Systèmes Optiques I. Optique Instrumentale. Y. Dumeige. IUT Lannion MP 1 ère année S

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1 IUT Lannion MP 1 ère année S Systèmes Optiques I Optique Instrumentale Y. Dumeige UE 2-3 Sciences et techniques de l ingénieur II M Systèmes optiques Cours : h TD : 15h 1

2 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 2

3 I Introduction et définitions Lumière : Radiations visibles ou invisibles, flux de photons émis par les corps incandescents ou luminescents Dans cette définition se dessinent deux approches : - La lumière est une radiation ou une onde - La lumière est constituée de quanta d énergie : les photons Optique : Science qui a pour objet l'étude de la lumière, de ses lois et de leurs relations avec la vision 3

4 II Différents modèles pour la description de la lumière a) Modèle ondulatoire La lumière : onde électromagnétique (signal périodique de fréquence ν ) Cette onde se propage avec une vitesse finie, on distingue: - La vitesse de phase V φ : définie pour une onde monochromatique - La vitesse de groupe V g : vitesse d une impulsion de lumière Pour un milieu non ou très peu dispersif (c est-à-dire que V φ ne dépend pas ou peu de ν) on a : V φ =V g Sauf précision supplémentaire nous ferons cette hypothèse dans ce cours. 4

5 La vitesse (de groupe ou de phase) de la lumière dans le vide est une constante physique très importante. Elle constitue une vitesse limite maximale propagation d un signal. pour la vitesse de Définition du mètre (1983) : «Le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le 1 vide en seconde» Par la suite on note c la vitesse de la lumière dans le vide : c = m s 1 5

6 Comme toutes les ondes (ici considérée comme plane et monochromatique), lumière est caractérisée par : i) Son amplitude A ii) Sa fréquence ν («nu») en Hz qui caractérise la couleur de la lumière. la La période T (en s) est l inverse de la fréquence : T = 1 ν La longueur d onde λ (en m) est la distance parcourue par la lumière (se propageant à la vitesse de phase V ) pendant une période : Variations temporelles en un point fixé z de l espace : A λ = V T t T 6

7 Variations spatiales à un instant t fixé : A z Remarque : Lumière ne possédant qu une seule fréquence : lumière monochromatique. λ nm 0.4 µ m 0.7 µ m 1.55µ m µ m λ Spectre lumineux Ultraviolet 16 3 VISIBLE Infrarouge ( Hz) ν

8 b) Modèle des rayons lumineux Si on suppose que les dimensions caractéristiques des systèmes optiques étudiés sont largement plus grand que la longueur d onde λ Certaines propriétés ondulatoires de la lumière peuvent être oubliées C est l approximation de l optique géométrique Dans ce cas on modélise la lumière par des rayons lumineux correspondant à la direction de propagation du rayonnement optique. 8

9 c) Modèle corpusculaire Pour décrire de manière plus précise (par rapport au modèle de l optique ondulatoire) l interaction entre la lumière et la matière on doit modéliser la lumière de manière corpusculaire : optique quantique On introduit alors la notion de photons qui sont les quantas d énergie lumineuse. Pour un rayonnement de fréquence ν chaque photon possède alors une énergie E ph donnée par : = hν et une quantité de mouvement : E ph r p = où u r est le vecteur unitaire de la direction de propagation. E ph r c u u r h = J s est la constante de PLANCK 9

10 III Conclusion Optique quantique Optique électromagnétique Les 4 principaux modèles de l optique Optique physique Optique géométrique Il convient de choisir le bon niveau de description restant le plus simple possible et permettant de rendre compte de tous les phénomènes physiques. Aussi le modèle de l optique géométrique convient parfaitement à l étude de la plupart des instruments d optique courants.

11 Chapitre 1 Compléments : vitesse de groupe Milieu artificiel «absorbant» Vg>c : Cliquer ici pour lancer l animation Vg<c : Cliquer ici pour lancer l animation Conclusion : - Dans un milieu absorbant ou amplificateur Vg peut être < ou > à c - Dans les milieux parfaitement transparents : Vg=Vφ < c 11