L optique dans les instruments (traité EGEM)
347 pages
Français

L'optique dans les instruments (traité EGEM)

-

Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne
En savoir plus
347 pages
Français
Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne
En savoir plus

Description

Les instruments jouent un rôle primordial dans l'avancée scientifique et technologique de notre époque. Aux côtés de l'électronique, de la mécanique et de l'informatique, l'optique occupe souvent une partie essentielle dans ces instruments, parfois mal connue.
Dans l'ouvrage L'optique dans les instruments, sont d'une part abordées les bases nécessaires à la compréhension des instruments et systèmes utilisant l'optique et d'autre part quelques exemples concrets de réalisation et de développement.
L'objectif est de permettre aux étudiants, aux scientifiques non spécialistes de l'optique de mieux comprendre la richesse des phénomènes physiques régissant ces instruments et de les utiliser de façon optimale. Dans ce but, les principes mis en œuvre sont rappelés ainsi que les aspects pratiques. La description des systèmes de prises de vue ainsi que les forts développement de la microscopie illustrent ensuite ces évolutions.
Ce livre sera suivi d'autres ouvrages consacrés aux applications dans différents domaines.

Commandeur des Palmes Académiques et Professeur émérite à l'Université de Saint-Étienne, Jean-Pierre GOURE a enseigné depuis 1961 l'optique et l'optoélectronique. Ses recherches consacrées à la spectroscopie, l'optoélectronique et les communications optiques ont conduit à 158 publications, 2 ouvrages, 25 contrats, 3 brevets. Il a encadré plus de 25 thèses, organisé des écoles d'été, des congrès nationaux et internationaux et assuré de nombreuses fonctions de direction au sein de l'université et du CNRS.
Avant-propos -Jean-Pierre GOURE. Chapitre 1. Optique et instruments. Chapitre 2. Formation des images. Chapitre 3. Rappels de photométrie-radiométrie. Chapitre 4. Sources lumineuses pour l'instrumentation optique. Chapitre 5. Colorimétrie. Chapitre 6. Bases pour l'analyse d'image. Chapitre 7. Les optiques de prise de vue - définition, réalisation, applications. Chapitre 8. L'optique pour la prise de vue en bas niveau de lumière. Chapitre 9. Du microscope classique au microscope à effet tunnel. Index.

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 14 février 2011
Nombre de lectures 31
EAN13 9782746240070
Langue Français
Poids de l'ouvrage 7 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,0938€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Exrait




















L’optique dans les instruments




































© LAVOISIER, 2011
LAVOISIER
11, rue Lavoisier
75008 Paris

www.hermes-science.com
www.lavoisier.fr

ISBN 978-2-7462-1917-5


Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part,
que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non
destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations
dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou
partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est
illicite" (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce
soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du
Code de la propriété intellectuelle.
Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins
d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs.


Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, February 2011.





L’optique

dans les instruments

généralités












sous la direction de

Jean-Pierre Goure
















Il a été tiré de cet ouvrage
25 exemplaires hors commerce réservés
aux membres du comité scientifique,
aux auteurs et à l’éditeur
numérotés de 1 à 25 L’optique dans les instruments
sous la direction de Jean-Pierre Goure
fait partie de la série OPTOÉLECTRONIQUE
dirigée par Jean-Pierre Goure


TRAITE EGEM
ELECTRONIQUE – GENIE ELECTRIQUE – MICROSYSTEMES

Le traité Electronique, Génie Electrique, Microsystèmes répond au besoin de
disposer d’un ensemble de connaissances, méthodes et outils nécessaires à la
maîtrise de la conception, de la fabrication et de l’utilisation des composants,
circuits et systèmes utilisant l’électricité, l’optique et l’électronique comme
support.

Conçu et organisé dans un souci de relier étroitement les fondements
physiques et les méthodes théoriques au caractère industriel des disciplines
traitées, ce traité constitue un état de l’art structuré autour des quatre grands
domaines suivants :
Electronique et microélectronique
Optoélectronique
Génie électrique
Microsystèmes

Chaque ouvrage développe aussi bien les aspects fondamentaux
qu’expérimentaux du domaine qu’il étudie. Une classification des différents
articles contenus dans chacun, une bibliographie et un index détaillé
orientent le lecteur vers ses points d’intérêt immédiats : celui-ci dispose ainsi
d’un guide pour ses réflexions ou pour ses choix.

Les savoirs, théories et méthodes rassemblés dans chaque ouvrage ont été
choisis pour leur pertinence dans l’avancée des connaissances ou pour la
qualité des résultats obtenus.



















Liste des auteurs


Gérard CORBASSON Thierry LEPINE
Pôle Optique Rhône Alpes Institut d’optique
Saint-Etienne Saint-Etienne

Jacques DEBIZE Jean-Louis MEYZONNETTE
Thalès Angénieux Institut d’optique
Saint-Heand Campus Polytechnique
Palaiseau
Eric DINET
Laboratoire Hubert Curien Joël ROLLIN
Université Jean Monnet Thalès Angénieux
Saint-Etienne Saint-Heand

Henri GAGNAIRE Michel SPAJER
Laboratoire Hubert Curien Institut Femto-ST
Université Jean Monnet Laboratoire P.M. Duffieux
Saint-Etienne Université de Franche-Comté
Besançon
Jean-Pierre GOURE
Laboratoire Hubert Curien Isabelle VERRIER
Université Jean Monnet Laboratoire Hubert Curien
Saint-Etienne Université Jean Monnet
Saint-Etienne
Michel JOURLIN
Laboratoire Hubert Curien
Université Jean Monnet
Saint-Etienne


Table des matières
Avant-propos ....................................... 17
Jean-Pierre GOURE
Chapitre 1. Optique et instruments ......................... 19
Jean-Pierre GOURE
1.1. Introduction.................................... 19
1.2. Les medias et les communications optiques................. 20
1.3. Les instruments destinés à former des images ............... 21
1.3.1. Les instruments classiques de prise d’images ............ 21
1.3.2. Voir de plus en plus loin ......................... 22
1.3.3. Voir et mesurer des objets de plus en plus petits ........... 22
1.3.4. Améliorer l’image ............................ 23
1.4. L’optique dans les procédés industriels ................... 24
1.4.1. Métrologie et contrôle de fabrication ................. 24
1.4.2. Le contrôle des processus ........................ 26
1.4.3. Transformation de la matière et façonnage des matériaux ..... 26
1.5. L’optique et le secteur médical27
1.6. La recherche ................................... 27
1.7. Les éléments de base d’un instrument .................... 28
1.8. Bibliographie30
Chapitre 2. Formation des images .......................... 31
Henri GAGNAIRE
2.1. Introduction à l’optique............................. 32
2.2. Etude d’un système centré dans les conditions de Gauss ......... 36
2.2.1. Eléments cardinaux d’un système centré ............... 37



















