OPTIQUE GEOMETRIQUE
Cours: Optique géométrique.
Nature de la Lumière.
Qu’est ce que la lumière? Pendant plusieurs siècles deux tendances se sont affrontées: onde-corpuscule.
Au 17ème siècle:
• Corpusculaire pour expliquer la réflexion (Descartes, Newton).
• Ondulatoire pour expliquer la diffraction (Grimaldi, Huygens).
Du 17ème au 19ème siècle:
• Expériences validant l’aspect ondulatoire de la lumière (Fresnel, Maxwell)
• Expériences validant l’aspect corpusculaire de la lumière (Hertz, Einstein)
Au 20ème siècle:
• Dualité onde-corpuscule comme les e- (De Broglie, Heisenberg, Dirac)
Lumière = ondes et photons
Caractéristiques de l’onde lumineuse.
Ondes: Son, Houle.
Caractéristiques générales :
Photon associé :
Énergie E : E=hν [joule] où h est la constante de Plank h=6.626 10-34 J.s
Caractéristiques de l’onde lumineuse:
Quelques repères
• 7 fois le tour de la terre en 1s.
• Distance terre-soleil en ≈8min.
Ondes électromagnétiques.
de différentes longueurs d’ondes (couleurs).
Visible = Spectre de l’oeil.
L'oeil est sensible aux radiations lumineuses dont la longueur d'onde est comprise entre 0.380 μm et 0.780 μm.
Oeil est un photodétecteur ayant une bande passante particulière.
Longueur d’onde, nm
Rayons lumineux
En optique géométrique on se réfère souvent à la notion de rayon lumineux
Notion intuitive :
Description de la lumière.
Outil de description de la lumière : Ondes, Photons ou Rayons Lumineux selon le contexte considéré.
Description: elle dépend de la dimension DO des objets par rapport à λ :
Interaction lumière-matière.
Quand la lumière rencontre un milieu homogène, isotrope et transparent
on peut observer :
C’est Une interaction lumière-matière conduisant à une déviation de la trajectoire de la lumière du même côté du corps d'où elle est venue.
Les rayons réfléchis sont parrallèles les uns aux autres
Les rayons réfléchis repartent dans des directions quelconques
Exemples de réflexion spéculaire et de réflexion diffuse
Spéculaire
Diffuse
La réflexion diffuse rend la route facile à voir la nuit
Loi de la réflexion
Normale
i1
i2
Rayon incident
normale
Rayon réfléchi
miroir
i1
i2
Rayon
incident
normale
Rayon
réfléchi
Rayon
réfracté
Verre
i
i
r
L’angle de réfraction r dépend des propriétés du milieu
Visualisation expérimentale
Origine physique de la réfraction
Eau (optiquement
plus dense que l’air)
v = c (vitesse de la lumière)
Air
V = c/n
Indice de réfraction
Indice de réfraction :Définit la vitesse de la lumière dans le milieu optiquement plus dense → c/n.
Vitesse de la lumière dans un milieu (e.g. eau)
Indice de réfraction
Vitesse de la lumière dans le vide (air)
Loi de la réfraction
Normale
Normale
sinθ1=v1t/d (triangle jaune)
sinθ2=v2t/d (triangle vert)
Soit :
Loi de Descartes
Position du rayon réfracté
normale
verre
normale
verre
indices de réfraction de quelques substances à 590 nm:
Substance
indice
Air
1.00029
Eau
1.33
Ethanol
1.36
Quartz fondu
1.46
Glycérine
1.47
Verre
1.45-1.70
Huile
1.50
Zircone
1.92
Diamant
2.42
ANGLE DE RÉFRACTION LIMITE
n1< n2
i1 varie entre 0 et π/2
n1< n2
n1 > n2
RÉFRACTION DANS UN MILIEU NON HOMOGÈNE
MIROIRS PLANS
STIGMATISME DU MIROIR PLAN
AH = HA’
L’image A’ d’un point A est le symétrique de A par rapport au plan du miroir
Le miroir plan réalise le stigmatisme rigoureux pour tout point de l’espace
Un miroir plan est une surface plane réfléchissante
Image d ’un point
A
N
H
I1
I2
R1
R2
A’
i1
i1
i2
Triangles AHI1 et A’HI1 égaux
Rayon réfléchi en I1 passe par A’
Rayon réfléchi en I2 passe par A’
i1
i1
Tous les rayons issus de A et tombant sur le miroir se réfléchissent en passant par A’
Le miroir est stigmatique pour tous les points de l ’espace.
L'image A' d'un objet réel A est donc virtuelle. Le principe du retour inverse de la lumière nous montre que l'image d'un objet virtuel sera réelle.
