Cours de physique optique - 2e édition

Jean-Paul Parisot / Patricia Segonds / Sylvie Le Boiteux

Description

1 • La lumière et l’optique géométrique 114. L’OPTIQUE GÉOMÉTRIQUELes différents exemples abordés illustent bien le fait que l’observation d’un phénomènelumineux est possible si l’on dispose d’une source de lumière, d’un milieu dans lequelelle se propage et d’un récepteur qui peut-être un écran, l’œil... Afin d’expliquer les phé-nomènes observés, l’optique propose plusieurs formalismes que nous allons rappeler.4.1. Cadre général de l’optiqueLe mot optique est la transcription du mot grec qui signifie « je vois ». Il nous rappellequ’à l’origine on ne distinguait pas nettement l’étude des sens de la vue de celle de lalumière. Aujourd’hui, c’est l’optique physiologique qui s’occupe des sensations visuelles.Dans cet ouvrage, nous appliquons principalement l’optique à des sources lumineusesdu domaine visible. Cependant, l’optique ne se limite pas seulement aux phénomèneslumineux proprement dits mais englobe aussi les rayonnements invisibles comme l’infra-rouge (IR), l’ultraviolet (UV), les rayons X..., qui obéissent aux mêmes lois. La lumièrepourra donc être éventuellement définie dans un sens plus large que celui de rayonne-ment visible.Historiquement, l’optique couvre trois domaines différents : l’optique géométrique, l’op-tique ondulatoire et l’optique quantique, qui sont apparus en ordre de difficulté crois-sante tant expérimentale que mathématique. Il ne s’agit pas d’outils contradictoires maisde trois visions différentes des mêmes phénomènes ...

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Extrait

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La lumière et l’optique géométrique

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©Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.

4. L’OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE

Les différents exemples abordés illustent bien le fait que l’observation d’un phénomène

lumineux est possible si l’on dispose d’une

source de lumière

, d’un milieu dans lequel

elle se propage et d’un

récepteur

qui peut-être un écran, l’oeil... Afin d’expliquer les phé-

nomènes observés, l’optique propose plusieurs formalismes que nous allons rappeler.

4.1. Cadre général de l’optique

Le mot optique est la transcription du mot grec qui signifie « je vois ». Il nous rappelle

qu’à l’origine on ne distinguait pas nettement l’étude des sens de la vue de celle de la

lumière. Aujourd’hui, c’est l’optique physiologique qui s’occupe des sensations visuelles.

Dans cet ouvrage, nous appliquons principalement l’optique à des sources lumineuses

du domaine visible. Cependant, l’optique ne se limite pas seulement aux phénomènes

lumineux proprement dits mais englobe aussi les rayonnements invisibles comme l’infra-

rouge (IR), l’ultraviolet (UV), les rayons X..., qui obéissent aux mêmes lois. La lumière

pourra donc être éventuellement définie dans un sens plus large que celui de rayonne-

ment visible.

Historiquement, l’optique couvre trois domaines différents : l’optique géométrique, l’op-

tique ondulatoire et l’optique quantique, qui sont apparus en ordre de difficulté crois-

sante tant expérimentale que mathématique. Il ne s’agit pas d’outils contradictoires mais

de trois visions différentes des mêmes phénomènes (tableau 1.3). L’optique géomé-

trique n’est pas autre chose qu’une méthode de calcul simple s’appliquant sous certaines

conditions. Nous verrons qu’elle est construite de manière logique et rigoureuse moyen-

nant quelques principes comme, par exemple, le principe de propagation rectiligne que

nous avons déjà énoncé.

Tableau 1.3

•

Les trois grandes subdivisions de l’optique

Validité

Dimensions du système

Dimensions du système de

Dimensions du système

grandes devant la longueur

l’ordre de la longueur

petites devant la longueur

d’onde qui se propage

d’onde qui se propage

d’onde qui se propage

Préoccupations

Rayon lumineux

Onde lumineuse

Processus atomiques

Réflexion

Vibration électrique

Vibrations

Réfraction

Interférence

électromagnétiques

Dispersion

Diffraction

Champ électrique

Photométrie

Diffusion

et magnétique

Polarisation

Apparition

XVIII

e

siècle

XIX

e

siècle

XX

e

siècle

Optique géométrique

Optique ondulatoire

Optique quantique

Optique

12

4.2. La place de l’optique géométrique et ses préoccupations

L’optique géométrique, développée entre le XII

e

et le XVII

e

siècle, est une approxima-

tion justifiée quand les dimensions du système optique étudié sont grandes devant la lon-

gueur d’onde de la lumière qui s’y propage. Par exemple, elle explique parfaitement

l’arc-en-ciel provoqué par les grosses gouttes de pluie, alors qu’elle est incapable d’expli-

quer les auréoles appelées couronnes qui apparaissent autour de lampadaires plongés

dans le brouillard. Elle ne rend pas compte de phénomènes à une échelle microsco-

pique tels que la diffraction ou les interférences, produits par exemple quand la lumière

passe à travers des orifices réduits, ce qui montre que le principe de propagation recti-

ligne n’est plus vérifié et doit être abandonné ; ces derniers phénomènes s’expliquent

dans le cadre de l’optique ondulatoire.

En fait, l’optique géométrique ignore complètement les phénomènes de composition

des ondes et se borne à additionner les effets des ondes indépendantes ; c’est la raison

pour laquelle la longueur d’onde intervient rarement dans la description de la propaga-

tion, si ce n’est éventuellement à travers l’indice absolu du milieu ou pour distinguer un

rayonnement d’un autre. L’optique géométrique ignore aussi la notion de photons car

l’énergie véhiculée par l’onde n’a pas d’influence sur sa propagation.

