Optisk system

Et optisk system er en samling av optiske elementer, som speil, linser, diffraksjonsgitter, etc. slik at du kan endre banen til lysstråler eller lysets egenskaper. Den lys gjennomgår refleksjoner , refraksjoner , diffusjoner , diffraksjoner , filtrering , etc. avhengig av analysenivået på reiser.

Sentrerte systemer

Et sentrert optisk system er et sett med optiske komponenter som har en revolusjonsakse som kalles en optisk akse . Sentrerte systemer er sjelden stigmatiske, med mindre et sett med membran bare tillater paraksiale stråler å passere, det vil si nær den optiske aksen, og dermed begrenser systemet til domenet til den Gaussiske tilnærmingen .

Et sentrert system er preget av dets hovedpunkter som inkluderer:

den objektbrennpunktene F og bilde F ' og de tilsvarende fokalplanene,
den viktigste formål peker H og bilde H ' og de tilsvarende hovedplanene,
de objekt knutepunktene N og bilde N ' og de tilsvarende knutepunkter flyene.

Plasseringen av disse forskjellige punktene avhenger av brytningsindeksen n for mediet oppstrøms og brytningsindeksen n ' nedstrøms for det optiske systemet.

De objektet og bildebrennvidder er definert ved: $f$ $f '$

f = \ overline {HF}

og .

f '= \ overline {H'F'}

Systemets forgens kan uttrykkes:

V = \ frac {n '} {f'} = - \ frac {n} {f}

Posisjonen til nodene kan uttrykkes fra posisjonen til hovedpunktene :

\ overline {HN} = \ overline {H'N '} = f + f'

Hvis det sentrerte systemet er nedsenket på begge sider i samme medium, er nodepunktene og hovedpunktene de samme ( ). ${\ displaystyle f = -f '}$

Posisjonene til et objekt A som ligger på den optiske aksen og dets bilde A ' , også på den optiske aksen, er koblet sammen takket være bøyningsforholdene :

opprinnelse ved hovedpunktene:

\ frac {n '} {\ overline {H'A'}} - \ frac {n} {\ overline {HA}} = V = \ frac {n '} {f'}

;

opprinnelse ved utbruddene:

\ overline {F'A '} \ cdot \ overline {FA} = f \ cdot f'

For et objekt som er utvidet vinkelrett på den optiske aksen, relaterer den tverrgående forstørrelsesformelen objektets dimensjoner og bildet:

\ gamma = \ frac {\ overline {A'B '}} {\ overline {AB}} = - \ frac {f} {\ overline {FA}} = - \ frac {\ overline {F'A'}} {f '}

Off-axis systemer

Klassifisering

Tre klasser av optiske systemer skiller seg ut.

Dioptriske systemer

Lysstråler gjennomgår bare refraksjoner. De kommer inn gjennom inngangsflaten og går ut gjennom utgangsflaten. Dioptriske systemer består bare av dioptrier ( prismer , linser , kniver med parallelle flater osv.).

Noen optiske instrumenter dioptriske systemer som teleskopet , det galileiske teleskopet (spotting scope eller telescope), noen teleskoper eller de fleste fotografiske linser .

Den optiske kondensatoren som tillater jevn belysning av feltet observert i et optisk instrument, er et optisk system (spesifikt for utformingen av enheten, men individuelt uegnet som instrument).

Lysstråler gjennomgår bare refleksjoner, enten dette er speilrefleksjonsfenomener ( plane , sfæriske , parabolske eller elliptiske speil ) eller total refleksjon ( prismer ).

Katadioptriske systemer

Lysstråler gjennomgår refleksjoner og refraksjoner. Et katadioptrisk system kan bestå av linser og speil ( katoptiske , katadioptriske linser ) og / eller prismer ( reflekssyn , kikkert ).

Konseptet med optisk instrument

Kombinasjonen av disse optiske systemene kalles et optisk instrument. Uttrykkene optisk instrument eller optisk instrument (også ofte brukt) betegner disse samlingene av forskjellige optiske systemer i mer eller mindre komplekse sammenstillinger for et bestemt formål.

Geometriske optiske egenskaper

Bilder og gjenstander

Overflaten til et objekt, enten det er lysende (primær kilde) eller om det er opplyst (sekundær kilde), kan brytes ned i et sett med elementære overflater som danner et mangfold av kildepunkter. Hvert av kildepunktene utgjør et objektpunkt som kan studeres uavhengig av de andre. Et objektpunkt er skjæringspunktet mellom hendelsesstrålene som møter det optiske systemet. Den er plassert på toppen av den innfallende koniske bjelken.