Dans un miroir plan, l'objet et l'image sont toujours de nature opposée : l'un est réel, l'autre virtuel.
A' est le symétrique de A par rapport au plan du miroir.
Pour un objet étendu (non ponctuel), l'image est le symétrique de l'objet par rapport au plan du miroir (une main droite est transformée en main gauche).
Pour qu'un observateur puisse observer l'image d'un objet dans un miroir il faut que la droite reliant l'image de l'objet à l'observateur coupe le miroir.
Champ d’un miroir plan
Sur ce schéma le point A est visible par réflexion pour
l'observateur situé en O' mais pas pour celui situé en O.
Rayon
incident
Application des miroirs : rétroviseur à position jour et nuit
Rayon incident
Surface réfléchissante
Position jour
Position nuit
Dans la position « jour » c’est le rayon le plus intense ayant subi la réflexion sur la couche réfléchissante qui est dirigé dans l’œil du conducteur. Dans la position « nuit » c’est le rayon peu intense ayant subi la réflexion sur le verre qui est envoyé dans l’œil du conducteur.
DIOPTRE PLAN
Existence de plusieurs
images
DIOPTRE PLAN
Un dioptre plan est formé par l’interface plane qui sépare deux milieux transparents d’indice n1 et n2
H
A
A’
I
1
2
n1 < n2
n2
i1
i2
i2
i1
R
n1 sin i1 = n2 sin i2
HI commun aux triangles HIA et HIA’
La position de l’image dépend de l’angle d’incidence : à chaque angle d’incidence correspond une image différente.
Le dioptre plan n ’est pas stigmatique
Conditions de Gauss
sin i1≈i1 et tg i1≈i1
Remarque très importante : les angles sont ici exprimés en radians.
Donc Descartes
n1i1 = n2i2
et
Soit
Bonne manière d ’écrire en vue d ’une généralisation :
Si on choisit comme sens positif sur AH celui de la lumière
et
sont orientés algébriquement et toujours de même signe.
λ
90°
N
I
Émergence
rasante
i >λ
N
I
Réflexion
totale
N
N
I
I
Réfraction
eau
n1=1,33
air
n2=1
Exemple de la réfraction verre (n1= 1,5) / air (n2=1) : λ=arcsin (1 / 1,5) = 42°; dans l'eau λ =49°
A
B
C
45°
Lame à faces parallèles
e
n1
n2
n3
Ensemble de deux dioptres plans parallèles
A1 point objet
A2 image intermédiaire due au dioptre H1
A3 image de A2 dans le dioptre H2
= image finale
A1
H1
H2
A2
A3
Pour une lame dans l ’air : n1 = n3 = 1 et n2 = 1,5 = n
Une lame de verre "rapproche" les objets.
A2
B1
A1
B2
2L
L
2n
n
B1
A1
A2
B2
Image d’un objet étendu
Exemples de prismes
Plan de section principale
Définitions
Un prisme réalise deux actions
Angle du prisme
Arête
Base
Lumière blanche
prisme
A
Plan de section principale
Marche d ’un rayon lumineux. Formules du prisme
Réfraction au point d’incidence
I
i
r
I’
i’
r’
Réfraction au point d’émergence
Relation entre r, r’ et A
J
L
Dans triangle IJI’ l’angle I’JL (extérieur) = somme des angles intérieurs : r+r’
On suppose le prisme placé dans l'air d'indice 1.
Déviation d’un rayon
A
I
i
r
I’
i’
r’
J
L
M
K
D
Si on prolonge le rayon incident il coupe le rayon émergent en K
Angle MKI’ = déviation D du rayon incident lors de sa traversée du prisme
D est l’angle extérieur du triangle KII’
sin i = n sin r sin i ’ = n sin r ’
A = r + r’ D = i + i’ - A
On en déduit par exemple la déviation D(i, A, n).
A
I
Le prisme tourne toujours dans le même sens
T
α
β
écran
Dm
T0
Tm
I=0
On fait tourner le prisme autour de son arête dans le sens de la flèche
Angle d’incidence croît régulièrement
La tache T se déplace sur l’écran suivant le trajet (α) puis reste un instant stationnaire en Tm pour se déplacer finalement en sens inverse suivant le trajet (β)
Conclusion : quand i varie, D décroît, passe par un minimum et croît ensuite
Expérience
Étude de la déviation
L'expérience montre qu'il existe une valeur im de l'angle d'incidence i qui rend la déviation D minimale.
im
Dm minimum de déviation
Après calculs, la seule solution acceptable est :
En substituant dans sin i= n sin r, on obtient la formule de Fraunhofer, utile pour mesurer l'indice du prisme :
Remarque : au minimum de déviation le rayon lumineux a un parcours symétrique par rapport au plan bissecteur de l'angle du prisme (r=r' et i=i').