L’optique géométrique utilise des

sources

. D’une manière générale, le mot source

désigne tout ce qui envoie de la lumière à travers un dispositif, formé par exemple de

lentilles ou de miroirs ; la distinction classique entre

source primaire

et

source secon-

daire

n’a donc plus d’importance. Par exemple, la Lune et les planètes sont des sources

secondaires dans le sens où elles n’émettent pas directement de la lumière, mais réflé-

chissent la lumière reçue du soleil, dite source primaire. En dépit de cette distinction,

l’optique géométrique s’applique dans les deux cas.

Lorsque les sources sont placées à grande distance (lampadaire, Lune, Soleil ou étoiles),

les rayons sont pratiquement parallèles ; on dit qu’ils forment un faisceau de rayons

parallèles et que le faisceau est cylindrique. D’une manière générale, un faisceau peut

avoir différentes configurations spatiales représentées dans la figure 1.6.

Faisceau

divergent

Faisceau

convergent

Faisceau de

rayons parallèles

Figure 1.6

•

Différentes allures de faisceaux.

En optique géométrique, on simplifie souvent le formalisme en faisant appel à des

sources ponctuelles

ou peu étendues. On les réalise soit avec une source de faible taille,

soit avec une source étendue placée à grande distance. Par exemple, une étoile, de très

grande taille (plusieurs millions de kilomètres de diamètre), a depuis la Terre la taille

d’une flamme de bougie placée à 600 km. D’une manière générale, lorsqu’une source

est étendue, on peut la considérer comme un ensemble de sources ponctuelles.

Expérimentalement, un diaphragme permet d’en isoler une toute petite fraction.

Enfin, jusqu’à présent, nous avons décrit la lumière comme une onde électromagné-

tique, caractérisée par sa fréquence

ν

ou sa longueur d’onde

λ

, sans parler de couleur.

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©Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.

Cependant, notre système visuel distingue avant tout les différentes sources lumineuses

par leur couleur. Par là même, la société actuelle fait souvent appel au codage par la cou-

leur plutôt que par la fréquence ou la longueur d’onde. Notre choix est délibéré. En

effet, l’oeil ne perçoit pas toutes les couleurs avec la même efficacité et sa sensibilité est

généralement maximale pour la couleur jaune (voir chapitre 9). En vision photopique

(de jour), il perçoit de façon à peu près identique le rouge et le bleu, mais il est peu sen-

sible au violet et au rouge extrême et a du mal à en distinguer les différentes nuances.

Enfin, un objet n’apparaît coloré que s’il est éclairé par une source primaire. Ainsi,

éclairé en lumière blanche, un objet paraît rouge parce qu’il réfléchit les radiations

rouges et absorbe les autres. Si l’objet présente des irrégularités de surface, il en résulte

une diffusion non sélective qui adoucit sa couleur. Nous conviendrons à partir de ces

quelques remarques que la notion de couleur est subjective. Elle n’interviendra donc

pratiquement pas dans ce cours d’optique géométrique et on caractérisera tout d’abord

une source par sa fréquence

ν

, ou sa longueur d’onde

λ

; une référence à sa couleur

pourra éventuellement être utilisée afin de permettre au lecteur de se repérer.

Encart historique. Pourquoi ne parle-t-on que de sept couleurs ?

Dans le domaine de la perception des couleurs, des idées fortement ancrées par le

passé ont toujours cours, comme celle des sept couleurs de l’arc-en-ciel. C’est Newton,

qui après avoir découvert la décomposition de la lumière blanche en couleurs, en a

parlé le premier. Le nombre « 7 », symbole de l’harmonie des mondes, se retrouve

dans les « 7 planètes » des Babyloniens, les 7 jours de la semaine, les 7 péchés capi-

taux, les 7 sacrements de l’Église, les 7 merveilles du monde... Depuis plus de 300 ans,

nous sommes tenus d’ajouter le mystérieux indigo aux six couleurs familières (le

rouge, le bleu, le jaune, le vert, l’orange

et le violet).

Cependant, dans l’observation d’un arc-en-ciel, il est difficile d’identifier plus de

6 couleurs. Il semble que 6 ou 7 niveaux soient la limite de perception de nos sens.

En effet, Hipparque avait décrit 6 niveaux de luminosité des étoiles, les musiciens ont

défini 7 notes dans la gamme, 7 niveaux sonores de pianissimo à fortissimo...

On peut retenir l’ordre des 7 couleurs de l’arc-en-ciel avec le mot VIBUJOR

Violet-Indigo-Bleu-Vert-Jaune-Orangé-Rouge

5. CONCLUSION

C’est grâce à la lumière que nous pouvons découvrir le monde qui nous entoure. Nous

en avons défini l’essentiel. Dans la nature se produisent spontanément des phénomènes

lumineux variés et spectaculaires comme les arcs-en-ciel et les mirages. Les différentes

conditions météorologiques que l’on peut rencontrer leur offrent parfois de surprenants

visages. Sujet en apparence banal, le phénomène lumineux naturel intrigue et émer-

veille tous ceux qui ont eu envie de s’arrêter pour l’observer. Qui n’a pas alors été tenté

de l’immortaliser sur la pellicule d’un appareil photo ou de le filmer afin de le partager

avec ses amis ? Ces observations suscitent alors des interrogations auxquelles nous pro-

posons dans ce livre des éléments de réponse simples dans le cadre de l’optique géomé-

trique. Nous y décrirons également un certain nombre d’instruments classiques et

modernes.