Les instruments d'optique

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1 Les instruments doptique On distingue deux familles dinstruments doptique : les instruments oculaires qui donnent dun objet une image virtuelle observée par lœil. les instruments objectifs ( ou de projection ) qui donnent dun objet une image réelle recueillie sur un écran ou un film photographique. I. Lœil 1. Description L œil est formé : d une pupille qui joue le rôle de diaphragme ( diamètre variable de 2 à 8 mm ). Liris est la partie colorée qui lentoure. d un cristallin qui ( associé à la cornée ) joule le rôle dune lentille convergente biconvexe de vergence variable donnant une image inversée. dune rétine ( formée de cellules sensibles cônes et bâtonnets ) qui joue le rôle décran. la fovéa permet de mieux observer les détails de limage. cristallin ( n = 1,4 ) humeur vitrée ( n = 1,336 ) iris pupille tache jaune (fovéa ) cornée humeur aqueuse ( n = 1,336 ) rétine nerf optique Lœil peut être modélisé par une lentille convergente de vergence variable ( f 15 mm ) et par un écran. La profondeur de champ va du punctum proximum (PP) au punctum remotum (PR). Pour un oeil normal le PP est à environ d m = 25 cm de l œil et le PR est à l infini. Lors de lobservation au PR, il ny a pas accommodation ( les muscles qui agissent sur le cristallin sont au repos ). Le pouvoir séparateur angulaire de lœil est de lordre de rad ( 1 ) 2. Les défauts de lœil Un œil normal est dit emmétrope. Les défauts sont : la myopie ( cristallin trop convergent port de lentille divergente ) le P.R. est réel et situé à distance finie. lhypermétropie ( cristallin pas assez convergent port de lentille convergente ) le P.R. est virtuel et situé à distance finie la presbytie ( perte de la faculté d accommodation avec l age ). l astigmatisme ( un même point dun objet donne deux images différentes. La cornée de loeil a une forme irrégulière, la vision des objets est déformée ). Rabeux Michel Page 1

2 oeil accommodation.fig œil emmétrope œil myope œil myope corrigé œil hypermétrope Rabeux Michel Page 2

3 œil hypermétrope corrigé œil astigmate II. La loupe œil astigmate corrigé La loupe est une lentille convergente qui donne d un objet réel, une image virtuelle droite de diamètre angulaire plus grand. Dans les conditions usuelles dutilisation, limage virtuelle est à linfini afin que lœil naccommode pas. Lobjet AB est donc dans le plan focal objet de la lentille. La latitude de mise au point ( ou profondeur de champ ) est la distance entre les deux positions limites de lobjet qui donnent une image située entre le PP et le PR de lœil. Lorsque lœil naccommode pas, lobjet est situé en F 2 f l = lorsque lœil est situé en F d m Rabeux Michel Page 3

4 La puissance P de la loupe ( où d un instrument d optique ) est définie par θ est le diamètre angulaire sous lequel on voit l image de l objet AB. Elle s exprime en dioptrie ( δ ). Si l image est à l infini ( objet en F ) on obtient la puissance intrinsèque P i. Pour la loupe P i = C = f -1. Le grossissement G de la loupe ( ou d un instrument d optique ) est égal au rapport du diamètre angulaire θ sous lequel l image de l objet est vue par l œil et du diamètre θ angulaire θ sous lequel est vu l objet ( sans l instrument placé au P.P. ). G = = P.d m θ Le grossissement commercial est déterminé lorsque l image est vue au PR. 1 1 G i = Pi.d m = dm = 0, 25 m = m 4.f 4 Le pouvoir séparateur est la plus petite distance entre deux points objet A et B que lœil θmini sépare à laide de la loupe. AB mini = avec θ mini = 1 = rad P si lobservation est sans accommodation AB mini = θ mini.f P = θ AB A, F O θ F III. Loculaire Avec une loupe, limage est fortement distordue sur les bords, pour diminuer ce défaut on utilise un oculaire. Un oculaire est un système convergent placé près de lœil qui permet dagrandir et dobserver une image en lagrandissant. Il peut être modélisé par deux lentilles convergentes ( lentille de champ et lentille de vue ). Généralement, lœil observe sans accommoder. Une règle graduée ( micromètre ) ou un réticule peut être placée au foyer objet de la lentille de vue. Par la suite les oculaires seront symbolisés par une lentille convergente, dans les conditions usuelles il est réglé à linfini ( limage intermédiaire est en F 2 ). Rabeux Michel Page 4

