L’optique, prise dans son sens large, s’intéresse aux phénomènes perçus par un récepteur, comme l’œil ou une caméra, grâce à la lumière. Si l’on néglige les phénomènes de diffraction et d’interférences propres à la nature de la lumière, on se place dans le cadre de l’optique géométrique.
UNE HISTOIRE DE LUMIÈRE
L’optique, considérée dans son acceptation la plus large, est la science qui étudie les phénomènes perçus par un récepteur grâce à la lumière. Cette dernière est émise par la matière, puis absorbée par un récepteur, que ce soit l’œil, une pellicule photographique ou une caméra. Au sein de l’optique, on distingue deux grands domaines : l’optique géométrique et l’optique physique. Nous savons aujourd’hui que la description de la lumière, qui peut s’interpréter comme des « grains de lumière », les photons, ou comme des ondes électromagnétiques, nécessite d’avoir recours à la théorie de la mécanique quantique. Mais, dans le cas où la lumière ne rencontre pas d’obstacles de petite taille, on peut négliger les phénomènes de diffraction et d’interférences et étudier la trajectoire des rayons lumineux et la formation d’images par des instruments d’optique. C’est l’objet de l’optique géométrique. L’optique physique, de son côté, s’intéressera aux phénomènes de diffraction et d’interférences.
CARACTÉRISTIQUES DES MILIEUX
Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse constante et indépassable, la vitesse de la lumière, notée c. Dans un milieu matériel quelconque, la lumière se déplace moins vite que dans le vide. On peut alors définir ce que l’on appelle l’indice de réfraction du milieu en question, n, obtenu en divisant la vitesse de la lumière dans le vide par la vitesse de la lumière dans le milieu considéré. On note immédiatement que n est toujours strictement plus grand que 1. Ainsi, l’air possède un indice de réfraction de l’ordre de 1,000293 (assimilé à 1) et l’indice de réfraction de l’eau est de 1,33. La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu matériel dépend des propriétés microscopiques du milieu et de la longueur d’onde, autrement dit la couleur, de la lumière. Lorsque les caractéristiques des milieux traversés varient peu à l’échelle de la longueur d’onde, on peut alors négliger les effets de diffraction et d’interférences et se placer dans le cadre de l’optique géo-métrique.
PRINCIPES DE FERMAT ET DU RETOUR INVERSE
En optique géométrique, qui peut être considérée comme une approximation de la nature ondulatoire de la lumière, les propriétés de la géométrie euclidienne peuvent alors s’appliquer. On dira qu’un milieu matériel est homogène s’il a la même composition en tous ses points, et isotrope si ses propriétés sont les mêmes dans toutes les directions. On a alors la propriété suivante : dans un milieu homogène et isotrope, la lumière se propage en ligne droite, c’est-à-dire que les rayons lumineux sont des droites. Cette propriété est une conséquence du principe de Fermât (1657) qui affirme que la lumière suit le trajet le plus court en temps. Les lois de l’optique géométrique s’appuient également sur un autre principe, celui du retour inverse de la lumière. Il affirme que le trajet suivi par la lumière entre deux points situés sur un même rayon lumineux est indépendant du sens de propagation de la lumière entre ces deux points. Ces deux principes sont les fondements de l’optique géométrique.
LOIS DE SNELL-DESCARTES
On s’intéresse ici au comportement des rayons lumineux à l’interface, appelée dioptre, entre deux milieux homogènes et isotropes d’indices différents. Le rayon incident est le rayon lumineux se propageant dans le premier milieu. Lorsqu’il arrive sur le dioptre, deux nouveaux rayons sont créés. L’un se propage dans le même milieu, c’est le rayon réfléchi et l’autre se propage dans le second milieu, c’est le rayon réfracté. Les rayons incident, réfléchi et réfracté, sont alors contenus dans un plan normal à la surface de séparation des deux milieux homogènes et isotropes. Ce plan est appelé plan d’incidence. Les lois de Snell-Descartes affirment d’une part que l’angle que fait le rayon incident avec la normale est égal à celui que fait le rayon réfléchi avec la normale et d’autre part, fournit une manière de calculer l’angle que fait le rayon réfracté avec la normale à l’aide de celui que fait le rayon incident avec la normale et des deux indices de réfraction des milieux considérés. L’optique, prise dans son sens large, s’intéresse aux phénomènes perçus par un récepteur, comme l’œil ou une caméra, grâce à la lumière. Si l’on néglige les phénomènes de diffraction et d’interférences propres à la nature de la lumière, on se place dans le cadre de l’optique géométrique.
LES LENTILLES
Un des grands objets d’étude de l’optique géométrique est la lentille. On définit une lentille comme un milieu homogène, isotrope et transparent, dont au moins l’une des faces n’est pas plane. Une lentille est mince si son épaisseur est faible comparée au rayon de courbure de ses faces. On distingue deux grands types de lentilles, les lentilles convergentes et les lentilles divergentes. Les lentilles convergentes transforment un faisceau de rayons parallèles en un faisceau qui converge vers un point en aval de la lentille, alors qu’une lentille divergente le transforme en un faisceau qui converge vers un point en amont de la lentille. Les lois de l’optique géométrique permettent de construire l’image d’un objet pour les différents types de lentilles. Pour cela, on définira les distances focales, objet et image, ainsi que le plan focal, image et objet. L’optique géométrique permet également d’étudier les aberrations, dues au fait que les images ne sont pas des points mais des taches.
EN RÉSUMÉ
L’optique est l’étude du comportement des phénomènes perçus par un récepteur grâce à la lumière. Lorsque l’on néglige les phénomènes de diffraction et d’interférences propres à la lumière, on se place dans le cadre de l’optique géométrique. Les règles de base de la géométrie euclidienne peuvent alors être utilisées. On obtient ainsi les lois de Snell-Descartes, qui fournissent des relations entre rayons incident, réfléchi et réfracté à l’interface de deux milieux et des méthodes de construction d’images pour différents types de lentilles.
