OPTIQUE Optique instrumentale

Redressement par surfaces planes réfléchissantes

On utilise le plus souvent des prismes à réflexion totale, beaucoup plus faciles à monter et à conserver que les miroirs ; ces derniers sont cependant parfois utilisés.

Il faut d'abord citer les combinaisons de Porro. Le système de Porro se compose de deux ensembles de deux surfaces perpendiculaires entre elles, dont les deux arêtes d'intersection sont également perpendiculaires entre elles. Dans la première espèce, le rayon incident sur la première face est parallèle au rayon émergent de la deuxième face. Pour la seconde espèce, le rayon réfléchi par la deuxième face est perpendiculaire au rayon incident sur la première. Un quelconque des quatre prismes élémentaires peut être séparé des autres à condition qu'on ne change pas son orientation. La combinaison de Porro est de loin la plus usitée.

Les prismes de la figure (a, b, c) redressent totalement l'image. Leur inconvénient est d'être difficile à construire et d'avoir de plus longs trajets dans le verre : on y a joint le prisme rhomboèdre, qui déplace latéralement le faisceau sans changer l'orientation de l'image.

Les figures schématisent un corps de jumelles à prismes et un corps de jumelles périscopiques, l'un et l'autre composés d'un objectif et d'un oculaire auxquels est joint un système de Porro.

Les jumelles commerciales ont des grossissements égaux à 4, 6, 8, 12 ou 16, les plus fréquents étant 6 et 8. Le plus souvent, le diamètre du disque oculaire est voisin de 3,3 mm, le champ image étant de 50⁰ à 55⁰. Il atteint 65⁰ pour les jumelles à grand champ et 85⁰ pour les oculaires munis de surfaces asphériques. Les instruments permettant une vision au crépuscule et pendant la nuit possèdent des disques oculaires de 6 à 8 millimètres. Le réglage de l'écart d'yeux est effectué par rotation des corps autour d'un même axe. Pour les instruments militaires lourds, on préfère souvent déplacer l'un des corps parallèlement à l'autre. Lorsque le diamètre de l'objectif dépasse celui de l'écart d'yeux, on rapproche les axes optiques au moyen de deux rhomboèdres dont la rotation autour de l'axe optique fait varier l'écart d'yeux.

On peut rattacher à ces instruments de nombreux appareils de topographie et de géodésie, les diverses lunettes de visée, les appareils de pointage, certains étant agencés pour faire le tour complet de l'horizon sans déplacement du pointeur (types panoramiques), les lunettes de tir au fusil et de chasse.

La mise au point de tous les instruments de nuit doit être modifiée systématiquement de − 1,5 dioptrie afin qu'ils soient adaptés à la myopie de nuit des utilisateurs.

Redressement par véhicule

Un véhicule est un système composé de deux lentilles, V₁ et V₂, et fournit une image renversée I₂ de l'image I₁ formée par l'objectif Ob. L'image I₂, droite par rapport à l'objet, est observée à l'aide d'un oculaire Oc et l'ensemble porte le nom d'oculaire terrestre.

Le véhicule allonge les instruments ; lorsque cela ne présente pas d'inconvénients, ce système est avantageux parce que beaucoup moins coûteux que les prismes, en particulier pour la chasse de nuit, et dans des instruments périscopiques de petites dimensions. Il est utilisé systématiquement dans les périscopes et les endoscopes pour obtenir la plus grande longueur possible.

Transport d'image par véhicule

La figure représente le schéma de principe d'un périscope (objet à l'infini). L'objectif, de longueur focale f_ob, forme l'image, de rayon y₁, sur le verre de champ C₁ ; un véhicule, composé de deux lentilles V₁ et V₂, de longueurs focales f_V1 et f_V2, séparées par un intervalle T, appelé longueur de transport, forme l'image de C₁ en C₂ ; si la longueur totale du système est suffisante, on observe l'image intermédiaire avec un oculaire. Sinon, on introduit des systèmes identiques à V₁, V₂, C₂ en nombre suffisant.