10 L’optique dans les instruments

2.2.2. Autre forme de la relation de Lagrange-Helmoltz .......... 39
2.2.3. Points nodaux ............................... 40
2.2.4. Relation entre les distances focales objet et image – vergence . . 41
2.2.5. Relations de conjugaison de Descartes et de Newton ........ 42
2.2.6. Grandissement longitudinal ....................... 44
2.2.7. Association de systèmes centrés .................... 45
2.2.7.1. Vergence de l’association ..................... 46
2.2.7.2. Position du point principal image H’ par rapport à H’ ... 462
2.2.7.3. Formules dans l’espace objet ................... 47
2.2.7.4. Position des foyers ......................... 47
2.2.8. Dioptre sphérique ............................. 47
2.2.8.1. Plans principaux .......................... 48
2.2.8.2. Vergence............................... 48
2.2.8.3. Relation de conjugaison ...................... 48
2.2.9. Lentille ................................... 48
2.3. Généralités sur les instruments d’optique .................. 49
2.3.1. Introduction ................................ 49
2.3.2. Grandeur de l’image ........................... 49
2.3.2.1. Instruments objectifs........................ 49
2.3.2.2. Instruments subjectifs ....................... 50
2.3.3. Champ ................................... 52
2.3.3.1. Diaphragme d’ouverture – pupilles ............... 53
2.3.3.2. Diaphragme de champ – lucarnes ................ 54
2.3.4. Conclusion ................................. 56
2.4. Aberrations géométriques57
2.4.1. Introduction ................................ 57
2.4.2. Relation entre aberration de front d’onde et aberration
transverse de rayons ............................... 58
2.4.3. Les différents types d’aberration .................... 59
2.4.4. Les aberrations de Seidel ........................ 61
2.4.4.1. Aberration de sphéricité ...................... 61
2.4.4.2. Coma64
2.4.4.3. Astigmatisme ............................ 66
2.4.4.4. Courbure de champ68
2.4.4.5. Distorsion .............................. 69
2.4.5. Conclusion ................................. 70
2.5. Aberrations chromatiques ........................... 71
2.5.1. Introduction ................................ 71
2.5.2. Quelques définitions ........................... 72
2.5.2.1. Aberration chromatique axiale (ACA) ............. 72
2.5.2.2. Aberration chromatique latérale (ACL)73
































Table des matières 11

2.5.2.3. Achromatisme apparent – spectre secondaire ......... 73
2.5.3. Achromatisme apparent des doublets ................. 74
2.5.3.1. Doublet non collé.......................... 74
2.5.3.2. Doublet collé ............................ 75
2.6. Conclusion .................................... 75
2.7. Bibliographie ................................... 75
Chapitre 3. Rappels de photométrie-radiométrie ................ 77
Jean-Louis MEYZONNETTE
3.1. Introduction : rôle de la photométrie-radiométrie ............. 77
3.2. Les principales grandeurs d’un rayonnement optique ........... 78
3.2.1. Flux (F)78
3.2.2. Angle solide (Ω) ............................. 79
3.2.3. Intensité (I)................................. 81
3.2.4. Etendue géométrique (G) ........................ 82
3.2.5. Luminance (L), exitance (M) ...................... 84
3.2.5.1. Luminance (L) ........................... 84
3.2.5.2. Exitance M ............................. 84
3.2.6. Eclairement E ............................... 84
3.2.7. Spectre ................................... 85
3.2.8. Unités radiométriques .......................... 87
3.3. Relations entre les grandeurs radiométriques d’un rayonnement .... 88
3.3.1. Relations générales entre grandeurs géométriques ......... 88
3.3.1.1. Flux et intensité88
3.3.1.2. Flux et luminance ......................... 88
3.3.1.3. Luminance et intensité....................... 89
3.3.1.4. Eclairement (ou exitance) créé dans un plan
par un rayonnement de luminance L ................... 90
3.3.1.5. Eclairement E d’un plan sous éclairage dirigé
d’intensité I : loi de Bouguer ........................ 91
3.3.2. Cas particulier des rayonnements à luminance uniforme...... 92
3.3.2.1. Définition .............................. 92
3.3.2.2. Intensité ............................... 92
3.3.2.3. Flux .................................. 93
3.3.2.4. Etendue géométrique d’un faisceau défini
par un diaphragme plan et un cône de révolution autour
de la normale au diaphragme ........................ 93
3.3.2.5. Exemples de sources à luminance uniforme .......... 95
3.3.3. Relations entre grandeurs énergétiques, photoniques
et visuelles ..................................... 95





























12 L’optique dans les instruments

3.3.3.1. Relations entre grandeurs énergétiques et photoniques ... 95
3.3.3.2. Relations entre grandeurs énergétiques et visuelles
(ou lumineuses)................................ 97
3.3.3.3. Relations dans le cas de rayonnements à spectres étendus . . 99
3.4. Quelques propriétés photométriques des instruments optiques ..... 100
3.4.1. Conservation de l’étendue géométrique dans un milieu optique
homogène et transformation de l’étendue à l’interface
entre deux milieux100
3.4.2. Effets de la réfraction et de la réflexion sur la luminance
d’un rayonnement101
3.4.3. Rappels d’optique instrumentale .................... 102
3.4.3.1. Diaphragmes d’un système optique ............... 102
3.4.3.2. Hypothèse sur la qualité optique ................. 103
3.4.3.3 Ouverture numérique et nombre d’ouverture
d’un instrument ................................ 105
3.4.4. Photométrie d’un système d’imagerie ................. 106
3.4.4.1. Photométrie sur l’axe ....................... 106
3.4.4.2. Eclairement hors d’axe ...................... 107
3.4.5. Photométrie d’un instrument « collecteur de flux » ......... 108
3.5. Bibliographie ................................... 109
Chapitre 4. Sources lumineuses pour l’instrumentation optique ....... 111
Jean-Pierre GOURE et Isabelle VERRIER
4.1. Généralités sur les sources ........................... 111
4.2. Emission de la lumière ............................. 112
4.2.1. Cohérence des sources .......................... 113
4.2.2. Caractéristiques des sources....................... 114
4.2.3. Différents types de sources115
4.3. Les lampes .................................... 116
4.3.1. Lampes à incandescence ......................... 116
4.3.2. Lampes à halogène ............................ 118
4.3.3. Sources à décharge luminescente.................... 119
4.3.3.1. Les sources luminescentes basse pression ........... 119
4.3.3.2. Les lampes à cathode creuse ................... 121
4.3.3.3. Les lampes à décharge sans électrodes ............. 121
4.3.3.4. Les lampes à décharge haute pression122
4.3.3.5. Les lampes flash .......................... 126
4.3.3.6. Arc à courant continu ....................... 126
4.4. Les lasers ..................................... 126
4.4.1. Définition et caractéristiques générales ................ 126



























