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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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Aberrations des systèmes optiques
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4. Lentilles épaisses
En pratique, les lentilles doivent être suffisamment rigides (et donc épaisses) pour être réalisables. L’épaisseur reste fréquemment petite vis-à-vis de la focale, et il se peut que les formules des lentilles minces soient suffisamment précises pour le besoin. Il est en effet courant d’utiliser l’approximation des lentilles minces quand on introduit une configuration de départ dans un calcul d’optimisation, les épaisseurs correctes n’étant attribuées aux différents composants que pendant l’optimisation. Parfois, on pourra jouer sur l’épaisseur d’un composant pour corriger une aberration, mais en général, les épaisseurs choisies sont aussi faibles que possible (tout en étant compatibles avec une réalisation convenable) pour conduire à des systèmes légers et réduire le coût des verres. En règle générale, on prend pour l’épaisseur d’un composant environ le sixième de son diamètre, mais on peut descendre jusqu’au dixième.
4.1 Plans principaux
Le cheminement des rayons dans une lentille épaisse apparaît sur la figure 21. On montre que les formules des lentilles minces sont encore valables, à condition que les valeurs de p et de p ’ soient mesurées non plus à partir de la surface de la lentille, qui n’est pas définie, mais à partir de deux plans, appelés plans principaux, objet et image, de la lentille (dans le cas de lentilles réelles, ce ne sont pas des plans, mais des surfaces courbes). Si l’on considère un rayon parallèle à l’axe entrant dans la lentille depuis la gauche, et si l’on prolonge le rayon réfracté jusqu’à son intersection avec le rayon incident, le plan perpendiculaire à l’axe contenant ce point d’intersection P ’ est appelé le plan principal image ; une lentille mince placée en cet endroit donnerait, de ce rayon incident, le même rayon réfracté.
La distance focale image f ’ d’une lentille épaisse est la position du foyer image par rapport au plan principal image, puisque l’image d’un faisceau incident collimaté faisant un angle θ avec l’axe se trouve à la distance f ’θ de l’axe. La relation entre l’angle d’un rayon incident avec l’axe dans l’espace objet et la dimension de l’image est celle que l’on obtiendrait avec une lentille mince de focale f ’...
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