On trouve pour le grossissement angulaire G :

La marche des rayons obliques montre que la largeur du faisceau incliné situé entre les véhicules est d'autant plus faible que le transport T est plus long. La pupille située au milieu de la distance entre les véhicules représente la partie commune à deux cercles de rayon d/2, dont la distance suivant la ligne des centres est égale à BC. Soit d le diamètre libre des lentilles du véhicules et y₁ le rayon de l'image objective ; si on appelle μ le rapport BC/AC, on obtient :

On admet alors que l'observateur ne remarque pas l'assombrissement progressif de l'image vers le bord, pour μ = 0,3. Prenons y₁ = 30 mm, f_V1 = 2 000 mm et d = 120 mm ; on trouve T = 5 600 mm (périscope de sous-marin).

L'allongement obtenu est considérable. Ce qui précède s'applique de la même manière à partir de l'image formée en C₁. Le cas de l'objectif sera examiné plus loin.

Transport d'image par association d'un système afocal à un objectif

Soit y le diamètre libre des lentilles, constant sur toute la longueur du tube, entre l'entrée E et la sortie S de l'instrument ; le champ de demi-angle u étant imposé, f_ob est beaucoup plus petite que la distance ES. On procède comme suit pour obtenir en S une image possédant le champ voulu : on choisit un objectif Ob dont la pupille d'entrée soit située en E, et de longueur focale telle que son image I se forme en S ; l'image étant beaucoup trop grande, le champ est réduit ; pour obtenir, sans changer la position de l'image, un champ k fois plus grand, correspondant à une longueur focale k fois plus petite, on place devant l'objectif Ob un système afocal L₁L₂, de grossissement G_a = 1/k inférieur à 1 (lunette à l'envers). Le demi-champ primitif étant u, le champ nouveau u_k s'en déduit par :

La longueur focale de l'objectif muni de L₁L₂ est alors :

Endoscopes : objectifs

Soit un endoscope, comprenant un objectif Ob et un ou plusieurs véhicules donnant de l'objet de longueur y, situé à une distance d de l'objectif, une image y′ observée par l'oculaire Oc de grossissement g_oc = 250 mm/f_oc. On a les formules connues, donnant le grossissement commercial :

Prenons, par exemple, les mesures des instruments médicaux : G_C = 1, d = 50 mm, o = 2 mm, n = 1,3. La relation donnant G_C en fonction de sin v fournit sin v, qui donne O par la relation O = 2 d sin v. En supposant le nombre d'ouverture des lentilles constant m = 10, on trouve f_oc = 20 mm et d′_ob = 3,1 mm. Connaissant d et d′, on en déduit f_ob par les formules de Gauss et on trouve f_ob = 2,91 mm. La connaissance de O permet d'obtenir les performances visuelles et les performances sur récepteur intermédiaire.

Endoscopes : redressement de l'image et éclairage de l'objet

Quand on utilise un endoscope, l'œil examine les images suivant l'axe de l'instrument, et il est indispensable qu'elles soient semblables à l'objet, sans inversion de la droite et de la gauche. Cela nécessite deux réflexions, obtenues le plus souvent par un prisme à réflexion totale à surfaces réfléchissantes « en toit ».

L'éclairage des objets endoscopiques est presque toujours indispensable ; il est effectué en plaçant une lampe en avant de l'objectif ; lorsque l'instrument travaille en bout, on munit cette lampe d'un écran empêchant le faisceau direct de pénétrer dans l'objectif ; lorsque l'instrument observe latéralement, la lampe est disposée de manière à éclairer le mieux possible le champ. Jacques Vulmière utilise un « guide de lumière », cylindre de silice polie, très transparent : l'image de la source est projetée à l'entrée, et le flux qui est entré se retrouve presque intégralement à la sortie soit directement, soit orienté par un prisme.

