Partie 2 Optique géométrique
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- Noël Doucet
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1 Partie 2 Optique géométrique Sidi M. Khef Département de Physique EPST Tlemcen 13 janvier 2013
2 Chapitre 1 : Introduction Dénition L'optique est la science de la lumière.
3 Chapitre 1 : Introduction Dénition L'optique est la science de la lumière. 1. Jalons historiques
4 Chapitre 1 : Introduction Dénition L'optique est la science de la lumière. 1. Jalons historiques I 1 er et 2 e siècle ap. J.C. : L'étude de la lumière a commencé avec les Grecs de l'école d'alexandrie en Egypte : Euclide, Héron l'ancien, Ptolémée.
5 Chapitre 1 : Introduction Dénition L'optique est la science de la lumière. 1. Jalons historiques I 1 et 2 siècle ap. J.C. : L'étude de la lumière a commencé avec les Grecs er e de l'école d'alexandrie en Egypte : Euclide, Héron l'ancien, Ptolémée. I Euclide est le 1 à utiliser le terme er optique dans son livre sur la perception visuelle.
6 Chapitre 1 : Introduction Dénition L'optique est la science de la lumière. 1. Jalons historiques I 1 et 2 siècle ap. J.C. : L'étude de la lumière a commencé avec les Grecs er e de l'école d'alexandrie en Egypte : Euclide, Héron l'ancien, Ptolémée. I Euclide est le 1 à utiliser le terme er optique dans son livre sur la perception visuelle. I 11 e siècle : Alhazen ( ) dans a établi les fondements de l'optique moderne.
7 Chapitre 1 : Introduction Dénition L'optique est la science de la lumière. 1. Jalons historiques I 1 et 2 siècle ap. J.C. : L'étude de la lumière a commencé avec les Grecs er e de l'école d'alexandrie en Egypte : Euclide, Héron l'ancien, Ptolémée. I Euclide est le 1 à utiliser le terme er optique dans son livre sur la perception visuelle. I 11 e siècle : Alhazen ( ) dans a établi les fondements de l'optique moderne. I 11 e siècle : Al-Biruni ( ) a découvert que la vitesse de la lumière est supérieure à celle du son.
8 I 17e siècle : Snell et Descartes ont découvert la loi de la réfraction.
9 I 17 e siècle : Snell et Descartes ont découvert la loi de la réfraction. I 1637 : Descartes a défendu la nature corpusculaire de la lumière (La Dioptrique).
10 I 17 siècle : Snell et Descartes ont découvert la loi de la réfraction. e I 1637 : Descartes a défendu la nature corpusculaire de la lumière (La Dioptrique). I 1678 : Huygens a opté pour la nature ondulatoire de la lumière (Traité de la Lumière).
11 I 17 siècle : Snell et Descartes ont découvert la loi de la réfraction. e I 1637 : Descartes a défendu la nature corpusculaire de la lumière (La Dioptrique). I 1678 : Huygens a opté pour la nature ondulatoire de la lumière (Traité de la Lumière). I 1704 : Newton a défendu la nature corpusculaire et mécaniste de la lumière (Traité d'optique).
12 I 17 siècle : Snell et Descartes ont découvert la loi de la réfraction. e I 1637 : Descartes a défendu la nature corpusculaire de la lumière (La Dioptrique). I 1678 : Huygens a opté pour la nature ondulatoire de la lumière (Traité de la Lumière). I 1704 : Newton a défendu la nature corpusculaire et mécaniste de la lumière (Traité d'optique). I 1802 : Young a réalisé la 1 expérience d'interférence. re
13 I 17 siècle : Snell et Descartes ont découvert la loi de la réfraction. e I 1637 : Descartes a défendu la nature corpusculaire de la lumière (La Dioptrique). I 1678 : Huygens a opté pour la nature ondulatoire de la lumière (Traité de la Lumière). I 1704 : Newton a défendu la nature corpusculaire et mécaniste de la lumière (Traité d'optique). I 1802 : Young a réalisé la 1 expérience d'interférence. re I 1870 : Maxwell a établi que les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques (Traité d'électromagnétisme).
