit comme étant la puissance de l’instrument : P= α' AB L’angle α ' est exprimé en radians et AB est exprimé en mètres. Dans ces conditions, la puissance s’exprime en dioptries. La puissance est dite intrinsèque lorsqu’elle ne dépend pas de l’observateur. Dans ce cas, soit le centre optique de l’œil est au foyer image de l’instrument, soit l’œil est normal et n’accommode pas, ce qui veut dire que l’image A’B’ est à l’infini. Pour un objet éloigné ou à l’infini, l’objet est caractérisé par le diamètre apparent α sous lequel il est vu à l’œil nu. On définira alors la grandeur de l’image par la quantité suivante que l’on appelle le grossissement de l’appareil : G= IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 α' α 65 V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique Instrument objectif Dans le cas d’un instrument objectif, l’image A’B’ est réelle et lorsque l’objet est proche, la grandeur significative est le grandissement linéaire : γ = A' B' AB Si l’objet est à l’infini, il est défini par son diamètre apparent α et la grandeur qui caractérise l’instrument est sa distance focale objet : f = 6 AB α APPLICATION : LA LOUPE La loupe est un instrument oculaire destiné à donner d’un objet proche une image virtuelle agrandie. Elle permet également d’augmenter le pouvoir séparateur de l’œil. Elle est généralement constituée d’une lentille convergente mince ou épaisse. Marche des rayons L’œil est situé près du foyer image de la loupe. S’il est normal, l’objet est situé dans le plan focal objet et l’œil observe l’image à l’infini sans accommodation. Si l’œil n’est pas emmétrope , l’observateur a intérêt à ne pas accommoder pour éviter la fatigue. Il faut donc placer l’objet en un point tel que son image se forme au punctum remotum . Puissance Dans le cas où l’œil est au foyer image (voir figure ci-dessous), la puissance est indépendante de l’œil et on a : P= α' α' 1 = = AB OI f' C’est la vergence de la loupe. La distance focale d’une loupe varie entre 1 et 10 cm. La puissance varie donc entre 100 et 10 dioptries. Du grec emmetros (« qui mesure bien »). L'œil emmétrope est défini par une configuration optique telle qu'à l'état de repos, l’image d’un objet éloigné se forme directement sur la rétine. Le punctum remotum est le conjugué de la rétine à travers l'œil quand celui n'accommode pas. C'est-à-dire que c'est le point le plus éloigné que puisse voir l'œil sans mettre en jeu son accommodation. La distance entre le punctum remotum et le punctum proximum nous permet de connaître l'accommodation maximale d'un sujet. 66 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique B’ B I α' A’ F A F’ Loupe Grossissement Le diamètre apparent de l’objet est l’angle α sous lequel celui-ci est observé à l’œil nu. Les meilleures conditions d’observation sont réalisées lorsque l’objet est situé à la distance minimum de vision distincte donc au punctum proximum . On pose alors : α= AB d et : G= α ' d ⋅ AB ⋅ P = =d⋅P AB α Pour pouvoir comparer les loupes entre elles sans tenir compte de l’observateur, on fixe arbitrairement pour d la valeur de 25 cm. Le grossissement commercial varie donc entre 2,5 et 25. 7 APPLICATION : LE MICROSCOPE Le microscope, comme la loupe, sert à examiner de petits objets. Cependant, le grossissement obtenu est bien supérieur à celui de la loupe. Schéma élémentaire d’un microscope Le microscope est constitué schématiquement de deux lentilles L1 (objectif) et L2 (oculaire) représentées sur la figure suivante. La lentille L1 donne de l’objet AB une image réelle A’B’ située dans le plan focal objet de l’oculaire L2. Ce dernier, qui sert de loupe, en donne une image à l’infini. En fait, ni l’objectif ni l’oculaire ne sont des lentilles simples ; ils sont chacun composés d’un grand nombre de lentilles pour corriger au mieux les aberrations. Le Punctum proximum est le point le plus proche que l'on peut voir distinctement. Il en existe deux types : - Le punctum proximum de convergence. C´est le point le plus proche pour voir simple l'image des deux yeux. Ce point existe en présence d'une vision binoculaire efficace. - Le punctum proximum d'accommodation. C'est le point le plus proche qu'un œil peut voir nettement, en accommodant au maximum. Avec l'âge, ce point s'éloigne progressivement de l'œil, c'est la presbytie. En vision binoculaire, le punctum proximum est donc le conjugué de chaque rétine d'un couple oculaire, quand les cristallins accommodent au maximum. