OPTIQUEOptique instrumentale

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Structures instrumentales

Les instruments visuels les plus simples sont conformes à la figure ; nous renvoyons aux articles télescopes, microscopie photographie-Objectifs photographiques, pour n'envisager ici que les lunettes terrestres, les périscopes et les endoscopes.

Objet à l'infini et à distance finie

Diaporama : Objet à l'infini et à distance finie

Représentation schématique d'un instrument visuel observant à l'infini (a) et à distance finie (b) 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Redressement des images

Le redressement de l'image peut être obtenu soit par une combinaison de surfaces réfléchissantes, soit par un « véhicule ».

Redressement par surfaces planes réfléchissantes

On utilise le plus souvent des prismes à réflexion totale, beaucoup plus faciles à monter et à conserver que les miroirs ; ces derniers sont cependant parfois utilisés.

Il faut d'abord citer les combinaisons de Porro. Le système de Porro se compose de deux ensembles de deux surfaces perpendiculaires entre elles, dont les deux arêtes d'intersection sont également perpendiculaires entre elles. Dans la première espèce, le rayon incident sur la première face est parallèle au rayon émergent de la deuxième face. Pour la seconde espèce, le rayon réfléchi par la deuxième face est perpendiculaire au rayon incident sur la première. Un quelconque des quatre prismes élémentaires peut être séparé des autres à condition qu'on ne change pas son orientation. La combinaison de Porro est de loin la plus usitée.

Prismes redresseurs de Porro

Dessin : Prismes redresseurs de Porro

Prismes redresseurs de Porro (première espèce) 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les prismes de la figure (a, b, c) redressent totalement l'image. Leur inconvénient est d'être difficile à construire et d'avoir de plus longs trajets dans le verre : on y a joint le prisme rhomboèdre, qui déplace latéralement le faisceau sans changer l'orientation de l'image.

Les figures schématisent un corps de jumelles à prismes et un corps de jumelles périscopiques, l'un et l'autre composés d'un objectif et d'un oculaire auxquels est joint un système de Porro.

Les jumelles commerciales ont des grossissements égaux à 4, 6, 8, 12 ou 16, les plus fréquents étant 6 et 8. Le plus souvent, le diamètre du disque oculaire est voisin de 3,3 mm, le champ image étant de 500 à 550. Il atteint 650 pour les jumelles à grand champ et 850 pour les oculaires munis de surfaces asphériques. Les instruments permettant une vision au crépuscule et pendant la nuit possèdent des disques oculaires de 6 à 8 millimètres. Le réglage de l'écart d'yeux est effectué par rotation des corps autour d'un même axe. Pour les instruments militaires lourds, on préfère souvent déplacer l'un des corps parallèlement à l'autre. Lorsque le diamètre de l'objectif dépasse celui de l'écart d'yeux, on rapproche les axes optiques au moyen de deux rhomboèdres dont la rotation autour de l'axe optique fait varier l'écart d'yeux.

On peut rattacher à ces instruments de nombreux appareils de topographie et de géodésie, les diverses lunettes de visée, les appareils de pointage, certains étant agencés pour faire le tour complet de l'horizon sans déplacement du pointeur (types panoramiques), les lunettes de tir au fusil et de chasse.

La mise au point de tous les instruments de nuit doit être modifiée systématiquement de − 1,5 dioptrie afin qu'ils soient adaptés à la myopie de nuit des utilisateurs.

Redressement par véhicule

Un véhicule est un système composé de deux lentilles, V1 et V2, et fournit une image renversée I2 de l'image I1 formée par l'objectif Ob. L'image I2, droite par rapport à l'objet, est observée à l'aide d'un oculaire Oc et l'ensemble porte le nom d'oculaire terrestre.

Lunette de visée de nuit

Dessin : Lunette de visée de nuit

Représentation schématique d'un instrument à véhicule (lunette de visée de nuit) 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le véhicule allonge les instruments ; lorsque cela ne présente pas d'inconvénients, ce système est avantageux parce que beaucoup moins coûteux que les prismes, en particulier pour la chasse de nuit, et dans des instruments périscopiques de petites dimensions. Il est utilisé systématiquement dans les périscopes et les endoscopes pour obtenir la plus grande longueur possible.