14 I 17 siècle : Snell et Descartes ont découvert la loi de la réfraction. e I 1637 : Descartes a défendu la nature corpusculaire de la lumière (La Dioptrique). I 1678 : Huygens a opté pour la nature ondulatoire de la lumière (Traité de la Lumière). I 1704 : Newton a défendu la nature corpusculaire et mécaniste de la lumière (Traité d'optique). I 1802 : Young a réalisé la 1 expérience d'interférence. re I 1870 : Maxwell a établi que les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques (Traité d'électromagnétisme). I 1905 : Einstein a postulé que la vitesse de la lumière dans le vide est une limite supérieure à toutes les vitesses, l'hypothèse du photon et les lois d'absorbtion et d'émission : avènement de la théorie quantique.
15 2. Premières applications
16 2. Premières applications I 1600 : Hans et Jansen ont inventé le 1 microscope. er
17 2. Premières applications I 1600 : Hans et Jansen ont inventé le 1 microscope. er I 1609 : Gallilée a inventé la 1 lunette à réfraction. re
18 2. Premières applications I 1600 : Hans et Jansen ont inventé le 1 microscope. er I 1609 : Gallilée a inventé la 1 lunette à réfraction. re I 1611 : Kepler a également construit une lunette à réfraction.
19 2. Premières applications I 1600 : Hans et Jansen ont inventé le 1 microscope. er I 1609 : Gallilée a inventé la 1 lunette à réfraction. re I 1611 : Kepler a également construit une lunette à réfraction. I 1676 : Römer a mis en évidence la vitesse limite de la lumière.
20 2. Premières applications I 1600 : Hans et Jansen ont inventé le 1 microscope. er I 1609 : Gallilée a inventé la 1 lunette à réfraction. re I 1611 : Kepler a également construit une lunette à réfraction. I 1676 : Römer a mis en évidence la vitesse limite de la lumière. I 1804 : Wollaston a utilisé des lentilles pour corriger la vue.
21 2. Premières applications I 1600 : Hans et Jansen ont inventé le 1 microscope. er I 1609 : Gallilée a inventé la 1 lunette à réfraction. re I 1611 : Kepler a également construit une lunette à réfraction. I 1676 : Römer a mis en évidence la vitesse limite de la lumière. I 1804 : Wollaston a utilisé des lentilles pour corriger la vue. I 1960 : Maiman a mis en place le 1 LASER. er
22 2. Premières applications I 1600 : Hans et Jansen ont inventé le 1 microscope. er I 1609 : Gallilée a inventé la 1 lunette à réfraction. re I 1611 : Kepler a également construit une lunette à réfraction. I 1676 : Römer a mis en évidence la vitesse limite de la lumière. I 1804 : Wollaston a utilisé des lentilles pour corriger la vue. I 1960 : Maiman a mis en place le 1 LASER. er I 1963 : Martins a inventé le premier endoscope à base de bre optique.
23 2. Premières applications I 1600 : Hans et Jansen ont inventé le 1 microscope. er I 1609 : Gallilée a inventé la 1 lunette à réfraction. re I 1611 : Kepler a également construit une lunette à réfraction. I 1676 : Römer a mis en évidence la vitesse limite de la lumière. I 1804 : Wollaston a utilisé des lentilles pour corriger la vue. I 1960 : Maiman a mis en place le 1 LASER. er I 1963 : Martins a inventé le premier endoscope à base de bre optique. I 2012 : Capasso et al. ont fabriqué la 1 lentille ultra-plate dépourvue de re toute distorsion.
24 3. Branches de l'optique
25 3. Branches de l'optique I L'optique géométrique.
26 3. Branches de l'optique I L'optique géométrique. I L'optique ondulatoire (physique).
27 3. Branches de l'optique I L'optique géométrique. I L'optique ondulatoire (physique). I L'optique quantique.
28 3.a. L'Optique géométrique I Elle fait l'objet de notre cours.
29 3.a. L'Optique géométrique I Elle fait l'objet de notre cours. I Elle a été développée entre le 11 e et le 18 e siècle.
30 3.a. L'Optique géométrique I Elle fait l'objet de notre cours. I Elle a été développée entre le 11 et le 18 siècle. e e I Elle étudie la propagation de la lumière et la formation des images.
