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Tp n°5 d’optique (cours) : Collimateurs, oculaires, lunettes et viseurs.

Approche du matériel . Etudier l'ensemble des éléments nouveaux sur la paillasse. Distinguer les instruments de type lunette , oculaire ou viseur derrière lesquels on regarde à l’œil, ou de type collimateur qui sert à former un objet à l'infini.

I Les instruments simples : collimateurs et oculaires

1) Collimateur Lorsqu'on a besoin d'une source " à l'infini " , on peut mettre l'objet éclairé dans le plan focal objet d'une lentille convergente, par la méthode d'auto-collimation par exemple. Si l'objet est de très petite dimension , on obtient un faisceau de lumière parallèle. On peut aussi utiliser un collimateur qui simule un objet à l’infini : Le collimateur est constitué d'un objet ( réticule (croix) sur verre dépoli , fente... ) et d'une lentille convergente montés ensemble.Le réticule est éclairé par une source qui peut être intérieure ou extérieure au collimateur. Lorsque le réticule est dans le plan focal objet de cette lentille, le collimateur est réglé sur l'infini. Réglage du collimateur. On réglera le collimateur placé sur banc d'optique avec une source puissante. Régler le tirage du collimateur de façon à voir nettement le réticule du collimateur net à l’infini. Remarque : Souvent, le constructeur fait en sorte que, en poussant à fond le tube porte-objet dans le tube porte-lentille, on obtienne la position de réglage à l'infini. Le réglage précis s'effectue en observant l'objet à travers une lunette préalablement réglée sur l'infini (voir suite du TP). Réaliser le schéma de principe d'un collimateur.

2) Oculaire Un oculaire , lentille mince ou le plus souvent doublet de lentilles , permet de voir « à la loupe » une image intermédiaire. Exemples : figure de diffraction, lunette Réglage d’un oculaire Il s’agit , simplement , de régler la distance image intermédiaire – oculaire pour que l’image finale soit rejetée à l’infini pour un œil normal ou au ponctum remotum pour un œil non parfait. Ce réglage dépend de l’œil . En utilisant , l’oculaire d’une lunette , vérifier que celui-ci joue le rôle de loupe et évaluer approximativement sa focale. Les oculaires micrométriques possèdent dans leur plan objet des graduations dont le but est de mesurer l’image intermédiaire. Régler un tel oculaire. (Il s’agit de régler le tirage pour observer nettement les graduations.) Evaluer , alors , la taille des caractères de cet énoncé.

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II Instruments composés : lunettes

1) Principe

Schéma de principe d'une lunette

Les lunettes sont toutes constituées des éléments suivants : un objectif ( lentille mince convergente ) qui donne de l'objet observé ou pointé une image intermédiaire ; un oculaire ( lentille mince très convergente ou mieux doublet convergent ) qui permet l'observation " à la loupe" de cette image intermédiaire, placée dans le plan focal objet de l'oculaire, pour un oeil normal; un réticule ( généralement un ensemble de deux fils à angle droit ) qui est souvent placé dans le plan focal objet de l'oculaire ( pour un oeil normal ).

Réglage d’une lunette

Le réticule est solidaire du tube T2 qui coulisse dans

le tube T1 portant l'objectif. L'oculaire est solidaire du tube T3 qui coulisse dans le tube T2 . Repérer ces éléments sur la lunette fournie. (Démonter éventuellement ).

Une lunette est correctement réglée si l'image intermédiaire de l'objet et le réticule sont vus simultanément et nettement par l’œil sans fatigue. Pour cela on règle d'abord l'oculaire puis l'objectif.

Réglage de l'oculaire: Cette mise au point dépend de l'observateur. Tourner la lunette vers un fond lumineux. Faire coulisser T3 dans T2 jusqu'à voir nettement et sans fatigue le réticule : éloigner pour cela T3 du réticule jusqu'à la limite où l'image est encore nette.

Réglage de l'objectif. Il faut voir nets simultanément l'image intermédiaire et le réticule. Cette mise au point est indépendante de l'observateur. L’accommodation de l’œil peut fausser la condition de netteté, à cause de l'erreur de parallaxe: si le réglage est correct, l'image intermédiaire et le réticule ne se déplacent pas l'un par rapport à l'autre lorsqu'on déplace latéralement l’œil devant l'oculaire.

2 – La lunette de visée à l’infini ou lunette afocale Généralités.

• La lunette de visée à l'infini permet de voir nets des objets à l'infini. • Où se trouve l'image intermédiaire donnée par l'objectif ? • Si le réticule est vu net par l’œil, où se trouve-t-il ? On envisagera le cas d'un œil normal puis celui d'un œil myope. • Le réticule et l'objet à l'infini doivent être vus nettement par l’œil . Quelles sont, alors, les deux contraintes sur la

position du plan du réticule pour un œil normal ? Représenter sur un schéma de principe le trajet d’un rayon incident parallèle à l’axe optique.

objectif oculaire plan du réticule

objectif réticule

oculaire

T1 T2 T3

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La lunette simple. Pour régler une lunette simple, on vise un objet très éloigné à travers une fenêtre ( objet à l'infini ). On fera coulisser T2 dans T1 jusqu'à ce que le réticule et l'image soient vus simultanément nets. Pour avoir un bon réglage , il faut utiliser un objet le plus éloigné possible. Régler votre lunette simple.