Table des matières 13

4.4.1.1. Fonctionnement du laser ..................... 127
4.4.1.2. Modes transverses ......................... 130
4.4.1.3. Modes longitudinaux (ou axiaux) ................ 131
4.4.1.4. Laser en impulsion132
4.4.1.5. Laser accordable .......................... 134
4.4.2. Lasers à gaz ................................ 135
4.4.2.1. Lasers à atomes neutres ...................... 135
4.4.2.2. Lasers ioniques ........................... 136
4.4.2.3. Lasers moléculaires ........................ 136
4.4.2.4. Laser excimère137
4.4.3. Lasers solides ............................... 137
4.4.4. Oscillateurs paramétriques optiques .................. 139
4.4.5. Les lasers à fibres ............................. 140
4.4.5.1. Principe140
4.4.5.2. Sources lumineuses à émission spontanée amplifiée
(ASE) ...................................... 141
4.4.5.3. Les sources blanches à fibres................... 142
4.5. Les diodes..................................... 144
4.5.1. Diodes électroluminescentes ...................... 144
4.5.1.1. Diodes électroluminescentes inorganiques........... 144
4.5.1.2. Les diodes électroluminescentes organiques : OLED .... 147
4.5.2. Diodes lasers................................ 149
4.5.2.1. Diodes à émission latérale .................... 150
4.5.2.2. Lasers à cascade quantique151
4.4.2.3. Les vecsels (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) .... 152
4.6. Sources déportées et opto-alimentation ................... 153
4.7. Bibliographie ................................... 153
Chapitre 5. Colorimétrie ................................ 155
Eric DINET
5.1. Introduction.................................... 155
5.2. La couleur et l’observateur........................... 157
5.2.1. Le stimulus physique159
5.2.2. Le système visuel humain ........................ 161
5.3. Les bases de la colorimétrie .......................... 167
5.3.1. Coordonnées trichromatiques ...................... 172
5.3.2. Diagramme de chromaticité ....................... 173
5.4. Perception des différences de couleurs.................... 175
* * *5.4.1. Espace chromatique L u v CIE 1976 ................. 177
* * *5.4.2. chromatique L a b CIE 1976178


































14 L’optique dans les instruments

5.4.3. Cas des couleurs sombres ........................ 178
5.5. Evaluation des différences de couleur .................... 179
5.5.1. Ecarts de couleur dans les espaces chromatiques CIE 1976 .... 180
5.5.2. Quelques remarques à propos des espaces chromatiques
CIE 1976 ...................................... 182
5.5.3. Formule CMC (l:c) ............................ 183
5.5.4. Formule CIE 1994 ............................ 184
5.5.5. Formule d’écart total de couleur CIE DE2000 ............ 185
5.6. Appréciation des mesures et acceptabilité .................. 186
5.7. Conclusion .................................... 189
5.8. Bibliographie ................................... 190
Chapitre 6. Bases pour l’analyse d’image ..................... 195
Michel JOURLIN
6.1. Introduction196
6.1.1. Qu’est-ce qu’une image? ........................ 196
6.1.2. La numérisation du support spatial................... 199
6.1.3. La numérisation de l’échelle de gris .................. 201
6.2. Classification d’image ............................. 203
6.2.1. Premiers outils de classification : seuillage, multiseuillage,
détection de contours ............................... 203
6.2.1.1. Maximisation de la variance interclasse ............ 205
6.2.1.2. Maximisation de l’entropie .................... 207
6.2.1.3. La classification par nuées dynamiques208
6.2.1.4. Méthode de Köhler......................... 209
6.2.1.5. Méthode de conservation des moments statistiques ..... 211
6.2.1.6. Méthode métrique212
6.2.2. Perspectives vers des outils plus complexes ............. 214
6.3. Interprétation des images binaires ...................... 216
6.3.1. Mesures................................... 216
6.3.1.1. Premier exemple : aire d’une particule.............. 216
6.3.1.2. Deuxième exemple : périmètre d’une particule ........ 217
6.3.2. Paramètres de forme ........................... 220
6.3.3. Morphologie mathématique binaire .................. 221
6.3.3.1. Détection des zones rentrantes et sortantes d’un objet A . . 224
6.3.3.2. Lien avec la FAO (fabrication assistée par ordinateur).... 225
6.3.3.3. Morphologie mathématique et vectorisation .......... 225
6.3.3.4. Reconstruction par marqueur ou dilatation conditionnelle . 226
6.3.3.5. Evaluation de distances ...................... 226
6.3.4. Correction de trame carrée ....................... 227



























Table des matières 15

6.4. Morphologie mathématique à niveaux de gris ............... 231
6.5. Un exemple de modèle non linéaire : le modèle LIP
(Logarithmique Image Processing) ........................ 232
6.5.1. Cadre physique initial .......................... 232
6.6. Conclusion .................................... 234
6.7. Bibliographie ................................... 235
Chapitre 7. Les optiques de prise de vue – définition, réalisation,
applications ........................................ 237
Gérard CORBASSON, Jacques DEBIZE et Thierry LEPINE
7.1. Les objectifs pour la photographie ...................... 237
7.1.1. Les objectifs à focale fixe ........................ 239
7.1.1.1. Les objectifs élémentaires..................... 239
7.1.1.2. Les types fondamentaux d’objectifs............... 240
7.1.2. Les objectifs à focale variable244
7.2. Les objectifs pour le cinéma et la télévision................. 246
7.2.1. Le cinéma ................................. 246
7.2.2. La télévision ................................ 248
7.2.3. La réalisation ............................... 252
7.3. L’optique en astronomie ............................ 253
7.4. Bibliographie ................................... 256
Chapitre 8. L’optique pour la prise de vue en bas niveau de lumière .... 259
Joël ROLLIN
8.1. Introduction.................................... 259
8.1.1. L’imagerie active ............................. 260
8.1.2. L’imagerie passive bas niveau de lumière .............. 260
8.1.3. La thermographie infrarouge ...................... 262
8.2. Les dispositifs à intensification de lumière ................. 267
8.2.1. Les différentes technologies capteurs : les tubes
à intensification de lumière ........................... 267
8.2.2. Les différents capteurs : les solutions vidéo-compatibles ..... 268
8.2.2.1. CCD versus CMOS ........................ 268
8.2.2.2. Les différents capteurs....................... 269
8.2.3. L’optique pour les systèmes BNL ................... 270
8.2.3.1. L’architecture générale ...................... 270
8.2.3.2. Le choix des champs de vue pour les applications
portables .................................... 271
8.2.3.3. L’objectif .............................. 273




























16 L’optique dans les instruments

8.2.3.4. Les oculaires ............................ 274
8.2.3.5. Les accessoires ........................... 278
8.3. Un cas à part : la bande SWIR......................... 279
8.3.1. Intérêt de la bande SWIR ........................ 279
8.3.2. Les détecteurs SWIR280
8.3.3. Les optiques pour la bande SWIR ................... 280
8.4. Les bandes 3-5 µm et 8-12 µm281
8.4.1. Les différents types de détecteurs et les contraintes
de conception afférentes sur l’optique..................... 281
8.4.2. Les matériaux optiques en bande IR .................. 285
8.4.3. Des composants optiques un peu spéciaux .............. 288
8.5. Le futur ...................................... 290
Chapitre 9. Du microscope classique au microscope à effet tunnel ...... 291
Michel SPAJER
9.1. Introduction.................................... 291
9.2. Vers la limite de résolution. Eléments sur la formation des images ... 292
9.2.1. Fonction de transfert ........................... 292
9.2.2. Fonction de transfert en éclairage cohérent .............. 295
9.2.3. Aberrations................................. 296
9.2.4. Fonction de transfert en éclairage partiellement cohérent ..... 297
9.2.5. Fonction de transfert en éclairage incohérent............. 299
9.2.6. Eclairage structuré, pupille synthétique ................ 301
9.3. Le microscope confocal ............................ 303
9.3.1. Microscope confocal cohérent ..................... 303
9.3.2. Microscope confocal incohérent (fluorescence) ........... 305
9.3.3. Ouverture synthétique 4Pi ........................ 306
9.3.4. Confocal à déplétion stimulée (STED) ................ 307
9.4. Optique adaptative................................ 308
9.5. Lumière polarisée309
9.6. Microscopies de phase ............................. 310
9.6.1. Mesures interférométriques absolues à décalage de phase ..... 311
9.6.2. Mesures à partir d’un seul interférogramme ............. 313
9.6.3. Microscopie holographique 3D ..................... 314
9.7. Microscopies en lumière confinée. Ondes évanescentes ......... 315
9.8. Microscopie en champ proche à sonde locale................ 316
9.9. Bibliographie ................................... 318
9.10. Glossaire des termes employés ....................... 319
Index ............................................ 321
