31 3.a. L'Optique géométrique I Elle fait l'objet de notre cours. I Elle a été développée entre le 11 e et le 18 e siècle. I Elle étudie la propagation de la lumière et la formation des images. I Elle utilise la notion de rayon lumineux, les lois de la propagation réctiligne, de réexion et de réfraction.
32 3.a. L'Optique géométrique I Elle fait l'objet de notre cours. I Elle a été développée entre le 11 e et le 18 e siècle. I Elle étudie la propagation de la lumière et la formation des images. I Elle utilise la notion de rayon lumineux, les lois de la propagation réctiligne, de réexion et de réfraction. I Son champ d'application est très vaste : L'observation des corps très petits (microscopes), très grands (télescopes), très rapides (caméras ultra-rapides), médecine (endoscopes), télécommunicatons (bres optiques), topographie,...
33 3.b. L'Optique ondulatoire I Elle a été développée au cours du 19 siècle. e
34 3.b. L'Optique ondulatoire I Elle a été développée au cours du 19 siècle. e I Elle étudie la propagation de la lumière comme une onde.
35 3.b. L'Optique ondulatoire I Elle a été développée au cours du 19 siècle. e I Elle étudie la propagation de la lumière comme une onde. I Elle utilise les notions d'interférence, de diraction, de diusion,...
36 3.b. L'Optique ondulatoire I Elle a été développée au cours du 19 siècle. e I Elle étudie la propagation de la lumière comme une onde. I Elle utilise les notions d'interférence, de diraction, de diusion,... I Elle fait l'objet du module Physique 4 (2 année). e
37 3.b. L'Optique ondulatoire I Elle a été développée au cours du 19 siècle. e I Elle étudie la propagation de la lumière comme une onde. I Elle utilise les notions d'interférence, de diraction, de diusion,... I Elle fait l'objet du module Physique 4 (2 année). e I Les mesures de très haute précision (doppler), spectroscopie, analyse chimique, astrophysique, métallurgie,...
38 3.c. L'Optique quantique I Elle a été développée au cours du 20 siècle. e
39 3.c. L'Optique quantique I Elle a été développée au cours du 20 siècle. e I Elle étudie l'interaction du rayonnement avec la matière.
40 3.c. L'Optique quantique I Elle a été développée au cours du 20 siècle. e I Elle étudie l'interaction du rayonnement avec la matière. I Développement des MASER, LASER, l'holographie, les images 3D,...
41 4. Principes de base de l'optique géométrique
42 4. Principes de base de l'optique géométrique 4.1 Nature de la lumière
43 4. Principes de base de l'optique géométrique 4.1 Nature de la lumière I Depuis les travaux de Maxwell, on sait que la lumière est une onde électromagnétique.
44 4. Principes de base de l'optique géométrique 4.1 Nature de la lumière I Depuis les travaux de Maxwell, on sait que la lumière est une onde électromagnétique. I Einstein a démontré, également, que la lumière est un ensemble de particules sans masses appelés photons.
45 4. Principes de base de l'optique géométrique 4.1 Nature de la lumière I Depuis les travaux de Maxwell, on sait que la lumière est une onde électromagnétique. I Einstein a démontré, également, que la lumière est un ensemble de particules sans masses appelés photons. I Ainsi, la lumière est une onde-particule.
46 4.2 Propriétés de la lumière
47 4.2 Propriétés de la lumière I Une lumière monochromatique (une seule couleur) se caractérise par trois nombres :
48 4.2 Propriétés de la lumière I Une lumière monochromatique (une seule couleur) se caractérise par trois nombres : I La fréquence ( Hz). Elle représente la fréquence de variation du champ électrique,
49 4.2 Propriétés de la lumière I Une lumière monochromatique (une seule couleur) se caractérise par trois nombres : I La fréquence ( Hz). Elle représente la fréquence de variation du champ électrique, I La période T ( s), avec T = 1,
50 4.2 Propriétés de la lumière I Une lumière monochromatique (une seule couleur) se caractérise par trois nombres : I La fréquence ( Hz). Elle représente la fréquence de variation du champ électrique, I La période T ( s), avec T = 1, I La longueur d'onde ( m), avec = c, où c est la célérité de la lumière dans le vide.
