QCM : Optique géométrique et imagerie (50 questions)

Explication

Newton défend une description corpusculaire de la lumière, tandis que Huygens propose une théorie ondulatoire. L’association inverse constitue la confusion classique entre leurs positions.

Explication

Einstein suppose que les quanta de Planck existent sous forme de photons d’énergie $h\nu$, déterminée par la fréquence. L’intensité ne remplace pas la fréquence dans cette relation entre énergie et photon.

Explication

Un rayon lumineux est caractérisé par sa direction et sa vitesse de propagation. La longueur d’onde et la fréquence sont des propriétés de l’onde lumineuse, mais ne constituent pas les deux caractéristiques données pour définir un rayon.

Explication

Le principe de Fermat stipule que la lumière emprunte le trajet dont le temps de parcours est minimal. Le trajet de distance minimale n’est pas nécessairement celui de temps minimal lorsque la vitesse varie selon le milieu.

Explication

Dans un milieu homogène, le rayon lumineux se propage en ligne droite, à une vitesse qui dépend du milieu. Affirmer que sa vitesse est identique dans tous les milieux confond cette vitesse avec celle de la lumière dans le vide.

Explication

L’indice est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à sa vitesse dans le milieu, soit $c/v(\lambda)$, et il est supérieur à 1. Le rapport inversé correspond à une autre quantité et ne donne pas l’indice défini ici.

Explication

Un dioptre est la surface de séparation entre deux milieux transparents dont les indices diffèrent. Une frontière entre milieux de même indice ne répond pas à cette définition.

Explication

Une surface irrégulière produit une réflexion diffuse, qui ne forme pas d’image discernable, tandis qu’une surface très lisse produit une réflexion spéculaire qui en forme une. L’inversion de ces effets est une confusion fréquente entre les deux types de réflexion.

Explication

Le rayon réfracté appartient au plan d’incidence et les angles satisfont la loi de Snell-Descartes. Échanger les angles dans la relation ou remplacer leurs sinus par les angles eux-mêmes ne respecte pas cette loi.

Explication

Au-delà de l’angle limite défini pour ce passage entre indices, le rayon réfracté disparaît et seule subsiste la réflexion. En dessous de cet angle, la réfraction peut se produire : elle ne persiste donc pas lorsque l’incidence dépasse la limite.

Explication

Un système optique centré possède des surfaces transparentes ou réfléchissantes dotées d’un axe de symétrie de révolution, appelé axe optique. La séparation de deux milieux décrit plutôt un dioptre, sans définir à elle seule un système centré.

Explication

Le stigmatisme est établi lorsque les rayons émergents ou leurs prolongements se coupent en un même point image. L’aplanétisme concerne la forme et l’orientation de l’image d’un objet plan, pas la convergence en un point.

Explication

Une image réelle correspond à l’intersection effective des rayons lumineux, comme dans la situation décrite. Une image virtuelle est, au contraire, associée à l’intersection des prolongements des rayons.

Explication

Les conditions de Gauss reposent sur l’utilisation de rayons proches de l’axe et peu inclinés par rapport à lui. Des rayons éloignés de l’axe ne satisfont pas la première de ces conditions, même s’ils sont peu inclinés.

Explication

Le miroir plan est le système présenté comme rigoureusement à la fois stigmatique et aplanétique. Le dioptre plan, contrairement au miroir, n’est pas rigoureusement stigmatique dans des conditions quelconques.

Explication

Le miroir plan forme l’image par symétrie par rapport à son plan, et un objet réel donne une image virtuelle. Une image réelle correspond au cas d’un objet virtuel, et non à celui décrit ici.

Explication

Dans le cas d’un dioptre plan, la position de l’image dépend de l’angle d’incidence, ce qui empêche un stigmatisme rigoureux dans toutes les conditions. La symétrie par rapport au plan caractérise ici la formation d’image par un miroir plan.

Explication

Une lentille mince associe deux dioptres sphériques et son épaisseur est faible devant la valeur absolue de leurs rayons de courbure, ce qui rend leurs sommets confondus au centre optique. Des sommets séparés ne correspondent pas à cette approximation de lentille mince.

Explication

Une lentille convergente possède des bords minces, tandis qu’une lentille divergente possède des bords épais. L’attribution de bords minces à une lentille divergente inverse cette distinction.

Explication

Pour une lentille divergente, le foyer image est virtuel et se trouve en arrière de la lentille. Le foyer image réel en aval est celui d’une lentille convergente pour des rayons incidents parallèles à l’axe.

Explication

Dans les conditions de Gauss, un rayon passant par le centre optique d’une lentille mince n’est pas dévié. Un rayon parallèle à l’axe peut, lui, être associé au foyer image selon que la lentille est convergente ou divergente.

Explication

Les rayons principaux utilisés pour construire l’image partent du sommet de l’objet étendu. Le centre de la lentille est un point de passage utile pour un rayon, mais ce n’est pas le point de départ des rayons de construction.

Explication

Entre $f'$ et $2f'$, une lentille convergente forme une image réelle, renversée et agrandie. Une image virtuelle, droite et agrandie est obtenue lorsque l’objet se trouve à moins de $f'$.

Explication

Lorsque l’objet est à moins de $f'$, l’image formée par la lentille convergente est virtuelle, droite et agrandie. Entre $f'$ et $2f'$, l’image est au contraire réelle et renversée.

Explication

La relation de conjugaison de Descartes s’écrit $\frac{1}{OA'}-\frac{1}{OA}=\frac{1}{f'}$ avec les distances orientées. La relation de rapport entre $OA'$ et $OA$ concerne le grandissement, pas la conjugaison.