Avant-propos
Le rôle joué par les instruments dont les éléments principaux sont à base de
composants optiques est primordial dans l’avancée scientifique et technologique de
notre époque. Il suffit de considérer quelques exemples allant du plus courant au
plus complexe. Nous utilisons tous un appareil photographique ou un caméscope.
La lecture des codes barre par voie optique à l’aide de lasers est généralisée dans
les surfaces commerciales. De même nous utilisons l’écriture et la lecture optique
sur des disques compacts. Des mesures et contrôles sont effectués de manière
permanente en industrie par des méthodes spectroscopiques. Le télescope a été
décisif pour l’observation des corps célestes et a permis de vérifier les hypothèses
avancées concernant notre système solaire. Les instruments les plus récents envoyés
dans l’espace permettent de reculer la vision de notre univers à des distances qui
paraissaient impossibles à atteindre il y a quelques décennies. Le microscope a
permis une révolution aussi importante en biologie et en médecine, ouvrant des
horizons immenses dans ces domaines tant pour le diagnostique que pour le
traitement. La caméra a introduit une observation du monde beaucoup plus objective
que l’observation visuelle. Ces brèves considérations nous permettent de comprendre
l’immense rôle joué par l’optique dans les instruments pour notre vision et notre
conception actuelle du monde. Ces appareils sont absolument indispensables pour
une observation moderne et objective de la réalité.
Dans le présent ouvrage sont d’une part abordées les bases nécessaires à la
compréhension des instruments et systèmes utilisant l’optique et d’autre part
quelques exemples concrets de réalisation et de développement. L’objectif est de
permettre aux étudiants, aux scientifiques non spécialistes de l’optique de mieux
comprendre la richesse des phénomènes physiques régissant ces instruments et de
les utiliser de façon optimale. Dans ce but, les principes mis en œuvre sont rappelés
ainsi que les aspects pratiques. La description des systèmes de prises de vue ainsi
que les forts développement de la microscopie seront une illustration des évolutions 18 L’optique dans les instruments

récentes. Nous nous bornerons dans cet ouvrage aux domaines ultraviolet, au visible
et au proche infrarouge.
Un instrument d’optique est en général constitué par l’association de plusieurs
systèmes optiques (par exemple les objectifs et les oculaires quand le détecteur est
l’œil) ou d’autres éléments tels les réseaux ou les interféromètres. Les signaux ou
les images en couleur sont enregistrés, traités et analysés. La compréhension du
fonctionnement de ces systèmes nécessite de maîtriser un certain nombre de notions
essentielles.
Le premier chapitre traite de la place de l’optique dans les appareils et dans
l’instrumentation moderne.
Le chapitre 2 rappelle les bases de l’optique géométrique, première approche de
l’optique dans les instruments.
Le chapitre 3 est consacré à des éléments de photométrie et à la prise en compte
des flux d’énergie transportée. Un grand nombre d’instruments utilisent des techniques
basées sur l’interférométrie et la diffraction. Le lecteur pourra se reporter si besoin
au volume « Optique physique » de la même collection EGEM.
Le rôle de la source de lumière, extérieure ou interne au système, dépend fortement
de la finalité de l’instrument. Les principales sources utilisées sont résumées dans le
chapitre 4.
La caractérisation d’une couleur, sa représentation, et sa restitution font l’objet
du chapitre 5.
Le chapitre 6 traite des méthodes utilisées pour restituer la qualité de l’image
obtenue et en tirer le maximum d’informations.
Le chapitre 7 et le chapitre 8 donnent des exemples de systèmes industriels
modernes.
Dans le dernier chapitre, on trouvera à titre d’exemple l’évolution de la microscopie
depuis la microscopie classique jusqu’à la microscopie moderne.

Jean-Pierre GOURE

Chapitre 1
Optique et instruments
1.1. Introduction
Si l’on interroge l’homme de la rue en lui demandant ce que l’optique représente
pour lui, la réponse de la plupart des personnes va tendre à l’identifier à la lunetterie,
à la photographie et éventuellement à l’enregistrement des disques. Car c’est dans
ces domaines que le contact avec le public est le plus usuel. Mais l’optique est une
science diffusante qui touche tous les domaines de l’activité humaine. Le domaine
spectral couvert est très étendu, allant des rayonnements X aux ondes millimétriques
ce qui lui permet d’intervenir dans de nombreux domaines. Avec de multiples
techniques de fabrication, elle est la base de nombreux composants.
L’optique est la science qui traite de l’émission, de la transmission, de la
manipulation et de la détection de la lumière. C’est une discipline très exploitée par
l’homme car elle correspond à un de ses senseurs naturels les plus performants
qui lui permet la vision. Elle couvre actuellement un domaine très vaste et connaît
un essor incontestable. Les grands progrès sont dus pour beaucoup à l’arrivée des
lasers. Après avoir été longtemps limitée au spectre visible et aux applications
traditionnelles des images, l’arrivée de ces nouvelles sources et les progrès
techniques lui ouvrent à peu près tous les domaines de la vie : communications,
secteur médical, domaine spatial, industries diverses, etc. [GOU 04].
Fortement associée à d’autres domaines tels que la mécanique, l’électronique et
l’informatique, elle a permis l’élaboration d’un nombre considérable d’instruments

Chapitre rédigé par Jean-Pierre GOURE. 20 L’optique dans les instruments

dans lequel le composant optique est très souvent une partie essentielle du système.
Le rôle joué par ces instruments dans l’avancée technologique de notre époque est
très important. Il suffit de considérer tous les appareils qui font partie de notre
environnement immédiat : enregistrement photographiques, vidéo, lecture optique,
affichage, télécommunications, etc.
Les instruments de mesure et de contrôle dont l’élément essentiel est l’optique
peuvent se répartir en plusieurs catégories. Certains sont destinés à former des
images au sens traditionnel comme les jumelles ou les microscopes de première
génération. L’image est visuelle ou enregistrée sur une caméra. D’autres donnent
une mesure conduisant à une analyse ou à un dosage, le signal est alors électrique
comme ceux obtenus lorsque l’on détecte la lumière issue d’une fibre optique effilée
à un micron interagissant avec une surface proche de celle-ci. Dans tous les cas les
signaux seront enregistrés, traités et analysés.
Dans d’autres cas, maintenant très nombreux, le faisceau lumineux issu de ces
appareils sert au façonnage des matériaux, il intervient alors en tant qu’outil de
travail pour le perçage, la soudure ou le surfaçage.
De nouvelles sources de photons sont apparues. La maîtrise de
l’électroluminescence de matériaux organiques a permis la création de diodes
électroluminescentes organiques (OLED) [FRO 03] avec des applications en
visualisation [BRY 08]. Le développement rapide des diodes électroluminescentes
(DEL) depuis quelques années est très important [MOT 08]. Enfin de nouvelles
sources brillantes ont des applications dans l’automobile. Les lasers à fibres dopées
prennent leur place dans la recherche et l’industrie et les amplificateurs à fibres dans
les télécommunications.
1.2. Les medias et les communications optiques
L’optique a fait son entrée dans le grand public comme véhicule d’information
essentiellement du fait :
– du développement des objectifs pour le cinéma et la télévision. On sait
actuellement réaliser des systèmes optiques de plus en plus performants avec
l’arrivée des optiques asphériques ;
– de l’essor des optiques bon marché utilisées dans les téléphones mobiles et
certains appareils photos. L’arrivée des optiques en matériaux plastiques à bas coût a
favorisé ce développement [MAA 07] ;
– de l’enregistrement et de la lecture optique [VAL 02]. Les disques optiques
sont un marché important. La lumière peut, sur un seul disque numérique, enregistrer Optique et instruments 21

