Trois systèmes d'imagerie optique courants

Sur la base de l'étude des divers phénomènes de propagation de la lumière, divers instruments optiques ont été conçus et fabriqués, tels que des microscopes pour l'observation de petits objets, des télescopes pour l'observation d'objets lointains, des caméras, des caméras vidéo, etc.

L'instrument optique dispose généralement d'un système optique, dont le rôle est d'imager l'objet observé pour l'observation de l'œil humain ou de détecter avec des dispositifs photoélectriques.

Les systèmes optiques sont généralement composés d'un ou de plusieurs composants optiques. Chaque composant optique est constitué d'un milieu avec un indice de réfraction, qui est entouré d'une sphère, d'un plan ou d'une sphère non sphérique.

Le centre de courbure de surface de chaque élément optique constituant le système optique sur la même ligne droite du système optique est appelé système optique coaxial, et cette ligne droite est appelée l'axe optique.

Il existe également des systèmes optiques non coaxiaux (par exemple, des systèmes de spectromètre comprenant un prisme dispersé ou une trame dispersée).

Tous les composants optiques du système optique sont composés de sphères, appelées systèmes sphériques.

Si un système optique contient une surface non sphérique, il est appelé un système asphérique.

La lentille unique est l'unité de base du système sphérique coaxial.

Les lentilles peuvent être divisées en deux catégories selon la forme: la première catégorie est appelée lentille convergente ou lentille positive, caractérisée par une épaisseur intermédiaire, bord mince; La deuxième catégorie est la lentille diffuse ou la lentille négative, caractérisée par le milieu mince et épaisse sur les deux côtés.

Selon la loi de propagation de la lumière et le plan d'onde, étudier la propagation du faisceau à travers la lentille.

(1) lentille convergente ou lentille positive

Comme le montre la figure 1, pour un faisceau concentrique émis du point A, son PQ avant-onde est une sphère au centre de A. Lorsque le faisceau de lumière traverse la lentille, parce que l'indice de réfraction du verre est supérieur à l'indice de réfraction de l'air, selon la relation entre l'indice de réfraction et la vitesse de la lumière dans le verre est inférieure à la vitesse de propagation dans l'air, l'épaisseur du centre de la lentille est supérieure à l'épaisseur du bord, de sorte que la partie centrale se propage plus lentement, et la partie bord se propage plus rapidement. Dans le cas de la figure 1, lorsque la lumière du centre se propage de O à O’, la lumière du bord s’est propagée respectivement de P et Q à P’, Q’, la surface d’onde d’émission est courbée de gauche à droite et l’ensemble du faisceau se plie dans la direction de l’axe de lumière, appelée « convergence ». Si la surface de la lentille choisit la forme de surface appropriée, la surface de l'onde d'émission peut toujours être sphérique. Les rayons émis correspondants se croisent au point A’, qui est évidemment le centre de l'onde sphérique émise. "A" est un "point semblable" formé par le point A à travers l'objectif, et le point A est appelé "point d'objet".

Dans la figure 1, A 'est l'intersection de la lumière réelle. Si vous placez l'écran sur A', vous pouvez voir un point lumineux sur l'écran, un tel point est appelé "point réaliste".

(2) lentille diffuse ou lentille négative

Comme le bord de la lentille diffuse est plus épais que le centre, la partie centrale du faisceau se propage plus rapidement que la lentille convergente, tandis que le bord se propage plus lentement. comme indiqué dans la figure 2. Après que le faisceau passe à travers la lentille, la surface d'onde est courbée vers la gauche et la lumière émise correspondante est déviée vers l'extérieur, appelée "diffusion". Si la surface de l'onde d'émission est sphérique, toutes les extensions de la lumière passent par le centre de la sphère A' de l'onde sphérique. Lorsque vous regardez derrière la caméra, la lumière que vous voyez est exactement la même que celle émise par A ', mais ne peut pas être affichée sur l'écran. De tels points sont appelés « points imaginaires ».

Dans les figures 1 et 2, le point A est le point de départ de la lumière réelle, appelée « point ».

Si le point A n'est pas un point lumineux réel, mais un autre point d'image d'un système optique, avant que la lumière atteigne le point A, le premier côté du système optique arrière commence à changer la direction de propagation, comme le montre la figure 3. À ce stade, la lumière réelle ne passe pas par le point A, mais sa ligne d'extension se croise au point A, connu sous le nom de « point imaginaire ».

(3) Système optique coaxial

Mettez O1, O2, L, Ok pour indiquer un système optique avec k-faces, comme le montre la figure 4.

Les ondes sphériques émises par le point lumineux A1 émettent un faisceau concentrique au centre du point A1, le point A est appelé le point. Si la sphère est toujours une onde sphérique après avoir traversé le système optique, c'est-à-dire un faisceau concentrique au centre du point Ak' et que le point Ak' est également un point géométrique, alors c'est une image parfaite de A1. Par conséquent, la condition d'imagerie parfaite d'un système optique est que lorsque l'onde entrante est une onde sphérique, l'onde sortante est également une onde sphérique. Ou, selon la loi de Marius, le rayon de lumière entre les points correspondants avant l'onde entrante et avant l'onde émise est une valeur fixe. Par conséquent, la distance entre le point A1 et son point idéal comme Ak’ est une constante. Pour les systèmes optiques avec des faces k comme illustré à la figure 4,

L'espace dans lequel se trouve l'objet (y compris les objets réels et virtuels) est appelé l'espace objet. L'espace dans lequel se trouvent les images (physiques et imaginaires) est appelé espace d'image. Les deux espaces s’étendent à l’infini, sans être séparés mécaniquement par la surface de réfraction ou les côtés gauche et droit du système optique.

Cependant, l'indice de réfraction du milieu de l'espace doit être calculé en fonction de l'indice de réfraction du milieu de l'espace devant le système où se trouve la lumière réelle entrée; L'indice de réfraction d'un milieu spatial tel qu'un milieu spatial doit être calculé en fonction de l'indice de réfraction du milieu spatial derrière le système où la lumière émise réellement. Calcule s'ils sont des points physiques ou des points fictifs, des points réels ou des points imaginaires.

Par exemple, le point imaginaire A de la figure 3, bien que positionné à l'arrière du système, l'indice de réfraction du milieu de l'espace du corps est toujours calculé en fonction de l'indice de réfraction du milieu dans l'espace où la lumière réelle entrante est point A (c'est-à-dire l'espace devant la lentille). . De même, en fonction de l'indice de réfraction du milieu dans l'espace où se trouve la lumière émise réelle (c'est-à-dire l'espace derrière la lentille), l'indice de réfraction correspondant au point imaginaire A' comme le milieu dans l'espace est calculé.

Selon le théorème de la réversibilité du chemin optique, si le point A' est considéré comme un point de recadrage, la lumière émise par A' doit se rencontrer au point A et le point A devient une image formée par A' via le système optique. Cette correspondance entre les points A et A' est appelée "conjugation".