OPTIQUEOptique instrumentale

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On appelle « instrument d'optique » tout système formant l'image d'un objet sur un ou plusieurs récepteurs sensibles à la lumière et dont le rôle est de percevoir ou d'exploiter cette image. Par exemple, une lunette comporte plusieurs lentilles formant l'image et un récepteur associé, généralement l'œil ; la cinématographie fait intervenir deux instruments, la caméra de prise de vues et le projecteur, et quatre récepteurs, les émulsions négative et positive, l'écran de projection et l'œil.

Tout instrument d'optique met donc en jeu trois éléments fondamentaux : l'objet, le système optique et le récepteur (ou les récepteurs).

L'objet est caractérisé par la composition spectrale de la lumière qu'il émet et par la distribution en ses divers points des radiances visuelles ou énergétiques correspondantes, qui détermine la structure spatiale plus ou moins fine de l'image.

Les radiations appartenant au domaine dit optique comprennent : l'ultraviolet, de longueurs d'onde comprises entre 200 et 400 nanomètres (nm) ; le visible, de 400 à 720 nm (ou 0,72 μm) ; l'infrarouge proche de 0,72 à 2 ou 3 μm ; l'infrarouge moyen de 2 ou 3 μm à 15 μm et l'infrarouge lointain de 15 à 1 000 μm. Cette composition spectrale est l'un des facteurs essentiels de l'élaboration de l'instrument. Elle impose les matériaux optiques qui doivent être transparents ou réfléchissants, pour le domaine spectral utilisé, et posséder les combinaisons d'indices de réfraction et de dispersion permettant d'obtenir une bonne image. D'autre part, la distance de l'objet et, pour un récepteur donné, la finesse des détails qu'on désire révéler déterminent le choix des caractéristiques géométriques de l'instrument.

Les récepteurs dépendent principalement du domaine spectral utilisé, et c'est à eux qu'on doit nombre des récents progrès de l'optique instrumentale. Parmi les récepteurs, on peut distinguer :

– L'œil, organe de perception, obligatoirement associé à tout dispositif visuel d'observation et de mesure ;

– Divers récepteurs qui, placés dans le plan d'une image, en fournissent une reproduction qui peut être observée par l'œil, permettant à ce dernier d'atteindre des domaines auxquels il n'a pas accès (on peut citer l'émulsion photographique sensible à l'ultraviolet, au visible et au début de l'infrarouge ; les convertisseurs d'images électroniques pour l'ultraviolet et l'infrarouge moyen, etc.) ;

– Enfin, les récepteurs dits « à balayage » ; certains de ceux-ci utilisent les méthodes de la télévision, couvrent l'ultraviolet et le visible et s'étendent progressivement vers l'infrarouge moyen ; d'autres possèdent un récepteur unique, quasi ponctuel, qui balaye successivement tous les points de l'image, le courant variable produit servant, par exemple, à moduler une lampe qui, au moyen d'un balayage synchrone, reproduit, en chaque point, les intensités de l'image primaire ; il existe sur le marché des appareils de ce type permettant d'obtenir les images à la cadence cinématographique normale grâce aux radiations émises par les corps considérés à la température ordinaire.

On peut, par le même procédé, analyser une seule ligne et reproduire le résultat sous forme de courbe (analyseurs de spectres, microphotomètres), ou même signaler le comportement d'un seul objet au milieu de nombreux autres ; en général, l'œil n'intervient plus, le signal électrique étant utilisé directement pour effectuer des comptages, des surveillances, des déclenchements d'alarme, des signaux sonores, ou des commandes d'automatisation. Le développement de ces récepteurs a créé une industrie de l'optique instrumentale infrarouge.

