Optique géométrique

L'optique géométrique est l'étude de la lumière et des images utilisant des principes géométriques. L'optique physique, au contraire, souligne la nature ondulatoire de la lumière, et l'optique quantique (non abordée ici) souligne la nature corpusculaire de la lumière et l'interaction de la lumière et de la matière. L'optique géométrique utilise des rayons linéaires pour représenter les chemins parcourus par la lumière.

Ce chapitre d'introduction aborde les concepts d'optique géométrique servant de base pour une meilleure compréhension des sujets couverts dans les chapitres suivants. Sont inclus 6 exemples cliniques et 24 exercices de fin de section et de fin de chapitre pour renforcer ces concepts. Le chapitre débute en abordant les rayons, la réfraction et la réflexion ; les caractéristiques de l'objet et de l'image ; la propagation de la lumière et l'équation de l'opticien ; la vergence et la vergence réduite ; et les lentilles ophtalmiques. Après un ensemble d'exercices, la discussion se poursuit avec les distances focales et les systèmes afocaux, suivis d'un autre ensemble d'exercices. La section finale aborde les lentilles épaisses, les aberrations optiques, les miroirs, les lentilles sphérocylindriques et les prismes. Les exercices de fin de chapitre sont suivis de deux annexes comportant des détails supplémentaires.

Rayons, réfraction et réflexion

Introduction

Une source lumineuse ponctuelle émet des ondes lumineuses se propageant de ce point dans toutes les directions. Si le milieu dans lequel la lumière se propage est uniforme, les fronts d'ondes se déplacent alors à la même vitesse dans toutes les directions à partir de la source. Ils se propagent ainsi de façon sphérique. L'optique géométrique considère un rayon comme étant une flèche indiquant la direction de propagation de l'énergie, perpendiculaire à une surface de front d'ondes. Un rayon n'est pas un vecteur, puisque sa longueur n'a pas de signification. Si le milieu n'est pas uniforme, la lumière se propage alors à des vitesses variées selon les zones ; les fronts d'ondes résultants deviennent ainsi non sphériques et les rayons ne formeront pas de lignes droites (fig. 1-1). Ce phénomène explique comment, par exemple, les régions au-dessus d'un désert chaud, où l'air a une densité variable, peuvent former un mirage ; pour un observateur assoiffé, l'image d'un lac semble venir d'un autre endroit que sa localisation réelle.

Un faisceau lumineux se propageant dans des milieux uniformes, ayant ainsi des fronts d'ondes sphériques et des rayons rectilignes, permet d'analyser le devenir des rayons lorsque les ondes rencontrent une interface entre deux milieux uniformes : ils peuvent soit se propager dans le nouveau milieu (réfraction), soit revenir dans le premier milieu (réflexion), soit se dissiper en chaleur (absorption).

La réfraction et la réflexion sont qualifiées de diffuses si l'interface est tellement irrégulière que la direction des fronts d'ondes n'est plus identifiable ; elles sont qualifiées de spéculaires si la direction de propagation des fronts d'ondes reste identifiable (fig. 1-2, 1-3).

L'analyse de la réfraction et de la réflexion des rayons permet d'appréhender la formation des images par les systèmes optiques, de connaître leur localisation et leur taille.

Sources lumineuses ponctuelles, pinceaux et rayons lumineux

Une étoile éloignée peut être considérée comme une source ponctuelle de lumière puisque sa taille apparente est très petite. Si une partie du paquet des rayons de lumière qui émanent d'une source lumineuse ponctuelle est éliminée en plaçant une ouverture sur leur trajet, la lumière qui passe par l'orifice est appelé un pinceau de rayons (fig. 1-4). Les rayons passant juste à l'intérieur des bords de l'ouverture sont appelés les rayons limites. Les rayons d'un pinceau lumineux sont divergents, parallèles ou convergents par rapport à la direction de propagation de la lumière (fig. 1-5). Naturellement, les ondes lumineuses divergent de leur source, mais elles peuvent devenir convergentes si elles sont redirigées, par exemple, en passant par une lentille convexe.

Un faisceau lumineux est composé de nombreux paquets de lumière qui proviennent de différents points d'une source étendue de lumière (fig. 1-6). Une ampoule et le soleil sont des exemples de sources étendues de lumière et les objets visibles autour de nous sont des sources étendues de lumière réfléchie. Un projecteur de diapositives émet un faisceau légèrement divergent de pinceaux lumineux convergents, dont chacun a été mis au point par une lentille pour converger sur les points de l'écran d'une salle, formant une image plus grande sur l'écran que la petite image de la diapositive. (Voir exemple clinique 1-1.)