Périscopes

Les périscopes sont des instruments dont la disposition et la longueur sont prévues pour surveiller des lieux ou des objets dont l'observateur ne peut s'approcher soit parce qu'ils sont dangereux, soit parce qu'ils sont hors de sa portée. Les plus connus sont les instruments militaires, permettant de voir en restant dissimulé et protégé ; périscopes de sous-marins, de chars, de tranchées et de fortifications. Récemment, des appareils ont été réalisés pour la surveillance d'appareils manipulant des combustibles nucléaires, de machines ioniques ou électriques à très hautes tensions, pour la lecture d'appareils de contrôle et pour la surveillance d'organes difficilement accessibles et d'ouvrages sous-marins peu profonds.

Les instruments de grande taille sont composés d'un « petit tube », de diamètre extérieur de l'ordre de 50 mm, la longueur allant de quelques centimètres à 1 m. Ce tube contient le prisme de tête, l'objectif et son verre de champ, se raccordant par un cône à un tube d'un plus grand diamètre (15 à 30 cm) ; celui-ci est choisi de manière à pouvoir assurer la longueur de transport au moyen d'un seul véhicule, suivi du prisme de pied et de l'oculaire.

Lorsque l'instrument peut pivoter autour de son axe vertical, il est possible d'obtenir la vision d'un point quelconque de l'espace en faisant tourner le prisme de tête autour d'un axe horizontal, ce qui permet de déplacer l'axe optique d'une centaine de degrés. Lorsque l'instrument est fixe, l'exploration en azimut est effectuée par rotation de la tête de l'instrument, munie d'un système de prismes maintenant l'image droite. La longueur de ces instruments peut varier de deux à trois mètres jusqu'à une quinzaine de mètres.

La réalisation d'appareils de grandes dimensions pose des problèmes de construction optique et mécanique très difficiles que nous ne pouvons traiter ici. On doit cependant signaler que les grands périscopes, dont la transparence était voisine de 14 p. 100 avant l'existence des traitements antiréfléchissants, transmettent actuellement, en combinant ces traitements avec l'emploi de verres très transparents, plus de 50 p. 100 de la lumière qu'ils reçoivent.

Les petits instruments, de un à deux mètres de longueur, présentent les mêmes particularités de construction que les instruments courants.

Du point de vue des caractéristiques géométriques, le grossissement de 1,5 donnant, en vision monoculaire, le même aspect que la vision binoculaire à l'œil nu, est le plus fréquent, avec des champs images et des diamètres de disques oculaires analogues à ceux des jumelles à prismes. Dans les instruments à petit tube, l'introduction d'une lunette de Galilée inversée est de règle. On emploie aussi le grossissement 6, l'objectif étant le plus souvent analogue à un objectif de jumelles à prismes (deux verres collés) ; on le transforme en grossissement 1,5 par l'adjonction d'une lunette de Galilée inversée escamotable.

Endoscopes industriels

Les endoscopes industriels sont utilisés couramment pour le contrôle des défauts de matière et d'usinage à l'intérieur des tubes et de réservoirs destinés à supporter de très hautes pressions, pour la surveillance de l'altération de contacts dans l'huile et pour la surveillance d'arcs électriques à forte intensité, etc. Le modèle le plus répandu comporte un certain nombre de tubes de un mètre environ de longueur, qui peuvent se raccorder pour former un ensemble atteignant parfois quatre à cinq mètres. Le premier tube constitue un endoscope complet et les autres contiennent chacun un véhicule et un verre de champ. Le grossissement moyen est voisin de 1,5 lorsque le disque oculaire est de l'ordre de deux millimètres. Le diamètre extérieur, constant, varie entre trois et cinq centimètres. Pour des cavités plus étroites, on emploie les endoscopes médicaux. Ceux-ci prennent une importance sans cesse croissante pour les examens des cavités internes du corps humain (cystoscopes ; œsophagoscopes, bronchoscopes, etc.) ou d'organes quelconques, l'instrument étant amené en contact avec ces derniers par l'intermédiaire d'un tube perforateur (examen du foie, exploration et conduite d'opérations à l'intérieur du cerveau). Les caractéristiques optiques sont déterminées par un diamètre de disque oculaire de deux millimètres et un grossissement voisin de 1, pour une distance d'observation de cinquante millimètres.