Association de l'instrument et du récepteur

Relations entre l'objet et l'image instrumentale

Du point de vue de ses performances, un système optique quelconque est complètement défini par ses pupilles d'entrée Pe et de sortie Ps, de diamètres linéaires Ω et Ω′, d'ouvertures angulaires α et α′, les ouvertures numériques objet et image étant donc sin α et sin α′. On doit avoir, entre ces quantités, la relation dite des sinus d'Abbe, qui s'écrit :

n et n′ sont les indices de réfraction des milieux objet et image, qui sont égaux à l'unité sauf dans les cas d'instruments travaillant en immersion, T et T′ étant les dimensions transversales de l'objet et de l'image, S et S′ les angles sous lesquels ils sont vus.

Système optique à objet et image réels

Dessin : Système optique à objet et image réels

Représentation d'un système optique quelconque donnant d'un objet AB situé dans un plan de front une image A′B′ réelle 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Par définition, la puissance de l'instrument est P = S′/T, et son grossissement G = S′/S. Son champ s'exprime par la valeur maximale de T ou de S, ou encore de T′ ou de S′ correspondant à des images utilisables.

Lorsque l'objet ou l'image s'éloignent à l'infini, α ou α′ tendent vers zéro et T ou T′ vers l'infini, et on utilise alors les expressions SΩ ou S′Ω′.

Soit un instrument d'optique qu'on suppose parfait : du fait de l'ouverture limitée de la pupille d'entrée, tout se passe comme si chaque point de l'objet prenait la forme d'une tache de diffraction, respectivement de rayon linéaire et angulaire :

où λ est la longueur d'onde. En ajoutant, pour chaque point de l'objet, les intensités de toutes les taches de diffraction superposées en ce point, on obtient la distribution des éclairements dans l'objet, vu à travers la pupille d'entrée. On appelle « fonction de transfert » celle qui représente le contraste de l'image en ordonnée en fonction de la fréquence spatiale de l'objet en abscisse. Lorsque la fréquence spatiale augmente (ou que la période diminue), le contraste de l'image décroît ; il s'annule pour une fréquence dite de coupure, dont l'inverse est la limite de résolution.

On obtient ainsi un « objet optique », qui définit les contrastes les plus élevés qu'on puisse atteindre dans l'observation de l'objet à travers la pupille d'entrée. Dans un espace image quelconque de l'instrument, la distribution des luminances, donc des contrastes, est identique à celle de l'objet optique ; les longueurs T′ et les angles S′ sont reliés à T et à S par la relation d'Abbe (1). D'autre part, les éclairements sont inversement proportionnels au carré du grandissement γ ou au carré du grossissement angulaire G :

Pour un instrument présentant des défauts, on obtient dans l'espace image une distribution d'éclairements provenant des effets combinés de la diffraction des aberrations et des défauts de construction. L'application de la formule d'Abbe à une marche inverse des rayons permet de déduire l'objet optique, donc les performances instrumentales.

Association d'un récepteur à l'image instrumentale

Les images considérées jusqu'ici isolément sont toujours associées à des récepteurs dont le mode d'action est analogue, quelle que soit leur nature ; deux facteurs interviennent :

– la structure discontinue de la couche sensible (granularité d'une émulsion, structure d'une image formée par balayage) ou la structure rétinienne ;

– la diffusion dans la couche (constituant une tache à éclairement décroissant plus ou moins rapidement du centre au bord) ; elle peut être d'origine [...]

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Système optique à objet et image réels

Système optique à objet et image réels
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Limite de résolution

Limite de résolution
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Limite de résolution en fonction du diamètre de la pupille

Limite de résolution en fonction du diamètre de la pupille
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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I.O.O. et I.O.G. : diamètres pupillaires

I.O.O. et I.O.G. : diamètres pupillaires
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Écrit par :

  • : professeur honoraire à l'université de Paris-VI Pierre-et-Marie-Curie et à l'université de Paris-XI, Orsay, ingénieur conseil à l'Office national d'études et de recherches aérospatiales

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Pour citer l’article

Albert ARNULF, « OPTIQUE - Optique instrumentale », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/optique-optique-instrumentale/