Sistem optic

Un sistem optic este o colecție de elemente optice, cum ar fi oglinzi, lentile, grătare de difracție etc. permițând modificarea traiectoriei razelor de lumină sau a proprietăților luminii. Lumina este supusă la reflexii , refractii , difuzii , diffractions , filtrare etc. în funcție de nivelul de analiză a călătoriilor.

Sisteme centrate

Un sistem optic centrat este un set de componente optice având o axă de revoluție numită axă optică . Sistemele centrate sunt rareori stigmatice, cu excepția cazului în care un set de diafragme permite doar trecerea razelor paraxiale, adică aproape de axa optică, restrângând astfel sistemul la domeniul aproximării Gaussiene .

Un sistem centrat se caracterizează prin punctele sale cardinale care includ:

punctele focale ale obiectului F și imaginea F ' și planurile focale corespunzătoare,
principal obiect punctele H și imaginea H ' și planurile principale corespunzătoare,
de obiect punctele nodale N și imaginea N ' și avioanele nodale corespunzătoare.

Poziția acestor diferite puncte depinde de indicele de refracție n al mediului în amonte și de indicele de refracție n 'în aval al sistemului optic.

La obiect și imagine lungimi focale sunt definite prin: $f$ $f '$

f = \ overline {HF}

și .

f '= \ overline {H'F'}

Înclinația sistemului poate fi exprimat:

V = \ frac {n '} {f'} = - \ frac {n} {f}

Poziția nodurilor poate fi exprimată din poziția punctelor principale :

\ overline {HN} = \ overline {H'N '} = f + f'

Dacă sistemul centrat este scufundat pe ambele părți în același mediu, punctele nodale și punctele principale sunt aceleași ( ). ${\ displaystyle f = -f '}$

Pozițiile unui obiect A situat pe axa optică și a imaginii sale A ' , de asemenea pe axa optică, sunt legate împreună datorită relațiilor de conjugare :

originea în principalele puncte:

\ frac {n '} {\ overline {H'A'}} - \ frac {n} {\ overline {HA}} = V = \ frac {n '} {f'}

;

origine la focare:

\ overline {F'A '} \ cdot \ overline {FA} = f \ cdot f'

Pentru un obiect extins perpendicular pe axa optică, formula de mărire transversală raportează dimensiunile obiectului și imaginii:

\ gamma = \ frac {\ overline {A'B '}} {\ overline {AB}} = - \ frac {f} {\ overline {FA}} = - \ frac {\ overline {F'A'}} {f '}

Sisteme off-axis

Clasificare

Se remarcă trei clase de sisteme optice.

Sisteme dioptrice

Razele de lumină suferă doar refracții. Ei intră prin fața de intrare și ies prin fața de ieșire. Sistemele dioptrice constau doar din dioptrii ( prisme , lentile , lame cu fețe paralele etc.).

Unele instrumente optice sisteme dioptrice precum telescopul , telescopul galilean (lunetă sau telescop), unele telescoape sau majoritatea obiectivelor fotografice .

Condensatorul optic care permite iluminarea uniformă a câmpului observat într - un instrument optic, este un sistem optic (specific proiectarea ansamblului , dar impropriu individual ca instrument).

Razele de lumină suferă doar reflexii, indiferent dacă acestea sunt fenomene de reflexie speculare (oglinzi plane , sferice , parabolice sau eliptice) sau reflexie totală ( prisme ).

Sisteme catadioptrice

Razele de lumină suferă reflexii și refracții. Un sistem catadioptric poate consta din lentile și oglinzi (lentile catoptric , catadioptric ) și / sau prisme ( vedere reflexă , binoclu ).

Conceptul de instrument optic

Combinația acestor sisteme optice se numește instrument optic. Expresiile instrument optic sau optic pentru instrumente ( de asemenea , utilizate în mod obișnuit) denota aceste ansambluri de diferite sisteme optice în mai mult sau mai puțin complexe ansambluri pentru un anumit scop.

Proprietăți optice geometrice

Imagini și obiecte

Suprafața unui obiect, indiferent dacă este luminos (sursă primară) sau dacă este iluminat (sursă secundară), poate fi descompusă într-un set de suprafețe elementare formând o multitudine de puncte sursă. Fiecare dintre punctele sale sursă constituie un punct obiect care poate fi studiat independent de celelalte. Un punct obiect este punctul de intersecție al razelor incidente care întâlnesc sistemul optic. Acesta este situat în partea superioară a fasciculului conic incident.

Dacă este situat înainte de suprafața de intrare a sistemului optic, se spune că este real , emite efectiv raze de lumină sub forma unui fascicul divergent.
Dacă este localizat după, se spune că este virtual , este punctul de convergență al razelor virtuale.

