1Systmes Optiques IOptique Instrumentale

Y. Dumeige

IUT Lannion MP 1re anne S2 2010-2011

UE 2-3 Sciences et techniques de lingnieur II

M 2-3-3 Systmes optiques

Cours : 10h TD : 15h

2IUT Lannion Optique instrumentale

Plan du cours

; Notions de base et dfinitions Photomtrie / Sources de lumire Les bases de loptique gomtrique Gnralits sur les systmes optiques Elments faces planes Dioptres sphriques Les lentilles Proprits de quelques instruments doptique

3Chapitre 1 Notions de base et dfinitions

I Introduction et dfinitions

Lumire : Radiations visibles ou invisibles, flux de photons mis par les corps incandescents ou luminescents

Optique : Science qui a pour objet l'tude de la lumire, de ses lois et de leurs relations avec la vision

Dans cette dfinition se dessinent deux approches :

- La lumire est une radiation ou une onde

- La lumire est constitue de quanta dnergie : les photons

II Diffrents modles pour la description de la lumire

a) Modle ondulatoire

La lumire : onde lectromagntique (signal priodique de frquence )

Cette onde se propage avec une vitesse finie, on distingue:

- La vitesse de phase V : dfinie pour une onde monochromatique

- La vitesse de groupe Vg : vitesse dune impulsion de lumire

Pour un milieu non ou trs peu dispersif (cest--dire que V ne dpend pas ou peu de ) on a :

V=VgSauf prcision supplmentaire nous ferons cette hypothse dans ce cours.

Chapitre 1 Notions de base et dfinitions

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Chapitre 1 Notions de base et dfinitions

La vitesse (de groupe ou de phase) de la lumire dans le vide est une constante physique trs importante.

Dfinition du mtre (1983) :

Le mtre est la distance parcourue par la lumire dans le vide en seconde

4587922991

Par la suite on note c la vitesse de la lumire dans le vide :

18 sm103458792299 =c5

Elle constitue une vitesse limite maximale pour la vitesse de propagation dun signal.

6TV =

=1T

Chapitre 1 Notions de base et dfinitions

Comme toutes les ondes (ici considre comme plane et monochromatique), la lumire est caractrise par :

i) Son amplitude A

ii) Sa frquence ( nu ) en Hz qui caractrise la couleur de la lumire.

La priode T (en s) est linverse de la frquence :

La longueur donde (en m) est la distance parcourue par la lumire (se propageant la vitesse de phase V ) pendant une priode :

Variations temporelles en un point fix z de lespace :

T

t

A

7Remarque : Lumire ne possdant quune seule frquence : lumire monochromatique.

Variations spatiales un instant t fix :

z

A

m4.0 m7.0

m55.1 m10

Ultraviolet

( )Hz 141057 . 141034 .141091 . 13103

VISIBLE

nm10

16103InfrarougeSpectre

lumineux

Chapitre 1 Notions de base et dfinitions

8b) Modle des rayons lumineux

Si on suppose que les dimensions caractristiques des systmes optiques tudis sont largement plus grand que la longueur donde

Certaines proprits ondulatoires de la lumire peuvent tre oublies

Cest lapproximation de loptique gomtrique

Dans ce cas on modlise la lumire par des rayons lumineux correspondant la direction de propagation du rayonnement optique.

Chapitre 1 Notions de base et dfinitions

9sJ10626176.6 34 = h est la constante de PLANCK

c) Modle corpusculaire

Chapitre 1 Notions de base et dfinitions

Pour dcrire de manire plus prcise (par rapport au modle de loptique ondulatoire) linteraction entre la lumire et la matire on doit modliser la lumire de manire corpusculaire : optique quantique

= hE ph

On introduit alors la notion de photons qui sont les quantas dnergie lumineuse. Pour un rayonnement de frquence chaque photon possde alors une nergie Eph donne par :

et une quantit de mouvement :

o est le vecteur unitaire de la direction de propagation.

uc

Ep ph rr =

ur

ur

Optique quantique

Optique lectromagntique

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III Conclusion

Il convient de choisir le bon niveau de description restant le plus simple possible et permettant de rendre compte de tous les phnomnes physiques. Aussi le modle de loptique gomtrique convient parfaitement ltude de la plupart des instruments doptique courants.

Les 4 principaux modles de loptique

Chapitre 1 Notions de base et dfinitions

Optique physique

Optique gomtrique

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Chapitre 1 Complments : vitesse de groupe

Milieu artificiel absorbant Vg>c :

Vg c

- Dans les milieux parfaitement transparents : Vg=V < c

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