Hvis det er plassert før inngangsflaten til det optiske systemet, sies det å være ekte , det avgir effektivt lysstråler i form av en divergerende stråle.
Hvis det er lokalisert etter, sies det å være virtuelt , det er konvergenspunktet for virtuelle stråler.

I den grad vi anser at det optiske systemet danner en konisk fremvoksende stråle, er toppunktet på kjeglen et bildepunkt , det er skjæringspunktet mellom strålene som kommer fra det optiske systemet.

Bildepunktet sies å være reelt hvis det er lokalisert nedstrøms for utgangsflaten med hensyn til lysets forplantningsretning ved utgangen av det optiske systemet. De nye strålene konvergerer, bildepunktet er i skjæringspunktet mellom virkelige stråler.
Bildepunktet sies å være virtuelt hvis det er plassert oppstrøms utgangsflaten til det optiske systemet. I dette tilfellet avviker de nye strålene, og bildepunktet er i skjæringspunktet mellom virtuelle stråler.

Et objekt som ligger ved uendelig er en kilde som sender ut parallelle lysstråler, et bilde dannes ved uendelig når lysstrålene som danner det er parallelle.

Stigmatisme

Stigmatisme er en egenskap av optiske systemer som, hvis de er stigmatiske, danner et punktbilde for et punktobjekt. Alle lysstrålene som passerer gjennom objektet gjennom systemet vil da passere gjennom bildepunktet.

I virkeligheten er stigmatisme veldig sjelden, og bare visse optiske systemer er strengt stigmatiske. Imidlertid tillater flere andre oss å nærme oss denne tilstanden til stigmatisme, og vi snakker da om tilnærmet stigmatisme. Når det gjelder tilnærmet stigmatisme, er systemet faktisk stigmatisk for en rekke bestemte punkter, og ikke stigmatiske for andre.

Den strenge stigmatismen eksisterer i tilfelle av flyspeilet for eksempel, mens flydiopteren bare tillater en tilnærmet stigmatisme.

Aplanetisme

Et objekt er generelt ikke punktlig: vi snakker om et utvidet objekt . Stigmatisme for et punkt, enten det er streng eller omtrentlig, garanterer ikke å få bildet av noe objekt. Når stigmatismen holdes nær et punkt og i et plan vinkelrett på den optiske aksen, sies det at systemet er aplanatisk . Bildet av et lite objekt vinkelrett på aksen er da i planet vinkelrett på aksen som inneholder bildene av punktene som utgjør objektet.

Spesielle poeng

Svært ofte har elementene i et optisk system en revolusjonssymmetri. Vi snakker om et sentrert system når de forskjellige elementene har en felles symmetriakse: den optiske aksen .

Et slikt system defineres deretter av dets hovedelementer - spesielt fokuspunkter og hovedplan , noe som gjør det mulig å definere brennvidder og konstruere bildene.

Dioptrier og speil av noe slag

Det er nødvendig å insistere på at lovene, tidligere definert, på ingen måte krever flatens grensesnitt: de er lokale lover som gjelder hvis man kan definere en normal i grensesnittet på det punktet hvor radiusen l 'nådde (punkt av forekomst).

Snell-Descartes-lovene gjelder derfor når overflatene ikke er plane. Anvendelsen av refleksjons- og refraksjonslover gjør det mulig å spore skjebnen til enhver innfallende stråle, og dermed gi informasjon om geometrien til den reflekterte strålen og (eller) til den refrakterte strålen.

Figuren motsatt gir et eksempel i tilfelle av en konkav diopter, der brytningsmediet (i blått) er mer brytbart enn forekomstmediet.

Sfæren til den sfæriske diopteren er spesielt viktig, siden den begrenser ansiktene til linsene som er vanligst og de eldste som brukes, fordi de er lettest å produsere teknisk ved bruk og polering.

For speil , i tillegg til plane speil, er sfæriske speil og parabolske speil (for eksempel reflektorer av billykter) mest brukt.

Noen applikasjoner

Arvefølgen av dioptrer

Suksessen til to ikke-parallelle plane dioptre utgjør et prisme , hvis egenskaper av total refleksjon eller spredning (evne til å skille de forskjellige bølgelengdene) gjør det til et mye brukt objekt (for tiden, når det gjelder spredning, er det fortrengt av nettverk (fysisk optisk) ).

Suksessen til to dioptrier, hvorav den ene er sfærisk (eller sylindrisk), utgjør en linse .

Optiske instrumenter

den forstørrelsesglass det er det enkleste brytningsoptiske instrumentet, det består av en enkelt konvergerende linse.