Objectifs

Les objectifs sont presque toujours à deux verres, collés ou non, et corrigés des aberrations chromatiques et sphériques sur l'axe ; ils satisfont en outre à la condition des sinus ; par contre, on ne peut agir sur leurs aberrations extra-axiales. Les verres des véhicules se traitent comme ceux des objectifs. Dès que leur diamètre dépasse 80 mm, les résidus de chromatisme (spectre secondaire) d'objectifs, par ailleurs bien corrigés, obligent à les utiliser avec des nombres d'ouverture m élevés ou, sinon, à tolérer des dégradations importantes de l'image ; c'est ce qui arrive dans les véhicules des grands périscopes, et, a fortiori, pour les objectifs d'observatoires. André Couder donne les formules suivantes de tolérances.

Soit F la longueur focale mesurée en mètres et D le diamètre mesuré en centimètres, on a :

On a intérêt, pour limiter l'encombrement des instruments, à diminuer le plus possible les longueurs focales, donc à augmenter les ouvertures. Actuellement, pour des diamètres d'objectifs de quelques centimètres, on ne dépasse pas le nombre d'ouverture m = 4. Il existe cependant des objectifs, ouverts à f/3 et même à f/2, comportant une surface parabolique.

Oculaires

Les formes classiques des oculaires de Huygens et de Ramsden ne peuvent convenir que pour m > 10 (sinon les aberrations sphériques et chromatiques sont trop fortes), et pour des champs ne dépassant pas 30⁰ à 35⁰.

La forme la plus fréquente est la forme de l' oculaire de Kellner, dérivé de celui de Ramsden, avec un verre de champ plan convexe et un verre d'œil achromatique. On trouve aussi la disposition inverse, verre de champ achromatique et verre d'œil plan convexe. Les champs obtenus peuvent atteindre 65⁰ avec 6 dioptries d'astigmatisme au bord et 85⁰ avec 12 dioptries. Les caractéristiques de ces oculaires diffèrent notablement de celles des oculaires de Huygens et de Ramsden, parce qu'ils doivent non seulement posséder un champ plus étendu, mais encore, le plus souvent, compenser en partie les aberrations extra-axiales des objectifs.

Les aberrations essentielles à corriger sont : le chromatisme latéral, la courbure de champ et la distorsion, cette dernière devant rester faible pour ne pas fatiguer le système d'accommodation de l'œil (< 0,5 dioptrie). L'introduction des surfaces asphériques de Lacomme a permis d'atteindre des champs de 90⁰ avec moins de trois dioptries d'astigmatisme au bord. Enfin, il est essentiel que, pour des instruments à grands disques oculaires, l'imagerie pupillaire soit le mieux possible corrigée de l'aberration sphérique et de la coma.

Défauts de construction

Tout instrument d'optique comporte deux groupes d'éléments dont l'association pose les problèmes majeurs de la construction : le système optique et la mécanique, à laquelle est dévolu le rôle de maintenir les pièces optiques d'une manière permanente dans les positions qui leur sont assignées par le calcul, en supprimant au mieux les dilatations, les flexions et les jeux. Toute erreur ou tout déplacement, introduisant des défauts de centrage ou un changement dans la position des surfaces ou leur déformation, peuvent rendre inutilisable un instrument en lui-même parfait.

Une première catégorie de défauts optiques est celle qui altère la forme de la surface d'onde ; elle provient soit des erreurs de taille des surfaces, soit des défauts d'homogénéité du verre, c'est-à-dire de variations faibles et irrégulières de l'indice de réfraction et de la biréfringence.

Un autre défaut est dû à la lumière parasite qui, malgré les précautions prises pour l'éliminer, fait subir à l'image une perte de contraste qui dépasse le plus souvent celle qui résulte des résidus d'aberrations ; les traitements antiréfléchissants, outre l'augmentation de la transparence qu'ils apportent, diminuent dans des proportions considérables la lumière parasite provenant des réflexions par les lentilles ; il reste cependant celle qui est produite par l'intérieur de l'instrument, et dont l'élimination correspond à l'une des phases les plus importantes des études mécaniques.