IUT Lannion – Optique instrumentale

Plan du cours

���� – Notions de base et définitions

���� – Photométrie / Sources de lumière

���� – Les bases de l’optique géométrique

���� – Généralités sur les systèmes optiques

���� – Eléments à faces planes

���� – Dioptres sphériques

���� – Les lentilles

���� – Propriétés de quelques instruments d’optique

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

I – Classification des instruments

a) Les instruments de projection

Ces instruments forment d’un objet (à distance finie ou non) une imageréelle sur un écran ou un photodétecteur (photodiode, photomultiplicateur ouencore matrice CCD).

Exemples :

- L’appareil photo

- Projecteur de cinéma

- Télescope + détecteur CCD

b) Les instruments oculaires

Ces instruments sont associés à l’œil afin de faciliter l’observation, ils donnent donc une image à l’infinie ou encore virtuelle que l’œil transformera finalement en image réelle sur sa rétine.

On distingue alors deux sous catégories :

- Instruments pour l’observation d’objet petits et rapprochés. Exemples : loupe ou microscope

- Instruments pour l’observation d’objet grands et éloignés. Exemples : jumelles ou lunette astronomique

c) Caractérisation des instruments

En règle générale : on calcule le rapport de la taille de l’imagesur celle de l’objet

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

II – Définitions

a) Grandissement

Nous ne l ’utiliserons que pour les objets à distance finie de taille y.Dans ce cas le grandissement γ s ’identifie au grandissementtransverse gy :

Le grandissement caractérise un instrument de projection pour lequell’image est réelle donc caractérisée par sa taille .y′

ygy

y =′

=γ

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

La puissance dépend de la position de l’œil et du réglage del’instrument.

y est la taille de l ’objet (placé à distance rapprochée)

On appelle l’angle sous lequel est vue par l’œil l’image formée parl’instrument.

θ′

b) Puissance

Ce paramètre caractérise les instruments d ’optique servant àobserver un objet rapproché.

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

Lorsque l’image est à l ’infini on parle de puissance intrinsèque : Pi

yP

θ ′= Unité : dioptrie δ ou encore m-1

c) Grossissement G

Le grossissement est le paramètre servant à caractériser un systèmeoculaire dont l’objet observé est à grande distance.

Il est défini comme le rapport de l’angle sous lequel est vue par l’œill’image formée par l’instrument et l’angle sous lequel est vu l’objet àl’œil nu.

θ θ′

θθ′

=G

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

œil

On utilise également le grossissement pour caractériser un instrumentservant à observer un objet à distance rapprochée.Objet sans instrument :

θ

On le voit à l ’œil sous un angle maximum :md

y−=θ

yP=θ′Or :

Donc : mm

dPdy

yP −=−

=θθ′

mdPG −=et :

On définit également le grossissementintrinsèque commercial : 4

imiic

PdPG −=−=

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

y

dm

œil

dm : distance minimale de vison nette : cmdm 25=

Bien retenir que l’œil « voit net » un objet situé entre l’infini et dm.

d) Notions d ’ouverture et de champ d ’un instrument d ’optique

Un instrument n ’est pas simplement caractérisé par la taille de son image. Ilfaut également déterminer la quantité de lumière qu ’il peut capter et la taille duchamp observable.

PE

La pupille d ’entrée est l ’image du diaphragme du système dans l ’espace

objet.

PS

La pupille de sortie est son image par le système complet.

α α′

A l ’aide des pupilles, ont peut définir les angles d ’ouverture objet et image :

α et .α′

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

× ×A A′

Figure 8.1

L ’angle d ’ouverture est un paramètre important, car il permet de caractériser laquantité de lumière rentrant dans l ’instrument. Comme pour les fibres optiquescette quantité est quantifiée par l’ouverture numérique :

On appelle le champ d’un instrument d’optique la portion de l’espace objet quel’on peut observer à travers l’instrument.

Le champ en largeur ou transversal est perpendiculaire à l’axe optique.

La profondeur de champ correspond à la distance dont on peut déplacer l’objeten conservant une image de bonne qualité.

- La connaissance du champ en largeur permet de savoir si un objet étendusera vu en entier ou partiellement.

- De son côté, une profondeur de champ importante permet de disposer d’unemise au point plus aisée.

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

α= sinnON

III – La loupe

Définition : La loupe est une lentille convergente de focale qui donne d’unobjet à distance finie une image virtuelle agrandie. On la classe dans lacatégorie des instruments oculaires. On va donc la caractériser par sapuissance.

f ′

Pour que l’œil n’ait pas à accommoder, il faut placer l’objet dans le planfocale de la lentille. Dans ce cas l’image est à l’infini.

La puissance est la puissance intrinsèque.f

Pi ′−= 1

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

× ×F

F ′O

Figure 8.2

œil

∞→′′ BA ,

θ′

IV – Le microscope

Le microscope est un instrument destiné à l’observation d’objet très petits. Onpeut le schématiser par deux lentilles convergentes :

Utilisation : Le microscope réalise d’un objet très petit une image à l’infini ou une image virtuelle agrandie.

Cet instrument se classe dans la catégorie des instruments oculaire , on lecaractérisera par sa puissance intrinsèque et son grossissement

intrinsèque commercial .

- Un oculaire dont la focale est plutôt de quelques centimètres : ocf ′

- Un objectif de focale courte (quelques millimètres) : obf ′

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

Schéma du microscope réglé à l ’infini :

∞→′A

∞→′B

θ′

A

B

ABy =

× ×obF ′

obF

objectif

obO×

ocF ′ocF

×

oculaire

ocO

iB

iA=

Par définition :ABy

Pmicθ′

=θ′= soit :

AB

BA

BAP ii

iimic

θ′=

Puissance de l ’oculaire :ii

ocBA

Pθ′

=

Grandissement de l ’objectif :AB

BA iiobj =γ

obocmic PP γ=

Calcul de la puissance :

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

Figure 8.3

V – La lunette astronomique

La lunette astronomique est utilisée pour observer des objets très éloignés. Ellepermet d’augmenter l’angle sous lequel on voit un objet à l’infini. C ’est uninstrument afocal (sans foyer).

La lunette astronomique est classée dans la catégorie des instruments oculaires.L ’image obtenue est renvoyée à l ’infini pour une observation à l ’œil.

Nous allons étudier ici une lunette astronomique assimilable à l’association dedeux lentilles convergentes.

L’objet étant à l’infini on caractérise la lunette par son grossissement .

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

Rayon angulaire de l ’objet :1f

BA ii

′=θ

Rayon angulaire de l ’image :2f

BA ii

′−=θ′

θ θ′

∞→′A

∞→′B

Schéma de la lunette astronomique

iB

=iA 2F ′

2O

( )2L

×21 FF =′

1O

( )1L

×

Calcul du grossissement :θθ′

=G

2

1

f

fG

′′

−=

Chapitre 8 – Propriétés de quelques instruments d ’optique

Figure 8.4