et lire des centaines de millions d’informations. Elle permet d’imprimer, d’éditer à
très grande vitesse, de reproduire, etc. ;
– de son introduction dans le domaine des télécommunications qui a participé à
l’essor rapide et phénoménal des échanges. Dans les systèmes de communications
haut débit actuel le support physique est une fibre optique monomode dans laquelle
circulent des impulsions infrarouges. Toutes les recherches et les développements
industriels autour des fibres optiques et des composants électroniques associés
ont amené aux performances actuelles avec de très hauts débits d’informations
[MEU 03]. La mise en place de ces systèmes a permis le développement d’Internet.
Le couplage optique-électronique-informatique y est exemplaire. L’arrivée sur le
marché en un temps record de composants tout optique, comme les amplificateurs à
fibres dopées erbium ou le multiplexage optique, est la conséquence des efforts de
recherche entrepris dans ce secteur [DIG 93].
L’avènement de l’ordinateur optique est envisagé à l’avenir aux vues des progrès
en traitement optique du signal.
Toute une instrumentation optique spécifique a été développée pour caractériser
les fibres optiques et les câbles lors de leur mise en place puis en fonctionnement :
mesure d’atténuation des signaux et recherche de défauts par réflectométrie, mesure
de puissance, etc.
1.3. Les instruments destinés à former des images
1.3.1. Les instruments classiques de prise d’images
On désigne par « instrument optique » tout instrument utilisant l’optique dans
son fonctionnement. L’œil est ainsi un instrument d’optique donnant une image
réelle de l’objet sur la rétine. Dans cette catégorie se trouvent les appareils les plus
anciens. Certains sont principalement d’observation, comme les jumelles, la loupe,
etc. D’autres de mesure, comme les instruments géodésiques ou les instruments de
métrologie : le télémètre, le niveau à bulle, le goniomètre, etc. Se trouvent aussi
dans cette catégorie ceux de projection tels les diascopes comme les projecteurs de
diapositives, de films cinématographiques ou les épiscopes comme le rétroprojecteur,
etc. L’optique instrumentale permet donc d’agrandir les objets et de les rapprocher.
Il faut noter les progrès considérables réalisés dans la réalisation des zooms. Nous
sommes en contact permanent avec les instruments d’optique qui produisent des
images. La précision de ces systèmes est due aux performances intrinsèques des
composants (lentilles et miroirs) qui le constituent mais aussi à la qualité et à la
précision des montages mécaniques ainsi qu’aux systèmes d’exploitation électroniques
22 L’optique dans les instruments

et informatiques de traitement des images et du signal. Ces instruments sont devenus
complexes.
1.3.2. Voir de plus en plus loin
L’étude des instruments a souvent été considérée comme une suite quelque
peu dépassée de l’optique géométrique. Pourtant, elle a énormément évolué, faisant
appel au traitement du signal, à des techniques de restauration des images dégradées
lors de la propagation de la lumière, à des méthodes permettant de dépasser nettement
la limite classique de résolution. Depuis un siècle les systèmes et appareils n’ont
cessé de faire des progrès. Les champs couverts par les systèmes imageurs
s’étendent dans des domaines de longueurs d’onde très vastes. L’image n’est plus
seulement une représentation plane d’objets visibles mais aussi d’objets éclairés
dans d’autres domaines de longueur d’onde et parfois avec reconstitution du relief
par holographie et interférométrie.
Les techniques actuelles permettent d’aller toujours plus loin dans l’infiniment
lointain. Les progrès dans le domaine spatial sont considérables permettant de voir à
des distances immenses de plusieurs milliers d’années lumière. Les grands télescopes
optiques permettent de balayer des zones de l’espace très éloignées. Des réalisations
spectaculaires comme les miroirs de huit mètres du Very Large Telescope contribuent
chaque jour au progrès des autres sciences. Parallèlement à la réalisation de ces
grands instruments on a su miniaturiser, durcir et alléger les composants pour les
embarquer dans les satellites. On peut depuis ceux-ci mesurer de faibles distances
sur la surface terrestre.
1.3.3. Voir et mesurer des objets de plus en plus petits
Les nouveaux microscopes permettent de scruter des distances nanométriques et
d’approcher les dimensions des atomes. Depuis quelques décennies la plupart des
objets utilisés par le grand public tendent à prendre des dimensions réduites et
l’optique n’échappe pas à cette loi. L’arrivée des microsystèmes qui a débuté tout
d’abord au Japon et aux Etats-Unis il y a quelques années a eu pour objectif la
miniaturisation des éléments nécessaires à un système avec la recherche de
composants de dimensions de plus en plus réduites. L’étude de systèmes
microopto-électromécaniques (MOEMS) résultant de l’association de l’optique, de
l’électronique et de la mécanique a conduit à des applications en télécommunication,
en instrumentation ou en médecine. La réalisation de tels composants est basée sur
l’utilisation de techniques dérivées de la microélectronique pour la fabrication de
masse, c’est-à-dire en milliers, voire millions, d’exemplaires ou sur des marchés Optique et instruments 23

plus faibles. Si les composants optoélectroniques classiques restent en général très
rapides, les MOEMS offrent aussi des fonctionnalités nouvelles. Des retombées sur
la microélectronique se font par le biais de la photolithographie en 2D et par la
microstéréolithographie pour le 3D.
Des avancées très importantes se sont faites naturellement vers les nanotechnologies
et la nano-optique. Les études portent sur des objets ou structures de taille
nanométrique. Les exemples sont nombreux et les résultats importants.
L’étude et la réalisation d’objets de plus en plus petits font évoluer la prise
d’image du microscope classique au microscope à effet tunnel ou à la microscopie
confocale. Les microscopes en champ proche où la sonde est une fibre optique
effilée permettent d’avoir une « image » de la surface d’un matériau à quelques
nanomètres.
Cette poussée vers des dimensions spatiales très petites se retrouve dans le domaine
temporel. Les impulsions de certains lasers sont de l’ordre de la femtoseconde et
tendent encore à diminuer. Les recherches fondamentales entreprises au niveau
quantique ont permis des avancées assez considérables dans le domaine des boîtes
quantiques qui permettent la réalisation des diodes bleues, des horloges atomiques et
de la mesure du temps, de l’optique atomique.
1.3.4. Améliorer l’image
L’optique adaptative. L’atmosphère terrestre est constituée de couches d’air de
différentes températures qui se mélangent les unes aux autres causant des
turbulences qui modifient la valeur locale de l’indice. Pour les astronomes, ces
turbulences sont néfastes car elles perturbent la trajectoire des rayons lumineux.
Elles sont ainsi responsables du scintillement des étoiles dans le ciel et de la
distorsion des images collectées par les télescopes.
Pour minimiser cet inconvénient les observatoires astronomiques ont été
construits en altitude de façon à ce que les télescopes puissent observer au-dessus de
l’atmosphère polluée et perturbée. On obtient ainsi des images bien meilleures qu’au
niveau de la mer. On peut aussi corriger la surface d’onde déformée, à l’aide d’un
système de miroir déformable. La prise de conscience des avantages de cette
technique a conduit à la mise au point de systèmes d’optique adaptative.
Un autre moyen consiste à installer grâce aux lanceurs actuels les télescopes
dans l’espace, là où l’atmosphère ne peut gêner les observations. C’est pourquoi,
24 L’optique dans les instruments

