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Michel HENRY : Agrégé de Physique - Docteur ès Sciences - Maître de conférences à l’Université Pierre-et-Marie-Curie
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S’il est vrai que l’astronomie est la plus ancienne des sciences, alors l’optique a fourni les premiers de tous les instruments de mesure : gnomons, astrolabes, quadrants et autres appareils permettant de repérer les positions des étoiles sont les ancêtres d’une longue lignée d’appareils, dont le champ d’action s’est progressivement élargi à la quasi-totalité des activités humaines.
Nous verrons plus en détail, dans les paragraphes suivants, le rôle joué par la métrologie optique tant en recherche que dans l’industrie, mais nous rappelons, dès à présent, en quelques exemples l’influence exercée par l’optique sur le développement de nos connaissances, ainsi que les liens étroits qu’elle a toujours entretenus avec les autres sciences.
À tout seigneur tout honneur : l’étude de la lumière nous provenant des astres a longtemps constitué notre seule source de renseignements, tant sur leur mouvement que sur leur constitution. De ces premières observations découlent directement nos premières mesures du temps et, en particulier, nos calendriers. De nos jours encore, nos théories cosmogoniques évoluent au rythme des observations optiques, puisque l’exploration par l’homme – ou ses robots – ne dépasse pas les astres les plus proches de la Terre. C’est encore à l’optique que nous devrons, si la nouvelle est confirmée, la découverte de la première planète d’un système extra-solaire.
Dans un domaine voisin, c’est l’étude de la lumière qui a ouvert la porte aux deux théories majeures de la physique : relativité et mécanique quantique.
L’échec de toutes les tentatives de mise en évidence des variations de vitesse de la lumière liées au mouvement de la Terre a conduit Lorentz, Poincaré, puis Einstein à donner une nouvelle expression du vieux principe de relativité formulé par Galilée.
La notion de quantum, introduite à son corps défendant par Planck pour expliquer comment est répartie l’énergie dans le spectre de la lumière émise par un corps incandescent, se révèle grosse de toutes nos conceptions actuelles sur la structure et le comportement de la matière.
Devons-nous aussi rappeler l’apport décisif fourni par la mise au point du microscope – contemporain de la lunette astronomique – à la révolution scientifique du XVII e siècle ? Les observations de Leuwenhoek et de Boyle révèlent l’existence d’« animalcules » inconnus parce qu’invisibles à l’œil nu. Elles ouvrent la porte à l’immense domaine de la biologie et des sciences de la Terre. Pendant près de quatre siècles, biologistes, médecins mais aussi géologues et métallurgistes n’auront pas d’autre aide pour améliorer leur connaissance de l’infiniment petit. Par un curieux retour des choses, la recherche de performances toujours plus élaborées va affiner nos idées sur l’un des concepts fondamentaux de l’optique, la formation des images, et conduire ainsi aux théories les plus récentes comme l’optique de Fourier, mère de l’holographie, du vidéodisque et, plus récemment, de l’infinie variété des CD ROM. Sans l’optique, pourrions-nous ouvrir les « autoroutes de l’information » et y circuler aussi aisément ?
Parallèlement, les progrès des connaissances sur la structure de la matière condensée, progrès auxquels l’optique a largement contribué, ont été la source de nouvelles techniques et de nouvelles applications. La montée en puissance des lasers a permis de dépasser l’historique modèle linéaire et d’explorer les interactions non linéaires entre lumière et matière. Leur application la plus immédiate et la plus répandue est la multiplication de fréquence (doublement, triplement), mais les modulateurs acousto-optiques et électro-optiques s’introduisent dans un nombre croissant des appareils que nous jugeons indispensables à notre vie quotidienne.
À l’heure actuelle, la quasi-totalité des expériences d’optique exigent encore un montage complexe, réalisé sur un support antivibrations et maîtrisé par plusieurs spécialistes. Suivant la voie tracée par l’électronique, l’optique a abordé avec succès la miniaturisation et l’intégration de ses fonctions de base : émission, modulation et détection de la lumière. S’il est vrai que l’optique intégrée marque encore le pas, la raison en est plus économique que technique, encore qu’une évolution contraire se dessine nettement depuis peu.
Nous n’aurons garde d’oublier les fibres optiques, permettant de transporter pratiquement sans pertes, éventuellement avec l’appui de l’optique non linéaire, aussi bien des informations sur des milliers de kilomètres que des kilowatts sur quelques mètres, dans la construction mécanique par exemple.