În măsura în care se consideră că sistemul optic formează un fascicul emergent conic, vârful conului este un punct de imagine , este punctul de intersecție al razelor care ies din sistemul optic.

Se spune că punctul de imagine este real dacă este situat în aval de fața de ieșire în raport cu direcția de propagare a luminii la ieșirea sistemului optic. Apoi razele emergente converg, punctul de imagine este la intersecția razelor reale.
Se spune că punctul de imagine este virtual dacă este situat în amonte de fața de ieșire a sistemului optic. În acest caz, razele emergente diverg și punctul de imagine este la intersecția razelor virtuale.

Un obiect situat la infinit este o sursă care emite raze de lumină paralele, o imagine se formează la infinit atunci când razele de lumină care o formează sunt paralele.

Stigmatism

Stigmatismul este o proprietate a sistemelor optice care, dacă sunt stigmatice, formează o imagine punctuală pentru un obiect punctual. Toate razele de lumină care trec prin obiect prin sistem vor trece apoi prin punctul de imagine.

În realitate, stigmatismul este foarte rar și doar anumite sisteme optice sunt riguros stigmatice. Cu toate acestea, mai multe altele ne permit să abordăm această condiție a stigmatismului și apoi vorbim despre stigmatism abordat. În cazul stigmatismului abordat, sistemul este de fapt stigmatic pentru o serie de puncte particulare și nu stigmatic pentru alții.

Stigmatismul riguros există , de exemplu, în cazul oglinzii plane , în timp ce dioptria plană permite doar un stigmatism aproximativ.

Aplanetism

Un obiect nu este, în general, punctual: vorbim despre un obiect extins . Stigmatismul pentru un punct, fie el riguros sau aproximativ, nu garantează obținerea imaginii vreunui obiect. Când stigmatismul este păstrat în apropierea unui punct și într-un plan perpendicular pe axa optică, se spune că sistemul este aplanatic . Imaginea unui mic obiect perpendicular pe axă este apoi în plan perpendicular pe axă care conține imaginile punctelor care constituie obiectul.

Puncte speciale

Foarte des elementele unui sistem optic au o simetrie a revoluției. Vorbim despre un sistem centrat atunci când diferitele elemente au o axă de simetrie comună: axa optică .

Un astfel de sistem este apoi definit de elementele sale cardinale - punctele focale și planurile principale , în special, făcând posibilă definirea distanțelor focale și construirea imaginilor.

Dioptriile și oglinzile de orice fel

Este necesar să insistăm asupra faptului că legile, definite anterior, nu necesită în niciun caz planeitatea interfeței: sunt legi locale aplicabile dacă se poate defini un normal la interfață în punctul în care a ajuns raza l (punctul de incidență).

Prin urmare, legile Snell-Descartes se aplică atunci când suprafețele sunt non-plane. Aplicarea legilor de reflexie și refracție face posibilă urmărirea soartei oricărei raze incidente, oferind astfel informații despre geometria fasciculului reflectat și (sau) a fasciculului refractat.

Figura opusă oferă un exemplu în cazul unei dioptrii concavă, în care mediul de refracție (în albastru) este mai refractiv decât mediul de incidență.

Cazul dioptriei sferice este deosebit de important, deoarece limitează fețele lentilelor cel mai frecvent și cele mai vechi utilizate, deoarece, din punct de vedere tehnic prin uzură și lustruire, este cel mai ușor de produs.

Pentru oglinzi , pe lângă oglinzile plane , oglinzile sferice și oglinzile parabolice (reflectoarele farurilor auto, de exemplu) sunt cele mai utilizate.

Unele aplicații

Succesiunea dioptriilor

Succesiunea a două dioptrii plane non-paralele constituie o prismă , ale cărei proprietăți de reflexie totală sau dispersie (capacitatea de a separa diferitele lungimi de undă) îl fac un obiect utilizat pe scară largă (în prezent, în ceea ce privește dispersia, este înlocuit de rețele (fizice optice) ).

Succesiunea a două dioptrii, dintre care una sferică (sau cilindrică) constituie o lentilă .

Instrumente optice

lupă este cel mai simplu instrument optic de refracție, este format dintr-un singur obiectiv convergent.