51 4.2 Propriétés de la lumière I Une lumière monochromatique (une seule couleur) se caractérise par trois nombres : I La fréquence ( Hz). Elle représente la fréquence de variation du champ électrique, I La période T ( s), avec T = 1, I La longueur d'onde ( m), avec = c, où c est la célérité de la lumière dans le vide. I La lumière visible comprend les longueurs d'ondes allant de 360 nm (violet) et 830 nm (rouge).
52 4.2 Propriétés de la lumière I Une lumière monochromatique (une seule couleur) se caractérise par trois nombres : I La fréquence ( Hz). Elle représente la fréquence de variation du champ électrique, I La période T ( s), avec T = 1, I La longueur d'onde ( m), avec = c, où c est la célérité de la lumière dans le vide. I La lumière visible comprend les longueurs d'ondes allant de 360 nm (violet) et 830 nm (rouge). I Cette gamme de longueurs d'ondes n'est qu'une inme partie du spectre électromagnétique.
53 Figure: Spectre de la lumière visible
54 Figure: Spectre de la lumière visible Figure: Spectre électromagnétique
55 Figure: Spectre de la lumière visible Figure: Spectre électromagnétique Attention! On caractérise une onde lumineuse (une couleur) par sa fréquence ou par sa longueur d'onde dans le vide.
56 4.2 Propriétés de la lumière (suite) I Une onde électromagnétique, et donc la lumière, se propage dans le vide à la vitesse c = 299:792:458 m s 1.
57 4.2 Propriétés de la lumière (suite) I Une onde électromagnétique, et donc la lumière, se propage dans le vide à la vitesse c = 299:792:458 m s 1. I La mesure expérimentale la plus connue de c est celle réalisée par H. Fizeau en 1849.
58 4.2 Propriétés de la lumière (suite) I Une onde électromagnétique, et donc la lumière, se propage dans le vide à la vitesse c = 299:792:458 m s 1. I La mesure expérimentale la plus connue de c est celle réalisée par H. Fizeau en I Dans tout autre milieux, la lumière se propage moins vite que dans le vide (v < c).
59 4.2 Propriétés de la lumière (suite) I Une onde électromagnétique, et donc la lumière, se propage dans le vide à la vitesse c = 299:792:458 m s 1. I La mesure expérimentale la plus connue de c est celle réalisée par H. Fizeau en I Dans tout autre milieux, la lumière se propage moins vite que dans le vide (v < c). I On dénit, alors, l'indice de réfraction (indice optique) du milieu par n = c v 1.
60 4.2 Propriétés de la lumière (suite) I Une onde électromagnétique, et donc la lumière, se propage dans le vide à la vitesse c = 299:792:458 m s 1. I La mesure expérimentale la plus connue de c est celle réalisée par H. Fizeau en I Dans tout autre milieux, la lumière se propage moins vite que dans le vide (v < c). I On dénit, alors, l'indice de réfraction (indice optique) du milieu par n = c v 1. I Quelques indice de réfraction : n vide = 1, n eau = 1:3, n verre = 1:5, n diamant = 2:42.
61 4.2 Propriétés de la lumière (suite) I Attention : l'indice de réfraction dépend de la couleur de la lumière (fréquence). Les valeurs de n sont souvent données par rapport à une (seule) couleur de référence (jaune du doublet du sodium). = v = v c c = 0 n :
62 4.2 Propriétés de la lumière (suite) I Attention : l'indice de réfraction dépend de la couleur de la lumière (fréquence). Les valeurs de n sont souvent données par rapport à une (seule) couleur de référence (jaune du doublet du sodium). = v = v c c = 0 n : I On peut dire que plus la fréquence est grande (plus la longueur d'onde est petite), plus la vitesse de propagation est faible, et donc, plus l'indice du milieu est grand.