• Modélisation.

Modéliser sur le banc d’optique le fonctionnement d’une lunette astronomique. L’objet à l’infini sera réalisé avec le collimateur, l’objectif par une lentille de focale 20 et l’oculaire une lentille de focale 5 cm.

(la vision de l’image à l’infini se fera en plaçant l’écran suffisamment loin ou bien en modélisant un œil au repos fictif). On représentera le montage.

Quel est le grossissement angulaire théorique ?

La lunette autocollimatrice.

La seule différence entre une lunette simple et une lunette autocollimatrice est que la seconde possède un élément supplémentaire qui va permettre de régler parfaitement l'objectif (objet à l'infini). a) Schéma de principe

La lunette est toujours constituée d'un objectif, d'un oculaire et d'un réticule, mais en plus il existe une lame semi-réfléchissante. Elle permet d'éclairer si nécessaire, le réticule à l'aide d'une source auxiliaire, sans empêcher le passage de la lumière directe.

Réglage d'une lunette autocollimatrice

Réglage de l'oculaire: cf. lunette simple.

Réglage de l'objectif: Pour une lunette auto-collimatrice , il se règle par auto-collimation c-à-d par réflexion sur un miroir plan ou un dioptre plan (face d'un prisme par exemple ). - Placer la lunette sur le banc d’optique. - Placer et allumer le dispositif d'éclairage de la lunette. Placer la surface réfléchissante parfaitement plane M sur le banc et effectuer le réglage de l’objectif de façon à observer dans la lunette l’image R’ du réticule par le miroir. Remarque: R' peut être délicat à observer pour des raisons d'éclairage du réticule. On doit voir le réticule dans une plage circulaire (éventuellement tronquée), uniformément éclairée (une sorte de lune). Si on voit une tache lumineuse irrégulière ou au contraire une petite lumière, c'est que l'ampoule d'éclairage du réticule est mal positionnée. La déplacer de manière à faire une observation correcte. Faire coulisser T2 dans T1 jusqu'à voir nets le réticule R et son image R' par le système, sans erreur de parallaxe. Montrer alors que le réticule est dans le plan focal de l'objectif. Remarque :le réglage est indépendant de la position et de l'orientation du miroir. Régler avec soin la lunette auto collimatrice

objectif réticule

oculaire

T1

éclairage du réticule

lame semi-ré -fléchissante

surface réfléchissante

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3– La lunette de visée à distance finie ou viseur à frontale fixe

Un viseur est une lunette donnant une image nette d'un objet à distance finie. Il est aussi appelé lunette à frontale fixe, car la distance entre l'objet, vu net à travers l'oculaire, et la lunette est constante. La différence vient du fait que les distances focales des lentilles de l'objectif permettent la visée, par l’œil, d'objets situés à des distances plus ou moins petites.

Un viseur à frontale fixe permet de réaliser des pointés longitudinaux : il s'agit de mesurer des distances entre différents objets suivant un axe optique. On vise A1, on note X1 ,on vise A2, on note X2 et A1A2 = X2-X1 . Remarque : il n'est pas nécessaire, en général, de connaître la valeur de la distance lunette-objet. (d) La visée à frontale fixe a deux avantages dans le repérage d'objets sur l'axe d'un banc d'optique par rapport à la projection sur un écran : - d'une part elle permet de pointer des objets virtuels. - d'autre part le pointage ( pour des lunettes de bonne qualité ayant une faible profondeur de champ )est très sensible, alors que l'impression de netteté sur un écran se fait sur une plage plus grande. Un viseur à frontale fixe muni d'un oculaire micrométrique ( réticule remplacé par un micromètre ) permet de faire des mesures de grandissement transversale d'objets . Réglage d’un viseur Schéma de principe: voir lunette simple Réglage de l'oculaire: voir lunette simple. Réglage de l'objectif sur le banc: régler le tirage du tube T1 par rapport au tube T2 de façon à voir nettement un objet donné toujours sans erreur de parallaxe. Estimer la distance de visée d et la distance entre les repères sur le banc de l’objet et du viseur.

Propriété fondamentale du viseur: tous les objets situés à la distance de visée d seront vus nettement

Le viseur peut être muni de différentes bagues (objectifs), chacune correspondant à une distance de visée . Utilisation d'un viseur. a) Pointé longitudinal d'une image réelle: (On choisira OA proche de –25cm)

Viser la lentille de focale ≈ 10 cm (traces ou poussières sur le verre).(ne plus la bouger par la suite!) Noter la position du viseur. Viser l'image A'. Noter la position du viseur. Enlever la lentille. Viser l'objet. Noter la position du viseur. En déduire OA et OA' et la distance focale de la lentille

b) Pointé longitudinal d'une image virtuelle donnée par une lentille divergente (f’=-10cm).(Mêmes manipulations que la question précédente, on fera attention à placer la lentille assez près de l'ojet). c) En utilisant le collimateur et le viseur, évaluer rapidement et avec précision la focale d'une lentille divergente. ( Détermination d'un grandissement à l'aide d'un viseur à oculaire micrométrique. Prendre l'oculaire micrométrique , le monter sur un viseur de distance de visée de quelques centimètres. Comment mesurer un grandissement?)

A lentille

viO

viseur viseur

d d