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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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Rayons, ondes et photons
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6. Exemples de systèmes optiques corrigés
Les exemples suivants ont été choisis non pour leurs performances, mais parce qu’ils illustrent des approches innovantes, et qu’ils sont assez simples pour expliquer certains processus de conception.
6.1 Optiques à focales fixes
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Triplet de Cooke
Le triplet de Cooke (figure 49) est le plus simple des objectifs avec correction de toutes ses aberrations de Seidel. Le composant central, divergent, doit être très dispersif pour compenser la dispersion de l’ensemble des éléments convergents, et annuler l’aberration chromatique longitudinale. Si la conjugaison correspond à un grandissement unitaire, la symétrie élimine l’aberration chromatique transversale, la coma et la distorsion. On montre qu’un léger écart à cette symétrie permet encore d’éliminer ces aberrations même si l’un des conjugués est à l’infini, tandis que le choix des puissances et des indices de réfraction permet d’obtenir un champ plan (petzvalien nul). En pratique, cet objectif représente la limite ultime des possibilités en conception analytique, l’optimisation automatique devant être envisagée pour des combinaisons plus complexes. L’influence des aberrations d’ordres supérieurs limite l’ouverture à environ f /3,5. De nombreux objectifs photographiques sont dérivés du triplet de Cooke, l’un ou l’autre des éléments pouvant être décomposé en plusieurs sous-ensembles pour augmenter le nombre de paramètres indépendants.
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Objectif de Petzval
L’objectif de Petzval (figure 50) est l’un des plus utilisés dans l’infrarouge, chaque fois que l’on recherche la limite de diffraction sur une grande ouverture et un champ assez important. Dans la bande 8-12 µm, on peut utiliser deux éléments asphériques, alors que dans la bande 3-5 µm, on utilise des doublets en silicium/germanium pour corriger le chromatisme. Récemment sont apparus des objectifs à base de deux éléments hybrides (réfractifs-diffractifs) en silicium (cette approche est discutée dans l’article Réflexion. Réfraction. Diffraction du présent traité). L’astigmatisme provenant du groupe de tête est partiellement compensé par le second groupe grâce à une translation de pupille. On laisse un peu d’astigmatisme résiduel...
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