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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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Performance des systèmes optiques limités par la diffraction
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1. Rayons, ondes et photons
Il est connu depuis longtemps que la lumière se propage en ligne droite : les rayons lumineux qui percent au travers de nuages ou de feuillages dans une atmosphère poussiéreuse en sont une preuve éclatante, en donnant l’impression d’un éventail de rayons issus du soleil. Les théories particulaires et ondulatoires de la lumière sont restées les seules en compétition pendant de nombreuses années (Newton étant le champion de la première et Huygens celui de la seconde), et il a fallu attendre la théorie quantique, au vingtième siècle, pour les concilier, bien qu’il reste encore quelques difficultés de compréhension.
L’outil essentiel à la conception optique demeure encore la vieille et empirique théorie des rayons lumineux (réflexion, réfraction) mais, pour bien comprendre les phénomènes fondamentaux en formation des images, il est indispensable de faire intervenir les aspects ondulatoires de la lumière (diffraction, interférences), pour prendre en compte les limitations qu’ils imposent aux systèmes optiques.
Si l’on considère une source de lumière quasi ponctuelle, la phase de la perturbation au niveau de cette source est identique dans toutes les directions d’émission, et les surfaces sur lesquelles cette phase est identique, ou surfaces d’onde, prennent la forme de sphères concentriques, centrées sur la source, séparées l’une de l’autre d’une distance égale à la longueur d’onde et s’éloignant de la source à la vitesse de la lumière (c » 3 · 108 m · s–1 dans le vide). Si une source ponctuelle est théoriquement un point d’où émanent des surfaces d’onde sphériques, en pratique, on peut considérer qu’une source est ponctuelle pour un système optique donné, si la portion de surface d’onde émise par la source et interceptée par le système ne se distingue pas d’une portion de sphère. Si la source n’est plus réellement ponctuelle, la surface d’onde n’est plus une vraie sphère, mais apparaît comme telle si la portion de surface d’onde captée par l’optique est suffisamment petite. On peut donc voir qualitativement que plus une optique est petite, plus la source peut être grosse, tout en continuant à se comporter comme une source ponctuelle pour cette optique. Puisque les surfaces d’onde d’une source ponctuelle sont sphériques et concentriques, toute ligne droite provenant de la source est normale...
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