Variation de D en fonction de i
D0
Dm
i
Déviation
i0
im
Influence de l'indice n
n
Quand λ
nR < nB
A
i
rB
DR
DB
rB < rR
Comme r’ = A-r
r’B > r’R
nB sin r’B > nR sin r’R
i’B > i’R
Mais : D = i + i’ -A
DB > DR
Pourquoi un arc en ciel ?
L'arc en ciel est un phénomène de dispersion de lumière sur un mur d'eau formé de milliers de gouttes d’eau.
Puisque la taille des gouttes d'eau est très grande devant la longueur d'onde de la lumière, on peut appliquer les règles de l'optique géométrique à une goutte d'eau sphérique d’indice n environ égal à 1.33.
L’addition des angles en jaune sur la figure donne la valeur de la déviation du rayon réfléchi par rapport au rayon solaire incident.
Si l'on ne travaille pas avec des angles orientés, la déviation est donnée par l’angle :
r
r
r
pi-2r
r
i-r
i
i
i-r
Direction
Rayon incident
Déviation D
Déviation géométrique
A = π-D
Rayon solaire
incident
Rayon solaire
réfléchi
les rayons sont réfléchis dans toutes les directions
mais il existe une grande plage de valeurs de i pour laquelle A est à peu près constant (maximum de la fonction).
Comme pour le prisme, la déviation dépend de l’indice qui lui-même dépend de la longueur d’onde (couleur) du rayon lumineux.
Un dioptre sphérique est un ensemble de deux milieux transparents d’indices optiques différents, séparés par une interface sphérique mince.
Représentation “artistique”
Axe principal
Sens de la lumière
n1
n2
centre
C
Sommet S
��Chapitre 3: DIOPTRE ET MIROIR SPHÉRIQUE�
Le dioptre sphérique n’est pas stigmatique. En pratique, on se place dans les conditions de l ’approximation de Gauss :
Le dioptre est alors stigmatique : l ’image d ’un point est un point
Représentation schématique correcte
Les schémas sont faux si le dioptre est représenté par un arc de cercle.
Noter que dans la représentation schématique la normale au dioptre ne fait pas un angle de π/2 avec l’interface.
C
A1
A2
S
normale
n1
n2 > n1
α
β
γ
i1
i2
Sens de la
lumière
I
Relation de conjugaison
Approximation de Gauss
triangles A1IC & IA2C
1
2
3
Sens de la
lumière
C
A1
A2
S
n1
n2 > n1
α
β
γ
i1
i2
I
Soit d ’après les relations 1 :
Remarques sur la relation de conjugaison
1
C
S
normale
n1
n2 > n1
Plan focal image
F’
Foyer image
Sens de la
lumière
Points remarquables du dioptre sphérique
C
S
normale
n1
n2 > n1
Plan focal objet
F
Foyer objet
Sens de la
lumière
Calcul de la distance focale image
Le foyer-image est l’image dans le milieu n2 d’un objet à l’infini dans le milieu n1.
Calcul de la distance focale objet
le foyer-objet est le point de l’axe principal dans le milieu-objet n1 qui donne une image à l’infini dans le milieu-image n2.
Relations remarquables
La position respective des 4 points : S, C, Fet F ’ n’est pas quelconque.
A utiliser pour la cohérence du tracé des images.
C
S
n1
n2
F
F’
Les foyers objet et image sont toujours symétriques par rapport au milieu du segment SC
Pour tracer l ’image d ’un point dans le système optique, on utilise 2 rayons de trajet connu.
On a 3 possibilités simples à sa disposition :
– 1 rayon qui passe par C : il n’est pas dévié.
– 1 rayon parallèle à l’axe principal dans le milieu objet n1 ressort en passant par le foyer-image F ’.
– 1 rayon qui passe par le foyer-objet F ressort dans le milieu image n2 parallèlement à l’axe principal.
Exemples de tracés : dioptre “convexe”
n2 > n1 dans toutes les figures.
C
S
F
F’
A1
B1
A2
B2
C
S
F
F’
A1
B1
A2
B2
Exemples de tracés : dioptre “concave”
C
S
F
F’
A2
B2
A1
B1
C
S
F
F’
A1
B1
A2
B2
C
S
normale
n1
n2 > n1
Plan focal image
F’
Foyer image
secondaire
Sens de la
lumière
F’1
Même remarque pour le plan focal objet.