aujourd’hui, les scientifiques lancent en orbite des satellites astronomiques comme
Hubble.
L’analyse et le traitement de l’image. En plus des déformations introduites par
les variations de l’indice de l’air, la qualité des images obtenues à partir d’une
caméra sont fonction des optiques utilisées et des pixels du détecteur. De nombreux
phénomènes diminuent la qualité de l’image, soit des aberrations du système optique
soit des déformations dues à des contraintes mécaniques soit des pertes d’informations
dues à la dimension des pixels et à leur nombre. Il est donc nécessaire d’étudier, à
l’aide de méthodes mathématiques et des moyens informatiques, les meilleures
manières de restituer la qualité de l’image et d’en tirer le maximum d’informations.
Ces techniques tiennent compte des outils optiques et colorimétriques.
1.4. L’optique dans les procédés industriels
1.4.1. Métrologie et contrôle de fabrication
L’intérêt de la mesure par méthodes optiques répond à plusieurs exigences : elle
n’est pas destructive, elle est sans contact contrairement aux contrôles mécaniques
ou chimiques, elle est généralement très précise, rapide et est insensible aux
rayonnements électromagnétiques. En revanche, elle est parfois un peu plus chère.
Les exigences de qualité imposent de plus en plus le contrôle et la garantie de
fabrication. Ainsi, de nombreux systèmes industriels dont un composant optique est
souvent la partie essentielle, offrent une précision encore jamais atteinte. Ils sont
utilisés quotidiennement dans l’industrie et dans des domaines aussi exigeants que le
spatial et la défense.
La qualité du rayonnement laser (faible divergence, monochromaticité, cohérence
spatiale et temporelle, possibilité d’impulsions ultra courtes et de cadences importantes)
a conduit à son utilisation dans la mesure en laboratoire et en production industrielle
(par exemple en spectroscopie ou en détection sans contact et à distance par temps
de vol).
De nombreux capteurs de grandeurs physiques (température, pression, distance,
déformation de surface, etc.), chimiques ou biologiques (optodes, mesures de PH,
de concentration de gaz, de liquide, etc.) ont été étudiés ou réalisés à partir
de composants optiques. Les possibilités offertes sont vastes et les besoins en
instrumentation sont énormes : robotique, production automatique, aéronautique,
industrie automobile, etc. La tendance est de réaliser des capteurs de plus en plus
petits. Optique et instruments 25

Dans le domaine de la défense, le couplage de l’optique avec des systèmes
d’armes ou d’observation a donné naissance à l’optronique.
Le contrôle dimensionnel. On trouve de nombreux instruments de mesure
d’alignement, de distance, d’épaisseur. Les lasers sont devenus des instruments
industriels couramment utilisés dans la mesure : télémètres, vibromètres laser, lasers
de poursuite, instruments d’anémométrie laser doppler (ALD). Les procédés
interférométriques sont la base de proximètres, de capteurs de positions, de mesures
de rotation (gyromètres à fibre), de déplacement, projecteurs de profils. Les mesures
de temps de vol d’une impulsion aller-retour permettent d’obtenir des mesures
sur de grandes distances par LIDAR (LIght Detection And Ranging) pour
l’environnement, la météorologie, etc.
Les mesures de l’aspect et de l’état de surface se font à l’aide de plusieurs
méthodes : interférométrique, de projection de franges, de déphasage, de temps de
vol ou holographique. Elles concernent les déformations de structure, les états de
surface (rugosité), la planéité, etc.
Les mesures de grandeurs physiques les plus importantes concernent la pression,
la température, etc. En plus des appareils de dimensions macroscopiques connus, des
nouveaux types de capteurs sont apparus. Les réseaux de Bragg que l’on crée dans le
cœur d’une fibre monomode sont la brique de base d’instruments de mesure de
contrainte, de température ou de pression. De même, des interféromètres de Mac
Zehnder à fibres optiques permettent de mesurer avec grande précision température
ou pression. L’intérêt des fibres dans ce domaine est qu’elle est non seulement le
véhicule du signal (mesure déportée) mais qu’elle peut être le capteur. Enfin, les
dispositifs industriels nécessitent de relier un ensemble de capteurs à une seule
centrale de mesure. Des systèmes permettant d’interroger plusieurs capteurs à
travers une seule fibre ou un réseau de fibres sont ainsi apparus.
En optique intégrée, où la lumière est confinée dans les deux directions
perpendiculaires à la propagation, on réalise des microguides de lumière semblables
à une fibre optique dans des structures multicouches de quelques microns d’épaisseur.
On fabrique ainsi dans des supports comme le silicium, le verre, le niobate de
lithium la quasi-totalité des composants optiques classiques.
Les systèmes micro-opto-électromécaniques (MOEMS) associant l’optique,
l’électronique et la mécanique conduisent à des applications en instrumentation.
La composition chimique des matériaux s’obtient par différentes méthodes
optiques : l’absorption, la diffusion, la spectrométrie classique ou encore la
spectrométrie RAMAN, etc. La détection des longueurs d’ondes caractéristiques des
26 L’optique dans les instruments

atomes et molécules émises sous certaines conditions permet de les identifier à
l’aide d’un spectromètre. L’intensité de l’émission peut conduire à la concentration.
L’absorption de ces mêmes longueurs d’onde à la traversée du matériau permet la
même identification.
1.4.2. Le contrôle des processus
L’instrumentation sert à contrôler le procédé de fabrication à l’aide de la mesure
de grandeurs qui vont le réguler à l’aide d’un protocole bien défini. Une chaîne de
capteurs, va permettre la gestion des données, des stocks, etc. Les mesures peuvent
aussi servir pour la sécurité, la surveillance de l’environnement.
L’optique intervient de plus en plus dans les procédés de fabrication en
fournissant les processus nécessaires (couches minces, procédés lasers). Dans les
systèmes robotisés ou dans les chaînes de fabrication, des systèmes optiques de
vision permettent des contrôles en continu et sans contact.
1.4.3. Transformation de la matière et façonnage des matériaux
Parallèlement le raccourcissement des impulsions lasers et leur énergie
croissante conduisent à des applications dans l’usinage de précision. Suivant le type
de laser et son mode de fonctionnement on peut durcir, assembler, surfacer, percer,
souder, découper. Les lasers CO et Nd-YAG sont les plus utilisés. L’optique 2
participe à la réalisation de pièces en mécanique et elle est présente en lithographie
dans les procédés de fabrication de la microélectronique. Les lasers sont devenus des
outils dans les industries de la mécanique. Ils servent aussi au prototypage
c’est-àdire à créer des objets en photopolymérisant un monomère (stéréo lithographie) ou
en fondant une poudre (frittage).
Les diodes laser ont fait des progrès considérables délivrant de fortes puissances
sous un faible volume. Les applications concernent non seulement le pompage des
grands lasers mais la réalisation de l’usinage. De même les lasers à fibres ont des
densités d’énergie intéressantes.
Un domaine important est l’utilisation de la lumière dans le domaine de la
chimie avec les réactions photochimiques et les produits de photopolymérisation qui
ont des applications dans le façonnage des matériaux (durcissement des résines).
D’autre part des produits chimiques sont élaborés dans des réacteurs par exemple
par photochloration [AND 92]. Optique et instruments 27