5 Les oculaires les plus utilisés sont : loculaire de Ramsden { 3, 2, 3} avec loculaire de Huygens { 3, 2,1 } avec f O O f = = f1 O1O 2 = = f oculaire de Ramsden oculaire de Huygens correspond au réticule où à la règle graduée. Pour le réglage, il faut dabord déplacer la lentille de vue afin de voir limage du réticule sans accommoder, puis placer lobjet à observer au foyer objet de lensemble. A A 1 L C L V IV Condenseur Un condenseur ( formé par deux lentilles convergentes plan convexe accolées ) permet déclairer un objet qui servira de source secondaire. source objet primaire condenseur lentille de projection V. La lunette de visée à linfini Cette lunette est constituée d un objectif, d un oculaire et d un réticule, elle permet d observer des objets éloignés ( à l infini ). Lœil naccommodant pas ( utilisation la plus courante ), limage définitive est à linfini. Le foyer objet de loculaire est confondu avec le foyer image de lobjectif. Le système est donc afocale ( limage de linfini est à linfini ). Cette lunette se règle en observant un objet à linfini. Rabeux Michel Page 5

6 La lunette astronomique C est un système afocal qui donne d un objet situé à l infini une image à l infini grossie. Il est formé d un objectif ( grande distance focale ) et d un oculaire ( petite distance focale ). f1 Le grossissement est G = ( parfois le grossissement est donné en valeur absolue ). f 2 La lunette de Galilée Elle est formée d un lentille convergente ( objectif ) et d une lentille divergente ( oculaire ). f1 Le grossissement est G = G > 0 f 2 La lunette autocollimatrice lunette galilée.fig En plus de la lunette de visée à linfini, cette lunette dispose dun dispositif déclairage et dune lame semi-réfléchissante, afin deffectuer le réglage à linfini par autocollimation. œil VI. Le viseur ou lunette à frontale fixe ou réglable Un viseur est une lunette permettant d observer des objets à distance finie. Limage observée est à linfini ( cas le plus courant ). VII. Le collimateur Un collimateur est un système optique qui permet de réaliser un objet à l infini, il est constitué d un réticule, d une lentille et d une source de lumière. Le réticule est placé au foyer objet de la lentille. Le collimateur se règle à laide dune lunette de visée à linfini. Rabeux Michel Page 6

7 VIII. Le microscope 1. Description Le microscope est formé : d un objectif : lentille convergente de faible distance focale qq mm qui donne dun objet réel un image réelle agrandie et d un oculaire assimilé à une lentille convergente qui sert de loupe ( distance focale de qq cm ). Il donne de limage intermédiaire une image définitive virtuelle Lobjectif et loculaire sont maintenus à distance fixe. La distance F 1 F 2 ( ) est lintervalle optique ( 16 cm ) 2. Caractéristiques latitude de mise au point et profondeur de champ : distance entre les deux positions extrêmes de lobjet dont limage définitive est vue par lœil ( entre le PP et le PR ). cercle oculaire : image du diaphragme de lobjectif par loculaire. Cest au cercle oculaire que la concentration de lumière est la plus importante. On place lœil au cercle oculaire. Celui-ci est voisin de F 2. Puissance : ( idem loupe ) P = θ AB θ Puissance intrinsèque : ( idem loupe ) P i = = AB f.f Grossissement et grossissement commercial : ( idem loupe ) G = θ Pi GC = = θ 4 4.f 1.f 2 Pouvoir séparateur : cest la plus petite distance entre deux points objet que lœil sépare à laide du microscope. 1 2 microscope.fig cercle oculaire.fig Rabeux Michel Page 7

8 IX. Le téléobjectif Il est constitué d une lentille convergente L C et d une lentille divergente L D, afin de réduire l encombrement tout en donnant une image de dimension satisfaisante d un objet éloigné. L L C L D pellicule L est la lentille unique équivalente qui donnerait la même image ( avec un encombrement plus important ) X. Le télescope Il est formé d un miroir concave sphérique, d un miroir plan ou sphérique et d un oculaire. téléscope de Newton.fig téléscope Cassegrain et Grégory.fig retroprojecteur.fig L essentiel et l indispensable en quelques mots et formules Lœil peut être modélisé par une lentille convergente de vergence variable ( f 15 mm ) et par un écran. La loupe est une lentille convergente qui donne d un objet réel, une image virtuelle droite de diamètre angulaire plus grand. Un oculaire est un système convergent placé près de lœil qui permet dagrandir et dobserver une image en lagrandissant. Une lunette astronomique est un système afocal qui donne d un objet situé à l infini une image à l infini grossie. Il est formé d un objectif ( grande distance focale ) et d un oculaire ( petite distance focale ). Une lunette de Galilée est formée d un lentille convergente ( objectif ) et d une lentille divergente ( oculaire ). Un viseur est une lunette permettant d observer des objets à distance finie. Limage observée est à linfini ( cas le plus courant ). Un microscope est formé d un objectif et d un oculaire, il permet d observer sans accommoder des objets proches et les agrandissant. Rabeux Michel Page 8