C
S
normale
n1
n2 > n1
Plan focal objet
F
Foyer objet
secondaire
Sens de la
lumière
F1
Calcul du grandissement γ
C ’est le rapport
Il mesure la taille de l’image par rapport à l’objet.
Dans le triangle : SA1B1
Dans le triangle : SA2B2
Conditions de Gauss
D ’où le grandissement
Application : la relation de conjugaison des lentilles minces
dioptre 1
(A1 est un point du milieu n)
dioptre 2
lentilles minces
S1 ~ S2
centre optique O
en ajoutant les 2 équations
distances focales
Remarques
Unité : dioptrie (homogène à des m-1)
Attention : les distances doivent être exprimées en m.
F’
Plan focal image
O
lentille divergente OF ’ < 0 et OF > 0
lentille convergente OF ’ > 0 et OF < 0
lentille
biconvexe
Lentille
plan-convexe
Ménisque
convergent
lentille
biconcave
lentille
plan-concave
Ménisque
divergent
Axe principal
Axe principal
Lentille convergente
F’
O
O se nomme le centre optique de la lentille
lentille convergente OF ’ > 0
Foyer image
F’
O
Lentille divergente
F’
Plan focal image
O
lentille divergente OF ’ < 0
Lentille convergente
Foyer objet
O
F
Plan focal objet
O
lentille convergente OF < 0
Lentille divergente
F
O
lentille divergente OF > 0
F
O
Plan focal objet
lentille convergente OF < 0 et OF’ >0
OF’
=
OF
lentille divergente OF > 0 et OF’ <0
Tout rayon passant par le centre optique O ne subit aucune déviation
Construction des images
A
B
A’
B’
O
F
F’
L’image est réelle et renversée
F’
A
B
A’
B’
O
F
F’
A’
B’
A
B
Zones conjuguées
Formules de conjugaison
Position de l ’objet
Position de l’image
et grandissement
On peut donc établir des correspondances entre les zones d'espace objet et image. Zones conjuguées
O
F
F’
objet
image
réel
réelle renversée
réel
virtuelle droite
plus grande
virtuel
réelle droite
plus petite
Lentille convergente
Lentille divergente
objet
image
F’
F
O
réel
virtuelle
droite
plus petite
virtuel
réelle droite
agrandie
virtuel
Virtuelle
renversée
Les représentations précédentes démontrent les propriétés suivantes :
FOYERS ET PLANS FOCAUX
K’
PLANS PRINCIPAUX
SYSTÈMES CENTRÉS
F
F’
K
H
H’
P
P’
F’
F
K ’
DISTANCES FOCALES ET VERGENCE
n.HK .α = n'.H'K'.α'
H
H’
K
K ’
α
α
’
F’
F
n’
n
α = HK/HF
α‘ = H'K‘/H’F’
α /α' = n’/n = H’F’/HF
POINTS NODAUX
H
H’
K
K ’
F’
F
N
N’
K
H
H’
P
P’
F’
F
K ’
K
H
H’
P
P’
F’
F
K ’
FORMULES DES SYSTÈMES CENTRÉS
H
H’
K
K ’
F’
F
A
B
A’
B’
ASSOCIATION DE DEUX SYSTEMES CENTRES
H1
H’1
F’1
F1
A
B
H2
H’2
F2
A’
B’
F’2
F
Deux systèmes centrés S1 et S2 de même axe principal constituent un nouveau système centré S.
Problème : on veut déterminer les éléments cardinaux de ce nouveau système centré.
- on affectera de l'indice 1 à tous les éléments cardinaux du système S1 (F1, F'1, H1...)
- on affectera de l'indice 2 à ceux du système
S2( F2, F'2, H2...)
- les indices de réfraction des milieux extrêmes sont n et n'
- l'indice du milieu compris entre S1 et S2 est N.