1.5. L’optique et le secteur médical
Depuis quelques décennies, l’optique a fait son entrée dans le domaine des
sciences biologiques et médicales en développant, en dehors du microscope, de
nouveaux moyens de détection et d’analyse. Les exemples d’instruments utilisés en
biologie et en médecine sont très nombreux. Ils servent au diagnostic mais aussi au
traitement [BOU 08, FAN 10, VAL 02].
Un secteur important est celui de l’endoscopie qui permet de voir des images
avec des systèmes peu invasifs mais efficaces. Dans les hôpitaux la lumière froide
de l’optique éclaire les salles d’opération. En dentisterie les sources émettant dans
le bleu permettent la polymérisation des résines. On peut citer la tomographie
en optique cohérente (Optical Cohérence Tomography ou OCT) basée sur
l’interférométrie. Autre exemple, l’optique intervient dans la conception même des
biopuces. En particulier les progrès faits en imagerie ont permis la mise au point de
systèmes performants. Des applications se trouvent dans le domaine du handicap.
Les lasers sont à la base de nombreux équipements. La cytomètrie en flux est
une technique qui permet de mesurer simultanément, cellule à cellule, plusieurs
paramètres de fluorescence et de diffusion de la lumière incidente. Les fluochromes
sont excités par lasers. La microscopie confocale à balayage laser permet des avancées
notoires dans la précision ainsi que la microscopie confocale multiphotonique. Les
rayonnements UV de certaines sources comme les lasers excimères sont utilisés
comme antibactériens. Les lasers ont de multiples applications en médecine non
seulement en mesure ou en diagnostique mais en traitement : ophtalmie,
dermatologie (traitement des maladies cutanées), rhumatologie, etc. Ils interviennent
en microchirurgie éliminant les calculs, brûlant les bouchons dans les artères,
réduisant les tumeurs cancéreuses, recollant les tissus, etc. Les applications
thérapeutiques des lasers sont nombreuses : soins du décollement de la rétine,
traitement des angiomes plans, pneumologie, phlébologie et en esthétique où la
demande est très grande.
1.6. La recherche
L’optique est elle-même un champ de recherche en pleine expansion. Les outils
évoluent et on voit apparaître de nouvelles technologies et une nouvelle physique
par exemple avec les lasers de très grande puissance ou le laser mégajoule. La
réalisation de lasers de grande puissance modifie les possibilités et les champs de
recherche. Les puissances de l’ordre du pétawatt ou plus, permettent des études de
structure de la matière plus poussées.
28 L’optique dans les instruments

Le laser est l’instrument de recherche dans de nombreux domaines scientifiques
tirant profit de la puissance et/ou de la durée d’impulsion de plus en plus courte.
Après l’effort autour des microtechnologies, la nano-optique et la biophotonique
deviennent des champs de recherche en développement avec des applications dans
divers domaines industriels ou médicaux.
Les instruments optiques sont essentiels dans la recherche spatiale. L’optique a
su réaliser son couplage avec l’électronique, la mécanique et l’informatique pour
conduire aux instruments de haute technologie utilisés en astronomie ou que
l’on retrouve dans les satellites. Depuis ces derniers ils permettent l’analyse des
ressources terrestres et les études météorologiques.
Parallèlement, l’enseignement de l’optique et de l’instrumentation permet de
former les techniciens, ingénieurs, chercheurs et enseignants de demain. C’est sur
ces potentiels de recherche et de formations que reposent les développements futurs
de l’industrie.
1.7. Les éléments de base d’un instrument
Les instruments modernes sont devenus complexes et résultent de la convergence
de plusieurs sciences : l’optique, la mécanique, l’électronique, l’informatique et les
mathématiques. Dans ce tome nous ne considérerons que les aspects optiques et
mathématiques.
Comme on l’a vu, on doit tenir compte de plusieurs catégories d’instruments en
fonction de leur finalité. Ils peuvent servir à :
– former des images sur l’œil ;
– former des images sur un système de détection (matrice de photodétecteurs) ;
– donner des signaux (analyse et contrôle) ;
– à travailler les matériaux (soudage et usinage laser, etc.) ;
– du traitement médical.
Dans tous ces cas, en instrumentation classique, l’optique géométrique est le
premier outil pour l’étude des divers éléments, en particulier quand les dimensions
sont grandes par rapport à la longueur d’onde. Comprendre les propriétés des
lentilles et des objectifs est fondamental pour se familiariser avec les instruments,
pour les utiliser avec confiance et enfin pour créer les instruments. Les programmes
de tracé de rayons sont un outil important dans ce but. Simultanément la réalisation
des appareils nécessite d’étudier la prise en compte des flux d’énergie transportée
(photométrie). Les programmes permettent aussi de corriger au mieux les Optique et instruments 29

déformations d’ordre géométrique, chromatique ou de diffraction (aberrations). On
doit également tenir compte de l’influence des parties qui vont limiter les faisceaux
(diaphragme de champ et diaphragme d’ouverture) [LAI 95, SMI 90]. Enfin, les
aspects ondulatoire et corpusculaire de la lumière ont des effets non négligeables.
Un grand nombre d’instruments de mesure et contrôle utilisent des techniques
basées sur l’optique physique et en particulier l’interférométrie, la diffraction ou
la diffusion. Cela fait intervenir les notions de cohérence spatiale et temporelle
des faisceaux donc des sources. De nombreux systèmes de mesure utilisent des
interféromètres de tout type : Michelson pour des mesures des distance, Mac
Zenhder ou Sagnac (gyromètre). L’objectif recherché est la grande précision.
Le rôle des sources de lumière dépend fortement de la finalité de l’instrument.
La source est souvent extérieure lorsqu’il s’agit d’analyser un matériau par
spectroscopie (arc émettant les longueurs d’ondes caractéristiques résolues par un
réseau de diffraction, où source de spectre large placée devant le matériau
absorbant). La source pourra parfois être interne à l’instrument (interféromètre) ou
être la partie essentielle du dispositif (soudage et usinage laser, traitement en
médecine, etc.).
Les instruments dits subjectifs (télescope, microscope, loupe) comme le donnent
une image virtuelle grâce à la présence d’un oculaire. Les instruments dits objectifs
forment une image réelle sur un système détecteur. Dans le cas où le détecteur est
l’œil, on doit prendre en compte les caractéristiques particulières de ce détecteur. On
définit les notions d’acuité visuelle, de pouvoir séparateur et on doit tenir compte du
domaine de sensibilité dans l’échelle des longueurs d’ondes ou encore ses défauts et
leurs corrections.
Dans le cas des images obtenues sur un système de détection et destinées à
être regardées par l’homme ou interprétées, la caractérisation d’une couleur, sa
représentation et sa restitution prennent une grande importance. C’est l’objet de la
colorimétrie. De plus, ces images sont dégradées par de nombreuses causes, les
techniques d’optique adaptative, l’analyse d’image et le traitement permettent de
considérablement l’améliorer.
Enfin, la réalisation industrielle nécessite un savoir-faire important dans
l’ébauchage et le surfaçage des surfaces optiques. La qualité des matériaux utilisés et
leurs caractéristiques physiques sont très importantes en fonction de la finalité de
l’appareil. La précision des dimensions et de l’état de surface de la mécanique est
presque aussi nécessaire que celle des composants optiques. L’arrivée des lentilles
asphériques ainsi que des nouvelles technologies de réalisation des surfaces optiques
ont permis d’aboutir aux performances des systèmes actuels.
30 L’optique dans les instruments

