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Auteur(s)
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Herbert RUNCIMAN : Order of the British Empire (OBE) - Bachelor of Science (BSc Physics) - Electro-optic Systems Pilkington Optronics (Glasgow)
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avec la participation de Jean-Louis MEYZONNETTE Professeur à l’École Supérieure d’Optique pour l’adaptation et la traduction en langue française
Bien qu’il existe des systèmes optroniques limités au seul détecteur, on a généralement intérêt, même pour les applications les plus simples, à intercaler un système optique entre la source et le détecteur. L’optique peut servir à collimater l’émission d’une petite source pour en faire une torche, à focaliser l’image d’une cible sur un détecteur, à transférer efficacement l’énergie d’une source sur un détecteur ou, dans de nombreux cas, à produire l’imagerie fine d’une scène sur plusieurs millions d’éléments de résolution. Dans certains systèmes, en particulier dans l’infrarouge, il est nécessaire d’effectuer un balayage de l’image sur le détecteur. Dans de nombreux systèmes optroniques qui opèrent sous fort éclairage ambiant ou en présence de sources parasites, l’optique apporte une discrimination spatiale ou spectrale entre signaux utiles et parasites. L’optique peut encore s’utiliser en traitement de signal ou d’image, par exemple pour des transformations de Fourier à deux dimensions.
Il existe de nombreuses approches pour réaliser des systèmes optiques. Parce que les coûts non récurrents sont très élevés en optique, il faut se demander en premier lieu s’il n’est pas possible de remplir la fonction désirée par un système déjà existant et disponible sur le marché. Par exemple, si l’on a besoin d’un zoom pour une caméra munie d’un dispositif à transfert de charge [DTC ou CCD (Charge Coupled Device)], il est souvent préférable d’utiliser une optique existante, même si elle ne remplit pas exactement les spécifications. Il ne devient avantageux financièrement de concevoir entièrement un système optique que si l’on doit en réaliser un grand nombre d’exemplaires identiques et, dans ce cas, il vaut mieux passer par les services d’un concepteur ou d’une équipe de concepteurs optiques professionnels. Si l’on ne trouve pas le système adéquat, l’autre solution est d’assembler des composants en stock, en particulier si l’on désire mettre sur pied un montage expérimental, rapidement et à peu de frais, à partir de composants qui peuvent être disponibles dans une université ou dans une école d’ingénieurs. Cette procédure n’est pas toujours optimale, car elle échappe aux méthodes conventionnelles d’optimisation.
La conception d’un système optique repose tout d’abord sur les lois de l’optique géométrique, branche de l’optique consacrée à la propagation et au cheminement des rayons, en dehors des aspects ondulatoires de la lumière. Comme il est impossible de négliger ces derniers si l’on veut évaluer correctement les performances de systèmes optroniques, ces aspects seront aussi abordés.
On considérera tout d’abord des composants idéaux, tels que les lentilles minces, utilisés avec des diamètres de faisceaux et des angles d’incidence de rayons suffisamment faibles (conditions de Gauss) pour que les défauts optiques, ou aberrations, puissent être négligés. Cela est rarement le cas dans la pratique, mais les procédures et les figures présentées ici sont destinées à illustrer des principes plutôt qu’à représenter des systèmes réels. On décrit ensuite les aberrations avec leurs méthodes de correction, puis on termine par quelques exemples de systèmes optiques couramment utilisés.
Une excellente présentation de l’optique par Michel Henry, basée sur le principe de Fermat, a été publiée dans les articles Optique du traité Sciences fondamentales, mais l’approche utilisée ici est quelque peu différente.
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Exemples de systèmes optiques corrigés
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5. Aberrations des systèmes optiques
Le paragraphe précédent a présenté les performances d’optiques idéales, limitées par la diffraction, et dans l’approximation de Gauss qui permet de positionner images et pupilles. Dans la pratique, il n’est pas toujours nécessaire, ni surtout possible (tout au moins à des coûts raisonnables), d’accéder à la limite due à la diffraction.
Une lentille parfaite engendre une onde sphérique ou plane en réponse à une source ponctuelle. Les aberrations d’un système caractérisent les défauts de l’onde réelle en sortie par rapport à une sphère ou à un plan parfait. Cette méthode d’évaluation est très utile car elle prend en compte les effets de la diffraction, et permet de calculer la distribution exacte de l’éclairement dans un plan de mise au point, ou ailleurs.
De plus, les aberrations peuvent s’exprimer par le décalage des rayons réels par rapport à leurs positions ou directions idéales. Cette approche ne tient pas compte de la diffraction, le seul effet dû à la longueur d’onde étant la variation des indices de réfraction, mais elle demeure la technique de choix en phase initiale de la conception, et ceci pour un certain nombre de raisons : tout d’abord, ses calculs sont beaucoup plus simples que ceux qui sont basés sur les surfaces d’onde, et on peut l’utiliser même en présence de très fortes aberrations ; ensuite, ses résultats sont très liés à l’apparence de l’image d’un point source et, enfin, les différents types d’aberrations donnent lieu à des formes de « taches images » très facilement identifiables.
5.1 Aberrations géométriques ou de Seidel
Dans l’optique de Gauss, on utilise les approximations suivantes :
une surface sphérique est remplacée par son plan tangent sur l’axe, et la déviation d’un rayon est proportionnelle à sa hauteur par rapport à l’axe.
Lorsque les angles deviennent plus importants, on écrit :
et une surface sphérique n’est...
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