Explication

Pour des lentilles minces accolées, la vergence équivalente est la somme des vergences individuelles. La soustraction ne décrit pas la règle générale d’association de lentilles accolées.

Explication

La formule de Gullstrand combine les vergences des deux lentilles et soustrait le terme associé à leur séparation. Le signe positif devant ce terme ne correspond pas à la relation indiquée.

Explication

L’accommodation est assurée par le cristallin, qui participe aussi à la formation des images avec la cornée. L’iris règle l’ouverture de la pupille, tandis que la rétine reçoit l’image.

Explication

La vergence basale est d’environ 18 δ pour une vision à l’infini et peut atteindre environ 33 δ pour une vision à 25 cm. La valeur la plus élevée correspond donc à la vision de près, et non à la vision lointaine.

Explication

Les cônes, concentrés dans la macula ou la fovéa, servent notamment à la vision diurne des couleurs; les bâtonnets sont sensibles en faible lumière et ne donnent pas de perception des couleurs. L’attribution de la vision nocturne aux cônes inverse les rôles de ces photorécepteurs.

Explication

La myopie brouille les objets éloignés et se corrige avec une lentille divergente, alors que l’hypermétropie affecte la vision de près et se corrige avec une lentille convergente. Inverser les lentilles de correction confond les deux amétropies.

Explication

La rigidification partielle du cristallin réduit l’accommodation et peut empêcher la vision de près, ce qui caractérise la presbytie. La myopie concerne surtout la vision lointaine et résulte d’un mécanisme différent.

Explication

Pour un œil jeune et emmétrope, le point le plus proche de vision distincte est à environ 25 cm et le point le plus éloigné est à l’infini. Intervertir ces positions attribue au punctum remotum la distance caractéristique du punctum proximum.

Explication

Un œil trop long caractérise la myopie, qui brouille la vision lointaine et rapproche le punctum remotum ; un œil trop court est associé à l’hypermétropie. L’hypermétropie n’est donc pas le défaut correspondant à un œil trop long.

Explication

La myopie se corrige par une lentille divergente et l’hypermétropie par une lentille convergente, que la correction soit portée en lunettes ou en lentilles de contact. Inverser les deux types de lentilles conduit à une correction inadaptée.

Explication

Le champ imagé varie avec la distance de l’objet à la lentille et avec la dimension considérée sur le capteur. La seule taille de la lentille ne remplace pas ces deux facteurs.

Explication

Lorsque le capteur est au foyer image, le demi-champ angulaire est l’arc tangente du rapport entre la demi-dimension du capteur et la focale image. Prendre le rapport inverse ne représente pas cette géométrie.

Explication

Le grossissement angulaire compare les angles sous lesquels l’objet est vu avec et sans instrument. Le rapport des dimensions de l’image et de l’objet définit plutôt le grandissement.

Explication

La mise au point consiste à ajuster la distance entre la lentille et le capteur afin que l’image se forme nettement sur celui-ci. Modifier le diamètre de l’optique agit sur la lumière collectée et la profondeur de champ, mais ne définit pas cette opération.

Explication

La profondeur de champ est la plage de distances pour laquelle le flou reste indiscernable compte tenu de la taille finie des pixels. La distance lentille-capteur intervient dans la mise au point, mais ne constitue pas la définition de la profondeur de champ.

Explication

En optique géométrique, ce plan objet possède un plan image unique, et l’observation dans un autre plan produit une image floue. Une variation de luminosité ne décrit pas l’effet du décalage par rapport au plan image.

Explication

Le nombre d’ouverture est défini par $N = \frac{f'}{D}$, donc $N = \frac{50}{25} = 2$. Le rapport inverse correspondrait à diviser le diamètre par la focale, ce qui n’est pas la définition de $N$.

Explication

Un grand diamètre optique permet de collecter davantage de lumière, mais s’accompagne d’une profondeur de champ plus faible et d’un coût généralement supérieur. Il ne faut donc pas associer un grand diamètre à une profondeur de champ accrue.

Explication

La résolution spatiale caractérise la capacité à distinguer deux objets proches et s’exprime par une distance minimale dans l’espace objet. L’écart d’intensité relève du contraste, qui est une grandeur distincte.

Explication

Le contraste normalisé est la différence entre les intensités extrêmes divisée par leur somme, et sa valeur varie de 0 à 1. Le rapport entre la somme et la différence inverse les termes et ne correspond pas à cette définition.

Explication

Le rapport signal sur bruit compare l’intensité du signal utile au niveau de bruit, mesuré ici par l’écart type des intensités des pixels sans signal. La différence entre les intensités extrêmes sert plutôt au calcul du contraste.

Explication

La diffraction correspond à une modification de la propagation lumineuse au voisinage d’un obstacle ou d’une ouverture, contrairement aux prédictions de l’optique géométrique. La réfraction, distracteur plausible, décrit un changement de direction lors du passage entre milieux.

Explication

La diffraction étale l’image d’un point en une tache, et la taille de celle-ci est proportionnelle à la longueur d’onde, ce qui limite la distinction de détails proches. La fréquence d’acquisition peut influer sur l’échantillonnage, mais elle ne fixe pas la taille de la tache de diffraction.

Explication

Une aberration est l’écart entre le trajet paraxial prédit et le trajet réel, de sorte que les rayons issus d’un même point objet convergent vers différents points image. La diffraction peut elle aussi élargir l’image d’un point, mais elle désigne un autre phénomène physique.

Explication

Lorsque les détails optiques sont plus petits que les pixels, ils sont perdus lors de l’acquisition et la résolution enregistrée est limitée par la taille des pixels. La résolution optique détermine l’enregistrement lorsque les pixels sont plus petits que le plus petit détail optique.