1.8. Bibliographie
[AND 92] ANDRE J.C., VANNES A.B., Techniques d’utilisation des photons, coll. Electra, 85,
Dopée, Paris, 1992.
[BOU 08] BOURG-HECKLY G., « Applications thérapeutiques des lasers », Photoniques, 35,
p. 44-52, 2008.
[BRY 08] BRYNER M., « OLEDs seek a home in the lighting market », Optics and laser
Europ, 167, p. 17, 2008.
[CAG 02] CAGNAC B., FAROUX J.P., « Laser, interactions lumière-atomes », Savoirs actuels,
EDP sciences CNRS, 2002.
[DIG 93] DIGONNET M.J.E., Rare earth doped fiber lasers and amplifiers, Marcel Dekker,
New York, 1993.
[FAB 03] FABRY P., FOULETIER J., Micro-capteurs chimiques et biologiques, coll. EGEM,
série microsystèmes, p. 227-250, Hermès-Lavoisier, Paris, 2003.
[FAN 10] FANET H., Imagerie médicale à base de photons, coll. EGEM, série électronique et
micro-électronique, Hermès-Lavoisier, Paris, 2010.
[FRO 03] FROEHLY C., Sources lumineuses pour l’optoélectronique, coll. EGEM, série
optoélectronique, Hermès-Lavoisier, Paris, 2003.
[GOU 04] GOURE J.P., « Livre blanc : bilan des forces et faiblesse de l’optique en France »,
www.ladocumentationfrancaise.fr/rapport, 2004.
[LAI 95] LAIKIN M., Lens design, Marcel Dekker, New York, 1995.
[MAA 07] MAAHS A., « Plastic optics lower mass manufacturing price tag », Optics and laser
Europe, 156, p. 23, 2007.
[MEU 03] MEUNIER J.P., Télécoms optiques, coll. EGEM, série optoélectronique,
HermèsLavoisier, Paris, 2003.
[MEY 03] MEYZONNETTE J.L., Optique physique, coll. EGEM, série optoélectronique,
Hermès-Lavoisier, Paris, 2003.
[MOT 08] MOTTIER P., Les diodes électroluminescentes pour l’éclairage, coll. EGEM, série
électronique et microélectronique, Hermès-Lavoisier, Paris, 2004.
[SMI 90] SMITH W.J., Modern optical Engineering, McGraw-Hill, New York, 1990.
[VAL 02] VALETTE S., Applications de l’optoélectronique, traité EGEM, série optoélectronique,
Hermès-Lavoisier, Paris, 2002. Chapitre 2
Formation des images
Ce chapitre traite de la formation des images par un instrument optique. Le «
premier » de ces instruments est l’�il. En effet, la lumière diffusée par un objet éclairé que
l’on voit est concentrée par la cornée et le cristallin de l’�il sur la rétine. On peut donc
dire que l’image de l’objet est formée sur la rétine. On peut dire aussi que l’homme
des cavernes a fait de l’optique sans le savoir. Un bref historique de cette science et
de ses principaux protagonistes peut être trouvé en introduction du livre Optique de
Eugène Hecht [HEC 05].
Ce chapitre se divise en quatre parties principales. La première est une
introduction à l’optique géométrique et à son approximation, l’optique dans les conditions
de Gauss. La deuxième partie traite des principales propriétés d’un système ou
instrument d’optique. En fait, cette partie n’est pas exhaustive et renvoie au prochain
chapitre. La troisième partie aborde le problème des aberrations géométriques. Les
aberrations chromatiques font l’objet de la quatrième partie.
Chapitre rédigé par Henri GAGNAIRE.32 L'optique dans les instruments
2.1 Introduction à l’optique
Les instruments d’optique peuvent être regroupés en deux catégories :
� les instruments objectifs qui forment l’image de l’objet sur un récepteur. Le
meilleur exemple est l’objectif photographique qui permet d’obtenir l’image
sur un lm ou un capteur numérique. Le projecteur de diapositives et le
rétroprojecteur appartiennent aussi à cette catégorie ;
� les instruments subjectifs qui sont associés à l’�il pour l’observation d’objets.
Ces objets peuvent être très proches, on utilise alors une loupe ou un
microscope. Ils peuvent être éloignés et regardés grâce à une paire de jumelles, une
lunette terrestre ou astronomique ou bien un télescope.
Pour étudier ces instruments, on utilise l’optique géométrique qui repose sur la
notion simple de rayons lumineux et sur les lois de la réexion et de la réfraction établies
ede façon indépendante par Snell et Descartes au XVII siècle. Les rayons lumineux se
propagent en ligne droite dans l’air ou dans le verre homogène des instruments. En
efait, les travaux de Maxwell au XIX siècle ont montré que l’optique géométrique est
une approximation de la théorie électromagnétique de la lumière. Il suft de faire
l’hypothèse que la longueur d’onde de la lumière tend vers zéro. On a pu ainsi démontrer
toutes les lois empiriques ou postulats établis auparavant par de nombreux physiciens
très intuitifs. En optique géométrique, la longueur d’onde de la lumière n’intervient
alors plus directement mais seulement par le fait qu’un verre est dispersif, c’est-à-dire
que son indice optique en dépend.
Pour préciser les notions qui vont être utilisées par la suite, on peut rappeler la
loi de Snell-Descartes concernant la réfraction. On imagine un dioptre plan,
c’est-àdire une surface plane qui sépare deux milieux transparents d’indices optiques
différents (la surface immobile d’un lac entre l’air dont l’indice a une valeur voisine de
l’unité et l’eau dont l’indice est 1,33). L’expérience montre qu’à toute lumière
incidente sur ce dioptre existent une lumière faiblement rééchie et une lumière transmise.
En termes d’optique géométrique, on parle de rayon incident, de rayon rééchi et de
rayon transmis. En théorie électromagnétique, on parle d’onde incidente, d’onde
ré1échie et d’onde transmise . Le lien entre ces différents vocabulaires est que le rayon
lumineux représente la trajectoire de l’énergie propagée par l’onde.
Snell et Descartes ont établi empiriquement la loi des sinus qui relie les angles
′d’incidencei et de réfractioni dans le plan d’incidence (voir gure2.1) et les indices
′n etn des deux milieux de part et d’autre du dioptre. Cette loi peut être démontrée à
partir de la théorie électromagnétique.
1. La théorie électromagnétique permet de prévoir quelles sont les quantités de lumière rééchie et de
lumière transmise.

  • Accueil Accueil
  • Univers Univers
  • Ebooks Ebooks
  • Livres audio Livres audio
  • Presse Presse
  • BD BD
  • Documents Documents