Bien entendu, en optique comme ailleurs, l’ordinateur est devenu l’indispensable Maître Jacques, tant du chercheur que de l’industriel. C’est lui qui gère les expérimentations et en analyse les résultats, c’est lui encore qui pilote le robot soudeur grâce auquel votre prochaine voiture sera plus fiable.
Aux côtés du chercheur ou de l’ingénieur, l’artiste, l’artisan même, font appel à l’optique : la propagation rectiligne de la lumière apporte la même aide au menuisier qui vérifie d’un coup d’œil la justesse de son coup de rabot, à l’arpenteur qui aligne ses jalons et à l’apprenti dessinateur qui estime à l’aide de son pouce les proportions de son sujet.
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1. Caractéristiques de la métrologie optique
Au même titre que les autres parties de l’optique, la métrologie se sert des divers modèles mis au point pour rendre compte du comportement de la lumière, aussi allons-nous en rappeler, en quelques mots, les caractéristiques essentielles.
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Le modèle du rayon lumineux pose que la lumière se propage le long de lignes, au sens mathématique du terme : les rayons lumineux. Ces lignes sont des droites ou, très exceptionnellement, des courbes. Nous lui rattacherons les alignements, les mesures d’angles et de distances par triangulation, comme celles de Delambre et Méchain qui, au plus fort de la tourmente révolutionnaire, ont permis d’établir le nouvel étalon de longueur, le mètre.
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Plus élaboré, le modèle ondulatoire figure la lumière comme une onde, variation périodique d’un « vecteur lumineux » ou « vecteur de Fresnel », perpendiculaire à la direction de propagation. Dans sa formulation la plus simple (approximation scalaire de Fresnel et Kirchhoff), il permet d’interpréter les mesures interférométriques, les plus précises que nous sachions réaliser, et montre dans quelle mesure la diffraction restreint l’exactitude des mesures. La prise en compte, enfin, de son caractère vectoriel justifie les méthodes basées sur la mesure des variations de l’état de polarisation de la lumière.
Nous classons un peu à part un ensemble de méthodes utilisant la vitesse de propagation de la lumière et dont l’essor récent est lié aux progrès des dispositifs de mesure du temps. Cet ensemble regroupe les diverses mesures de télémétrie, y compris le lidar, équivalent lumineux du radar.
Les deux modèles permettent, à des niveaux d’exactitude différents, d’interpréter la formation d’images, utilisées par exemple pour les mesures de distances par pointés longitudinaux ainsi, bien entendu, que dans tous les instruments d’optique stricto sensu , tels les dispositifs de lecture. Une aide inappréciable aux mesures est apportée par les procédés de filtrage, optique ou plus communément numérique. Éliminant les informations superflues, ils permettent de mettre en relief les résultats importants, comme en témoignent les splendides images obtenues à partir des messages reçus des sondes spatiales ou des satellites d’observation terrestres.
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À côté des dispositifs utilisant...
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ANNEXES
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HAUT DE PAGE
Dans les Techniques de l’Ingénieur :
HENRY (M.) - Optique géométrique. - A 190, traité Sciences fondamentales, août 1981.
HENRY (M.) - Optique ondulatoire : interférences, diffraction, polarisation. - A 191, traité Sciences fondamentales, nov. 1982.
HENRY (M.) - Optique quantitative : photométrie, colorimétrie, spectrométrie. - A 192, traité Sciences fondamentales, fév. 1982.
GIACOBINO (E.) - Optique des milieux matériels. - A 1 080, traité Sciences fondamentales, mai 1993.
GIACOBINO (E.) - Optique cohérente : traitement optique de l’information. - A 1 085, traité Sciences fondamentales, fév. 1994.
KASSER (M.) - Topographie, Topométrie. Géodésie. - C 5 010, traité Construction, août 1993.
VÉRET (C.) - Projecteurs de profil. - R 1 265, traité Mesures et Contrôle, janv. 1991.
BLAUSTEIN (M.) - Photogrammétrie industrielle. - R 1 380, traité Mesures et Contrôle, juil. 1987.
VÉRET (C.) - Réfractométrie. - R 6 300, traité Mesures et Contrôle, janv. 1995.
ROBLIN (G.) - Microscopie. - R 6 710, traité Mesures et Contrôle, déc. 1998.
LIPINSKI (G.) - Mesures dimensionnelles par interférométrie laser. - R 1 320, traité Mesures et Contrôle, juil 1995.
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