63 4.2 Propriétés de la lumière (suite) I Attention : l'indice de réfraction dépend de la couleur de la lumière (fréquence). Les valeurs de n sont souvent données par rapport à une (seule) couleur de référence (jaune du doublet du sodium). = v = v c c = 0 n : I On peut dire que plus la fréquence est grande (plus la longueur d'onde est petite), plus la vitesse de propagation est faible, et donc, plus l'indice du milieu est grand. I À noter que pour un milieu transparent inhomogène, l'indice n dépend du point de l'espace considéré (mirages).
64 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique I La notion de base de l'optique géométrique est le rayon lumineux : C'est la ligne suivant laquelle l'énergie lumineuse se propage.
65 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique I La notion de base de l'optique géométrique est le rayon lumineux : C'est la ligne suivant laquelle l'énergie lumineuse se propage. I Dans les milieux homogènes, la lumière se propage en lignes droites à partir de la source jusqu'au récepteur.
66 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique I La notion de base de l'optique géométrique est le rayon lumineux : C'est la ligne suivant laquelle l'énergie lumineuse se propage. I Dans les milieux homogènes, la lumière se propage en lignes droites à partir de la source jusqu'au récepteur. I En passant d'un milieu transparent à un autre, la propagation de la lumière n'est pas rectiligne : elle subit une réfraction.
67 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique I La notion de base de l'optique géométrique est le rayon lumineux : C'est la ligne suivant laquelle l'énergie lumineuse se propage. I Dans les milieux homogènes, la lumière se propage en lignes droites à partir de la source jusqu'au récepteur. I En passant d'un milieu transparent à un autre, la propagation de la lumière n'est pas rectiligne : elle subit une réfraction. I La propagation n'est pas rectiligne, si la lumière passe par de petites ouvertures, si elle rencontre de petits obstacles ou même si elle se propage près du bord d'un grand obstacle : elle subit une diraction.
68 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique I La notion de base de l'optique géométrique est le rayon lumineux : C'est la ligne suivant laquelle l'énergie lumineuse se propage. I Dans les milieux homogènes, la lumière se propage en lignes droites à partir de la source jusqu'au récepteur. I En passant d'un milieu transparent à un autre, la propagation de la lumière n'est pas rectiligne : elle subit une réfraction. I La propagation n'est pas rectiligne, si la lumière passe par de petites ouvertures, si elle rencontre de petits obstacles ou même si elle se propage près du bord d'un grand obstacle : elle subit une diraction. I Les uctuations locales de température, de densité ou de composition chimique sont sources d'hétérogénéités induisant la diusion de la lumière dans toutes les directions : vapeur, brouillard, nuages, couleur bleue du ciel,...
69 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique I La notion de base de l'optique géométrique est le rayon lumineux : C'est la ligne suivant laquelle l'énergie lumineuse se propage. I Dans les milieux homogènes, la lumière se propage en lignes droites à partir de la source jusqu'au récepteur. I En passant d'un milieu transparent à un autre, la propagation de la lumière n'est pas rectiligne : elle subit une réfraction. I La propagation n'est pas rectiligne, si la lumière passe par de petites ouvertures, si elle rencontre de petits obstacles ou même si elle se propage près du bord d'un grand obstacle : elle subit une diraction. I Les uctuations locales de température, de densité ou de composition chimique sont sources d'hétérogénéités induisant la diusion de la lumière dans toutes les directions : vapeur, brouillard, nuages, couleur bleue du ciel,... I Nous admettons, également, que les rayons lumineux sont indépendants. La direction d'un rayon n'est pas aectée par celle des autres rayons.
70 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique (Suite)
71 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique (Suite) Hypothèse de travail : À la limite où la longueur d'onde est beaucoup plus petite que les distances caractéristiques du système, les lois de l'optique géométrique sont alors valables.
72 4.3 Éléments de base de l'optique géométrique (Suite) Hypothèse de travail : À la limite où la longueur d'onde est beaucoup plus petite que les distances caractéristiques du système, les lois de l'optique géométrique sont alors valables. Références : I Optique, S. Houard, éditions de boeck, I Optique géométrique, T. Bécherrawy, éditions de boeck, I Geometrical and Trigonometric Optics, E. L. Dereniak, T. D.Dereniak, Cambrige University Press, I physagreg.fr I Images sous licence Creative Commons 3.0
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