Allongement des instruments

L'observation ou la surveillance d'objets inaccessibles ou dangereux exige des instruments de performances modestes, en général, mais dont la longueur peut être considérable : c'est le cas des périscopes ainsi que des endoscopes médicaux ou industriels. Deux procédés sont utilisés : transport d'image par véhicule, avec œil de chat et renversement d'image, et transport par système afocal associé à un objectif.

Transport d'image par véhicule

La figure représente le schéma de principe d'un périscope (objet à l'infini). L'objectif, de longueur focale fob, forme l'image, de rayon y1, sur le verre de champ C1 ; un véhicule, composé de deux lentilles V1 et V2, de longueurs focales fV1 et fV2, séparées par un intervalle T, appelé longueur de transport, forme l'image de C1 en C2 ; si la longueur totale du système est suffisante, on observe l'image intermédiaire avec un oculaire. Sinon, on introduit des systèmes identiques à V1, V2, C2 en nombre suffisant.

Périscope : marche des rayons

Dessin : Périscope : marche des rayons

Marche des rayons dans un périscope 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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On trouve pour le grossissement angulaire G :

avec O = G × o, O et o étant les diamètres des pupilles d'entrée et de sortie. Si y1 est le diamètre de l'image fournie par l'objectif et si u est le demi-angle de champ, on a :

La marche des rayons obliques montre que la largeur du faisceau incliné situé entre les véhicules est d'autant plus faible que le transport T est plus long. La pupille située au milieu de la distance entre les véhicules représente la partie commune à deux cercles de rayon d/2, dont la distance suivant la ligne des centres est égale à BC. Soit d le diamètre libre des lentilles du véhicules et y1 le rayon de l'image objective ; si on appelle μ le rapport BC/AC, on obtient :

Périscope : marche des rayons

Dessin : Périscope : marche des rayons

Marche des rayons dans un périscope 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Périscope : marche des rayons

Dessin : Périscope : marche des rayons

Marche des rayons dans un périscope 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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On admet alors que l'observateur ne remarque pas l'assombrissement progressif de l'image vers le bord, pour μ = 0,3. Prenons y1 = 30 mm, fV1 = 2 000 mm et d = 120 mm ; on trouve T = 5 600 mm (périscope de sous-marin).

L'allongement obtenu est considérable. Ce qui précède s'applique de la même manière à partir de l'image formée en C1. Le cas de l'objectif sera examiné plus loin.

Transport d'image par association d'un système afocal à un objectif

Soit y le diamètre libre des lentilles, constant sur toute la longueur du tube, entre l'entrée E et la sortie S de l'instrument ; le champ de demi-angle u étant imposé, fob est beaucoup plus petite que la distance ES. On procède comme suit pour obtenir en S une image possédant le champ voulu : on choisit un objectif Ob dont la pupille d'entrée soit située en E, et de longueur focale telle que son image I se forme en S ; l'image étant beaucoup trop grande, le champ est réduit ; pour obtenir, sans changer la position de l'image, un champ k fois plus grand, correspondant à une longueur focale k fois plus petite, on place devant l'objectif Ob un système afocal L1L2, de grossissement Ga = 1/k inférieur à 1 (lunette à l'envers). Le demi-champ primitif étant u, le champ nouveau uk s'en déduit par :

Objectif de courte longueur focale

Dessin : Objectif de courte longueur focale

Objectif de courte longueur focale à très long tirage 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La longueur focale de l'objectif muni de L1L2 est alors :

l'image étant restée à la même place. On utilise presque exclusivement, comme système afocal, des lunettes de Galilée inversées qui ont le double avantage de ne pas renverser les images et d'introduire une lentille divergente puissante qui apporte des surcorrections [...]

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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
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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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 03 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/optique-optique-instrumentale/