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 67 V. Miroirs, lentilles et instruments d’optique L1 B F’1 A F1 L2 α ' F’2 F2 O1 O2 B’ Puissance et grossissement d’un microscope La distance entre l’objectif et l’oculaire est caractérisée par l’intervalle optique suivant qui est une constante de l’appareil : ∆ = F '1 F2 Par définition : P= α' AB = α' A' B' = γ objectif ⋅ Poculaire A' B' AB ⋅ La puissance du microscope est égale au produit de la valeur absolue du grandissement linéaire de l’objectif par la puissance de l’oculaire. On peut également écrire dans le cas de l’approximation de Gauss que : α '= A' B' f '2 Or, en admettant que la distance focale de l’objectif est négligeable devant l’intervalle optique, on a : A' B ' O1 F2 F '1 F2 = ≈ AB O1 A O1F1 Donc : α '= ∆ ⋅ AB f '1 ⋅ f '2 Et : P= ∆ f '1 ⋅ f '2 Le grossissement commercial du microscope est, par définition, le produit de la puissance exprimée en dioptries par la distance minimale de vision distincte fixée à 0,25 m soit : G = 0,25 ⋅ ∆ f '1 ⋅ f '2 Pour un microscope optique, P varie entre 100 et 10 000 dioptries et le grossissement varie entre 25 et 2 500. Les objectifs usuels sont caractérisés par des grandissements linéaires variant entre 5 et 200 et les oculaires, par des grossissements variant de 5 à 30. 68 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 Optique géométrique 8 APPLICATION : LA LUNETTE ASTRONOMIQUE La lunette astronomique sert à l’observation des astres, qui sont des objets pratiquement situés à l’infini (voir figure suivante). Elle est constituée d’un objectif convergent L1 de grande distance focale (plusieurs mètres) assimilable à une lentille mince et d’un oculaire classique L2 dont le foyer objet coïncide avec le foyer image de l’objectif. L1 L2 F’1 F2 α O1 α ' F’2 O2 B’ L’objectif L1 donne de l’objet AB à l’infini et de diamètre apparent α une image A’B’ située dans son plan focal image et dont la dimension linéaire est : A' B' = f '1 ⋅α Cette image est située dans le plan focal objet de l’oculaire qui en donne, à son tour, une image à l’infini dont le diamètre apparent pour l’œil est : α '= A' B' f' ≈α ⋅ 1 f '2 f '2 La lunette est caractérisée par le grossissement : G= α ' f '1 = α f '2 L’oculaire doit avoir une courte distance focale (de l’ordre de quelques centimètres) pour que le grossissement soit important. La lunette astronomique donne des objets une image renversée, ce qui n’a pas beaucoup d’importance dans le cas de l’observation des astres. Une longue-vue ne pourrait fonctionner sur ce principe et c’est pourquoi l’oculaire est une lentille divergente, comme dans le cas des jumelles de théâtre. Notons enfin qu’un télescope fonctionne comme une lunette mais l’objectif est remplacé par un miroir. IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 69 Optique géométrique Annexe 1 RAPPELS SUR LA DIVISION HARMONIQUE Soit l’ensemble des quatre demi-droites IT, IA, IC et IA’ telles que IC soit la bissectrice intérieure de l’angle AIˆA' = 2 ⋅ i1 (voir figure suivante) et IT soit la bissectrice extérieure du même angle (IT est perpendiculaire à IC). I π 2 − i1 i1 i1 π 2 − i1 − α ' ω α' T A α C A’ En considérant les triangles ICA et ICA’, on a : CA IC IA = = sin i1 sin(i1 + ω ) sin ω et CA' IC IA' = = sin i1 sin α sin ω avec ω = i1 + α et α ' = i1 + ω Il s’ensuit que IA IA' sin ω = = CA CA' sin i1 (1) De même, en considérant les triangles ITA et ITA’, on a : TA' IA IT = = π π   sin α ' sin  − i1  sin  + i1 − α '  2 2   et TA' IA' IT = = π π   sin α sin  + i1  sin  + i1 − α '  2 2   Il s’ensuit que TA cos i1 TA' = = IA cos(i1 − α ' ) IA' IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014 (2) 71 Annexe En utilisant les relations (1) et (2) précédentes, on obtient finalement : IA' CA' TA' = = IA CA TA Le faisceau des quatre droites IT, IA, IC et IA’ est un faisceau harmonique et les quatre points T, A, C et A’ forment ce que l’on appelle une division harmonique, caractérisée par la relation classique sur les mesures algébriques : TA' CA' =− TA CA On peut encore écrire : TA' TC + CA' = = TA TC + CA CA' CT = − CA' CA CA 1− CT 1− Et par suite : 1 1 2 + = CA CA' CT On peut également écrire : CA' CA + TA' T C − TA' =− = = CA CT + TA TC − TA TA' TC = − TA' TA TA 1− TC 1− Il en résulte que 1− TA' TA' TA' =− + TC TA TC Ou encore que 1 1 2 + = TA' TA TC 72 IPSA | Rivière Nicolas | [email protected] | 2014