Utilizarea acestuia se bazează pe posibilitatea obținerii unei imagini, în același sens cu obiectul (drept și virtual): detaliile obiectului sunt apoi văzute dintr-un unghi mai mare decât ar putea fi la ochiul liber. Pentru a face acest lucru, obiectul trebuie să fie situat la o distanță de lupă mai mică sau egală cu distanța focală.

camera Principiul camerei este, de asemenea, foarte simplu: un singur obiectiv convergent (în realitate o combinație inteligentă și complexă - adesea secretă - a mai multor obiective reale), care conferă obiectului o imagine reală colectată pe un ecran. În acest caz, imaginea este de obicei mai mică decât obiectul. Singura caracteristică specială a acestui instrument este că necesită un receptor sensibil la lumină pentru a înregistra imaginea. Acest receptor poate fi un film care conține săruri fotosensibile de argint (procesul chimic al așa-numitei fotografii de argint) sau o celulă fotosensibilă (CCD) (proces fizic al așa-numitei fotografii digitale). Telescopul lui Newton Este un sistem afocal format dintr-o oglindă parabolică sau sferică cu diametru mare responsabilă pentru colectarea luminii care vine de la stele, urmată de un obiectiv cu distanță focală mai mică (ocularul) care servește ca lupă pentru a privi imaginea intermediară. Trucul telescopului Newton este de a interpune o mică oglindă plană care permite ocularului să fie plasat la 90 °. Telescop Este un sistem afocal alcătuit dintr-o lentilă de diametru mare și distanță focală mare (obiectivul) responsabilă pentru colectarea luminii provenite de la stele, urmată de o lentilă de distanță focală scurtă (ocularul). uită-te la imaginea intermediară.

Telescopul refractant oferă o imagine inversată. Prin urmare, este puțin adecvat pentru observarea obiectelor terestre. Folosim așa-numitul telescop „terestru” sau telescopul Galileo , un instrument care are un obiectiv, dar care utilizează ca ocular o lentilă divergentă: în acest fel, imaginea finală este dreaptă.

Microscop Principiul microscopului optic este de a obține o imagine foarte mărită a unui obiect real, de dimensiuni mici, situat la o distanță finită, datorită unui obiectiv, de distanță focală foarte mică, numită obiectiv , și de a observa folosind d 'o mărire sticlă (de fapt un ocular puternic) această imagine mărită: acest instrument folosește, prin urmare, două lentile convergente (de fapt, obiectivul și ocularul, asemănător, în fine, cu două lentile convergente, sunt combinații complexe de lentile simple).

Defecte inerente utilizării dioptriilor plane sau sferice

Aceste defecte se datorează caracterului non-stigmatic sau dispersiv al elementelor utilizate care dau naștere aberațiilor : se disting aberațiile geometrice (sau, mai restrictiv, ale sfericității) rezultate din non-stigmatism și așa-numitele aberații cromatice rezultate din natura dispersivă a materialelor (focalizarea unui obiectiv neacromatic nu este aceeași pentru albastru ca pentru roșu).

Pentru a atenua sau elimina defectele sferice, în prezent sunt utilizate dioptrii asferice menționate adesea în „formula” obiectivelor comerciale.

Atenuarea defectelor cromatice se realizează prin asocierea ochelarilor, cu o putere dispersivă adecvată, permițând o compensare satisfăcătoare într-un anumit interval de lungimi de undă: cele mai bune corecții sunt indicate prin desemnarea „apo” (pentru apocromatice) obiective.

Note și referințe

Acest articol este preluat parțial sau în totalitate din articolul intitulat „ Optică geometrică ” (vezi lista autorilor ) .

Note

Tamer Becharrawy , Geometric Optics ( citiți online ) , p. 192-193.
Bernard Balland , Geometric optics: imagery and instruments , Lausanne, Presses polytechniques et universitaire romandes,2007, 860 p. ( ISBN 978-2-88074-689-6 , citit online ) , p. 244.
Jean-Paul Parisot , Patricia Segonds și Sylvie Le Boiteux , Curs de fizică: optică , Paris, Dunod ,2003, A 2 -a ed. , 355 p. ( ISBN 2-10-006846-6 ) , p. 101-102.
Eugène Hecht ( trad. Din engleză), Optique , Paris, Pearson Education France,2005, A 4- a ed. , 715 p. ( ISBN 2-7440-7063-7 ) , p. 155.
Agnès Maurel , Optică geometrică: curs , Paris, Belin ,2002, 217 p. ( ISBN 2-7011-3035-2 ) , p. 70-71.

Bibliografie

Philippe Binant, În centrul proiecției digitale , Acțiuni, 29 , 12-13, Kodak, Paris, 2007.
Luc Dettwiller, instrumente optice , 2 doua ediție, elipse, Paris, 2002.
Maurice Daumas, instrumente științifice XVII - lea și al XVIII - lea secole , PUF, Paris, 1953.