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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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Lentilles épaisses
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3. Lentilles minces
Considérons une lentille ou un miroir, d’épaisseur négligeable par rapport à leur focale (ou à toute autre de leurs dimensions), et éclairés par des rayons suffisamment peu inclinés avec l’axe pour que les sinus des angles correspondants puissent être approximés par les valeurs des angles eux-mêmes. Ces conditions définissent ce qu’il est convenu d’appeler l’approximation de Gauss, qui permet de déduire de nombreuses propriétés des systèmes minces.
3.1 Focale et puissance d’une lentille mince
Supposons, comme cela est souvent le cas, que la lentille baigne dans l’air (ou le vide). Si les hauteurs et angles d’incidence des rayons sont faibles, on peut considérer une lentille mince comme un composant plan qui dévie un rayon incident d’un angle proportionnel à la hauteur de son point d’impact par rapport à l’axe (droite joignant les centres de courbure des deux surfaces) : si l’angle que fait un rayon avec l’axe du système est u avant réfraction et u ’ après réfraction, on a donc, avec les conventions de signes définies au paragraphe 3.2 :
où h est la hauteur du point d’impact par rapport à l’axe et P la puissance de la lentille, égale à 1/f ’, si f ’ est la distance focale image. Si les angles sont petits, la loi de Snell-Descartes peut s’approximer par r = (n 1 /n 2) i et, dans le cas d’une surface sphérique de rayon de courbure R, l’angle entre la normale à la surface et l’axe est simplement h /R. À partir de ces approximations, on peut démontrer que la focale d’une lentille mince d’indice de réfraction n est donnée par :
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