Bruken er basert på muligheten for å få et bilde, i samme forstand som objektet (rett og virtuelt): detaljer om objektet blir da sett fra en større vinkel enn de kunne være med det blotte øye. For å gjøre dette må objektet være plassert i en avstand fra forstørrelsesglasset mindre enn eller lik brennvidden.

den kamera Prinsippet med kameraet er også veldig enkelt: en enkelt konvergerende linse (i virkeligheten en lært og kompleks kombinasjon - ofte hemmelig - av flere ekte linser), som gir objektet et reelt bilde samlet på en skjerm. I dette tilfellet er bildet vanligvis mindre enn objektet. Det eneste spesielle ved dette instrumentet er at det krever en lysfølsom mottaker for å ta opp bildet. Denne reseptoren kan være en film som inneholder lysfølsomme sølvsalter (kjemisk prosess for det såkalte sølvfotoet) eller en lysfølsom celle (CCD) (fysisk prosess for det såkalte digitale bildet). Newtons teleskop Det er et afokalt system som består av et parabolsk eller sfærisk speil med stor diameter som er ansvarlig for å samle lys fra stjerner, etterfulgt av et kortere brennviddeobjektiv (okularet) som fungerer som et forstørrelsesglass for å se det mellomliggende bildet. Trikset med Newtons teleskop er å plassere et lite plan speil som gjør at okularet kan plasseres 90 °. Teleskop Det er et afokalt system som består av en linse med stor diameter og stor brennvidde (målet) som er ansvarlig for å samle lyset som kommer fra stjernene, etterfulgt av en linse med kort brennvidde (okularet) som fungerer som et forstørrelsesglass å se ut ved mellombildet.

Det brytende teleskopet gir et omvendt bilde. Det er derfor dårlig egnet til observasjon av jordiske gjenstander. Vi bruker det såkalte "terrestriske" teleskopet eller Galileo-teleskopet , instrumentet har et objektivt, men bruker en divergerende linse som okular: på denne måten er det endelige bildet rett.

Mikroskop Prinsippet for det optiske mikroskopet er å oppnå et veldig forstørret bilde av et ekte objekt, med liten dimensjon, plassert i en begrenset avstand, takket være en linse, med veldig kort brennvidde, kalt objektiv , og å observere bruk av d 'a forstørrelse glass (faktisk et kraftig okular) dette forstørrede bildet: dette instrumentet bruker derfor to konvergerende linser (faktisk, objektiv og okular, som ligner, i fine, til to konvergerende linser, er komplekse kombinasjoner av enkle linser).

Mangler som er forbundet med bruk av plane eller sfæriske dioptrier

Disse feilene skyldes den ikke-stigmatiske eller spredte karakteren til elementene som brukes som gir opphav til avvikene : man skiller de geometriske avvikene (eller, mer restriktivt, av sfærisitet) som følge av ikke-stigmatisme og de såkalte kromatiske avvik som følge av materialets spredte natur (fokuset på en ikke-akromatisk linse er ikke det samme for blått som for rødt).

For å dempe eller eliminere sfæriske feil, brukes for tiden asfæriske dioptrier ofte omtalt i "formelen" for kommersielle mål.

Dempingen av kromatiske defekter oppnås ved sammenheng av briller, med tilstrekkelig spredningskraft, som tillater tilfredsstillende kompensasjon i et visst område av bølgelengder: de beste korreksjonene er angitt med betegnelsen "apo" (for apokromatisk) mål.

Merknader og referanser

Denne artikkelen er helt eller delvis hentet fra artikkelen med tittelen " Geometric optics " (se forfatterlisten ) .

Merknader

Tamer Becharrawy , Geometric Optics ( les online ) , s. 192-193.
Bernard Balland , geometrisk optikk: bilder og instrumenter , Lausanne, Presses polytechniques et universitaire romandes,2007, 860 s. ( ISBN 978-2-88074-689-6 , leses online ) , s. 244.
Jean-Paul Parisot , Patricia Segonds og Sylvie Le Boiteux , fysikk kurs: optikk , Paris, DUNOD ,2003, 2 nd ed. , 355 s. ( ISBN 2-10-006846-6 ) , s. 101-102.
Eugène Hecht ( trans. Fra engelsk), Optique , Paris, Pearson Education Frankrike,2005, 4 th ed. , 715 s. ( ISBN 2-7440-7063-7 ) , s. 155.
Agnès Maurel , Geometrisk optikk: kurs , Paris, Belin ,2002, 217 s. ( ISBN 2-7011-3035-2 ) , s. 70-71.

Bibliografi

Philippe Binant, In the heart of digital projection , Actions, 29 , 12-13, Kodak, Paris, 2007.
Luc Dettwiller, Optiske instrumenter , 2 nd edition, ellipser, Paris, 2002.
Maurice Daumas, Vitenskapelige instrumenter XVII th og XVIII th århundrer , PUF, Paris, 1953.