Fiche de révision : Instruments d’optique

📋 Plan du Cours

1. Évolution historique des instruments
2. Œil humain et vision
3. Loupe et observation agrandie
4. Appareil photo et profondeur de champ
5. Microscope optique
6. Lunettes et systèmes afocaux

📖 1. Évolution historique des instruments

📝 Points essentiels

• L’évolution chronologique comprend: la loupe vers 500 av. J.-C., la longue-vue vers 0, la lunette astronomique en 1500, le télescope en 1600, le microscope optique en 1700, le microscope électronique à balayage en 1850 ou 1950, le microscope électronique à transmission en 1900, le STEM en 2015

💡 Astuce mémo

De la loupe aux microscopes électroniques puis au STEM

📖 2. Œil humain et vision

🔑 Notions clés & Définitions

• Œil réduit : Modèle optique composé d’un diaphragme ou iris qui règle la lumière, d’une lentille convergente ou cristallin qui focalise l’image, et d’un écran ou rétine où se forme une image réelle et renversée.
• Accommodation : Modification de la vergence du cristallin par les muscles ciliaires afin de former une image nette sur la rétine.

★ À maîtriser

• Pour un œil emmétrope, le punctum remotum est situé à l’infini au repos et le punctum proximum est situé à environ 25 cm en accommodation maximale.

📐 Formule — Le pouvoir de résolution vérifie $\tan(\alpha) \approx \alpha = \frac{AB}{d_m}$.

📌 La myopie forme l’image d’un objet à l’infini en avant de la rétine et se corrige par une lentille divergente de vergence négative, tandis que l’hypermétropie la forme en arrière de la rétine et se corrige par une lentille convergente de vergence positive.

Compléments

• La distance fixe entre le cristallin et la rétine est d’environ 15 mm.

• Pour un œil normal, l’angle limite vaut environ 3 · 10⁻⁴ rad et, à 25 cm, la taille minimale mesurable est d’environ 24 µm.

• La presbytie résulte d’une diminution liée à l’âge de l’élasticité du cristallin et provoque le recul du punctum proximum.

💡 Astuce mémo

Myopie en avant, hypermétropie en arrière

📖 3. Loupe et observation agrandie

🔑 Notions clés & Définitions

• Loupe : Lentille mince convergente de courte distance focale utilisée pour observer un objet de petite taille.

📝 Points essentiels

• Pour observer sans fatigue avec une loupe, l’objet est placé au foyer objet F, ce qui rejette l’image virtuelle à l’infini.

📐 Formule — La puissance d’une loupe vérifie $P = \frac{\alpha'}{\overline{AB}} = \frac{1}{f'}$.

📐 Formule — Le grossissement commercial d’une loupe vérifie $G_c = \frac{\alpha'}{\alpha} = P \cdot d_m = \frac{d_m}{f'}$, avec $d_m = 25\text{ cm}$.

💡 Astuce mémo

Objet au foyer → image virtuelle à l’infini → observation sans fatigue

📖 4. Appareil photo et profondeur de champ

🔑 Notions clés & Définitions

• Appareil photo : Dispositif comprenant un objectif équivalent à une lentille convergente de focale f', un diaphragme qui règle le diamètre D de l’ouverture et un capteur ou film formé de pixels.
• Cercle de confusion : Tache de flou formée sur le capteur par l’image d’un point qui n’est pas parfaitement focalisé.

📝 Points essentiels

📌 Une image est considérée comme nette lorsque le diamètre de la tache de flou ne dépasse pas la taille d’un pixel d'.

• La profondeur de champ augmente si l’on:
  • ferme le diaphragme
  • utilise une focale courte
  • éloigne l’objet observé

📖 5. Microscope optique

🔑 Notions clés & Définitions

• Microscope optique : Système centré composé de deux systèmes convergents, l’objectif L1 et l’oculaire L2.
• Cercle d’oculaire : Image de la monture de l’objectif donnée par l’oculaire et zone la plus lumineuse où convergent les faisceaux émergents.

★ À maîtriser

• Dans un microscope, l’objectif de très courte focale forme une image intermédiaire réelle, renversée et très agrandie, puis l’oculaire utilisé comme une loupe forme l’image finale à l’infini.

📐 Formule — L’intervalle optique vérifie $\Delta = \overline{F'_1F_2}$, le grandissement de l’objectif vérifie $\gamma_1 = -\frac{\Delta}{f'_1}$ et la puissance du microscope vérifie $P = \frac{\Delta}{f'_1 f'_2}$.

Compléments

📐 Formule — Le grossissement commercial du microscope vérifie $G_c = |\gamma_1| \cdot G_{c2} = P \cdot d_m$.

💡 Astuce mémo

Objectif → image intermédiaire → oculaire → image finale à l’infini

📖 6. Lunettes et systèmes afocaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Système afocal : Système dans lequel le foyer image de l’objectif coïncide avec le foyer objet de l’oculaire, soit $F'_1 = F_2$, et où un objet à l’infini donne une image à l’infini.

★ À maîtriser

📌 La lunette de Kepler associe un objectif convergent et un oculaire convergent et fournit une image finale renversée, tandis que la lunette de Galilée associe un objectif convergent et un oculaire divergent et fournit une image finale droite.

Compléments

• Dans la lunette de Galilée, le foyer objet de l’oculaire F2 est virtuel, ce qui contribue à obtenir une image finale droite adaptée à l’observation terrestre.

💡 Astuce mémo

Kepler renverse, Galilée redresse

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des lunettes afocales