e EPAISSEUR DU SYSTEME : H’1H2
H1
H’1
F’1
F1
H2
H’2
F’2
F2
H
H’
F’
F
+
__
__
__
Δ L’INTERVAL OPTIQUE :
DISTANCES FOCALES
n
N
n’
n
n’
e EPAISSEUR DU SYSTEME : H’1H2
H1
H’1
F’1
F1
H2
H’2
F’2
F2
H
H’
F’
F
+
__
__
__
Δ L’INTERVAL OPTIQUE :
DISTANCES FOCALES
n
N
n’
n
n’
OPTIQUE MATRICIEL
TRANSFORMATIONS LINEAIRES ET OPERATIONS SUR LES MATRICES
b11, b12, b21, et b22 sont des constantes (caracteristiques d’un système)
�
�
�
[A] = [B] [C]
DETERMINANT D’UNE MATRICE
= a11 a22 - a21 a12
DETERMINANT DU PRODUIT DE N MATRICES = PRODUIT DES DETERMINANTS
MATRICE DE TRANSLATION
EST LA MATRICE DE TRANSLATION
P
P
y
α
Q
Q
y’
α
’
D
AXE OPTIQUE
P
P
y
α
Q
Q
y’
α
’
D
AXE OPTIQUE
W
W
y’’
α
’
’
T
α = α’ = α’’
et très petits
MATRICE DE REFRACTION
AXE OPTIQUE
n
n’
δ
δ
α
α
δ
C
’
y’
y
Exemple:
Translation et Refraction
n=1
n’=1.5
α
α
C
’
y’
y
P
P
Q
Q
I’
I
OC=R=6 cm
α =0.01 radiant
y= 1.6 cm
QQ,O = 9 cm PP,O = 8 cm
Calculer y’ et α’
O
y ' = 1.8 cm and
α ' = - 0.0667 radians
I’
I
24
36
O
n
n’
s = OI s’ = OI’ r le rayon de courbure
On montre que :
Convention de signe
s
s’
Objet à gauche de O s est positif
Image à droite de O s’ est positif
R=6 n=1 n’=1.5
Système optique général
n=1
n=1.5
n=1
n=1.6
n=1
P
Q
Q
α
y
α
y’
’
7 cm
3 cm
- 4 cm
3 cm
2 cm
P
O
O’
Matrice du système optique entre O et O’
=
Matrice du système optique entre PP et QQ
D’ EST POSITIF : F’ EST A DROITE DE O’
D’ EST NEGATIF: F’ EST A GAUCHE DE O’
D EST POSITIF : F EST A GAUCHE DE O
D EST NEGATIF: F EST A DROITE DE O
y ne dépend que de α’ y = A* α’
y’ ne dépend que de α y = Cte* α
LA MATRICE DES PLANS FOCAUX PASSANT PAR F ET F’
Relation Générale entre f et f’ en utilisant le théorème des déterminants
Det
Det
Det
f et f’ doivent avoir le même signe
si n = n’ = 1
= 1 ,
n
n’
f = f’
Exemple:
Soit une lentille biconvexe ayant un rayon
de courbure égale à 10 cm pour chaque face
Calculer les distances focales et points focaux
De la lentille si son indice est 1.5
Solution:
f = = 60/5 = 12 cm = f ' puisque n = n ' = 1.
O 'F ' = (2/3)×(12)= 8 cm.
F est à 8 cm à gauche de O
OF = (2/3)×(12)= 8 cm.
F’ est à 8cm à droite de O’
Formation de l’image : EQUATION DE NEWTON
=0 car y ne dépend pas de α’
Equations de NEWTON
Un objet de 2cm est placé à 40cm de O
Quelle est la position de l’image et sa grandeur
Puisque F est à 8cm de O x =40-8=32cm
L’image est à 8 + 4.5 =12.5 cm donc à droite de O ‘ et γ = -12/32 = -3/8
32 x ' = (12)(12) x’=4.5cm
l‘image est inversée et sa taille est: y’= γ y = 3/8 x 2 = 3/4 cm.
à droite de F’
Un objet A est placé à 10.467 cm à gauche de O.
Ou est l’ image A’, Et quelle est sa taille. r =1.5 cm
f ' = 1.3 * f = 4.333 cm
O'F ' = 0.65/0.3 = 2.167 cm
OF = 1.25/0.3 = 4.167 cm
f = 1/.3 = 3.33 cm
Donc O’A’=O’F’ + F’A’ = 2.167 + 2.293 = 4.460 cm
= -f /x = -3.333/6.3 = -0.529
γ
x =AF= OA- OF =10.467 - 4.167 = 6.3 cm.
x '= F’A’=ff '/x=(4.333)*(3.333)/6.3 = 2.293
f ' = 4.333 cm
O'F ' = 2.167 cm
OF = 4.167 cm
f = 3.33 cm
LES POINTS CARDINAUX
LES POINTS CARDINAUX SONT DEFINIT PAR RAPPORT A F et F’
Soit un point cardinal Z distant de z de F à gauche
Et un point cardinal Z’ distant de z’ de F’ à droite
Les plans passants par H et H’ sont définis par y’ = y
= + 1 plan positif = -1 plan négatif
y = -(z / f )y’ + (zz '/ f - f ') zz '/f - f ' = 0 et -z/f = 1
γ
α '
γ
=0 car y’ image de y