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3ème année S.5 VAC resp. : Samuel GOUGEON 31 +31 h module Physique 2 [ 60 % ]

Optique & photométrie [515EN005 : 573]

Dominante(s) : Physique Chimie

Working language Practicals > Conversation, Questions/Answers : English possible

Durée [h] Intervenants (responsable)
TD* 25 25 Yosra DAMMAK, Samuel GOUGEON
TP* 6 6 Yosra DAMMAK, Samuel GOUGEON

Objectifs
* Rappeler les éléments d'optique géométrique.
* Se familiariser avec un logiciel simple de simulation numérique d'optique géométrique
* Initier à l'optique matricielle pour le traitement des systèmes épais dans les conditions de Gauss
* Comprendre, savoir formuler voire calculer, et exploiter la notion d'angle solide en optique
* Acquérir les éléments de photométrie

Pré-requis
   
  •  
  •  583 -  s.1 :  Optique géométrique
       
  •  
  •  611 -  s.4 :  Electromagnétisme et ondes

    Références
    • Optique géométrique et ondulatoire - J.-P. Pérez - Editions Masson
    • Bases de radiométrie optique - J-L. Meyzonnette, T. Lépine - Cépaduès Editions

    Compétences visées référencées
    Disciplines
    • Physique, matériaux, optique, thermique
    • Instrumentation, capteurs, actionneurs
    • physique
    Savoirs-faire
    • avoir un esprit critique, connaître des ordres de grandeur
    • Concevoir, réaliser et régler des montages / bancs d'essai / ouvrages
    • Réaliser des mesures, analyser des données
    Savoirs-être
    • être rigoureux
    • être curieux
    • capacité de concentration
    Contenu
    Travaux Dirigés

    Programme

    •  Rappels d'optique géométrique   (12h30 : séances 1 à 10)

      • Généralités
        • Trigonométrie plane ; géométrie dans le plan
        • Stigmatisme. Conditions de Gauss pour le stigmatisme approché.
        • Schémas optiques : conventions, symboles, tracé.
          Traduction / illustration d'un énoncé en un schéma optique clair.
        • Loi de la réflection. Réflectivité spéculaire en indicence normale
        • Loi de la réfraction. Angle de réfraction critique. Réflection totale surcritique
        • Ouverture numérique. Nombre d'ouverture. 
        • Dimension angulaire d'un objet
        • Faisceau (objet ou image) collimaté : définition

      • Absorption lumineuse
        • Etablissement de la loi de Beer-Lambert
        • Absorption interne. Profondeur de pénétration du rayonnement
        • Transmission interne / externe d'une lame optique

      • Dioptre sphérique
        • Géométrie du dioptre. Axe optique : orientation
        • Formation d'une image. Relation dite de conjugaison, liant les positions de l'objet et de l'image sur l'axe. Courbures des surfaces d'onde incidente et transmise.
        • Vergence. Distances focales objet et image. Foyers.
        • Tracé de rayons

      • Espaces amont et aval. Caractère réel ou virtuel de l'objet, de l'image.

      • Lentilles minces
        • Paramètres physiques des lentilles
        • Vergence totale d'un assemblage de 2 dioptres sphériques : formule de Gullstrand
        • Foyers et distances focales objet et image
        • Relation de conjugaison objet – image.
        • Construction géométrique d'une image réelle ou virtuelle. Rayon central. Rayons focaux.
        • Grandissement transversal. Grandissement angulaire

      • Système optique à deux lentilles : construction de l'image finale

      • Autres définitions :
        • Intervalle et interstice optique. 
        • Système optique afocal
        • Diaphragme d'ouverture et pupille d'un instrument
        • Diaphragme de champ. Lucarnes. Champ objet de pleine lumière
        • Ouverture numérique ON d'un système optique
        • Profondeur de champ

    • Systèmes optiques épais. Optique matricielle        (5h00 : séances 11 à 14)

      • Eléments cardinaux : plans principaux (Gt=1), vergence, distances focales, foyers.
      • Autres éléments remarquables : points nodaux (Ga=1); points anti-nodaux (Ga=-1) ; points anti-principaux (Gt=-1)
      • Matrices élémentaires :
        • matrice de propagation libre (matrice dite d'espace)
        • matrice de réfraction par un dioptre sphérique
        • matrice de réflection par un miroir sphérique
      • Matrice de transfert MES d'un système optique épais
      • Matrice de conjugaison objet - image par un système optique
        • Etablissement de la matrice
        • Contraintes liées au stigmatisme approché
        • Relation entre les grandissements transversal et angulaire 
        • Etablissement de la formule de Gullstrand
        • Relations de conjugaison
      • Positions des points principaux, anti-principaux, nodaux, anti-nodaux, des foyers

    • Angles solides    (1h30 : séance n° 15)

      • Angle plan / angle solide : un parallèle
      • Calcul d'angles solides : cas particuliers intéressants
        • Calotte sphérique et cône de révolution
        • Disque de rayon r à distance D, vu depuis son axe
        • Surface plane S quelconque, de dimension latérale << D
        • Cas de symétries particulières
        • Surface triangulaire équilatérale vue depuis son axe normal
        • Surface rectangulaire vue depuis son axe normal 
      • Unités : stéradian, degrés-carrés

    • Photométrie  (4h30 : séances n° 16 à 19) 
      • Définitions : flux, intensité, luminance, éclairement, exitance, quantité de lumière, exposition ou fluence. Unités associées
      • Etendue géométrique et étendue optique d'un faisceau source / image
      • Conservation de l'étendue optique
      • Relations entre grandeurs photométriques
      • Cas des rayonnements uniformes en luminance
      • Cas des diffuseurs parfaits
      • Transfert de rayonnement dans les systèmes optiques
        • Transfert de l'étendue optique à la réfraction
        • Collecteurs de flux
        • Systèmes à champ large : assombrissement centre - bord en cos4(α) 
      • Conversions entre unités énergétiques, photoniques et visuelles.

    • Détection   (1h30 : séance n° 19 à 20)
      • Capteurs d'images
      • Photodiode silicium. Modes photovoltaïque et photoconducteur
    Travaux Pratiques

    Chacune des 2 séances de 3 heures est organisée en 3 ateliers de 1 heure.

     Ateliers :

    • Composants et montages optiques
      • Connaissance des composants optiques et opto-mécaniques
      • Analyse d'un montage. Procédure d'alignement d'un faisceau.
      • Sensibilité des réglages.
    • Fibres optiques :
      • Connectique ; inspection et nettoyage des fibres
      • Source blanche fibrée. Puissancemètre optique fibré.
      • Estimation expérimentale de l'ouverture numérique par projection.  Etendue optique transmise par la fibre.
      • Etude de l'atténuation par excentrement interfibre. Détermination du diamètre de coeur.

    • Focométrie = détermination de distances focales images
      • Focale image et nombre d'ouverture d'une lentille mince : utilisation pratique de la relation de conjugaison
      • Distance focale d'un système épais (zoom photographique) : méthode différentielle de Bessel

    • Tracé de rayon avec le logiciel optGéo : études de cas
      • Configuration et prise en main du logiciel.
      • Miroir parabolique
      • Lentille plan-convexe
      • Focalisation à travers un dioptre plan
      • Fibre optique à saut d'indice
      • Dispersion chromatique par une goutte sphérique : formation d'un arc-en-ciel

    • Instruments optiques simples : constitution, paramètres, réglages, usages, et performances.
      • Paire de jumelles à prismes de Porro
      • Microscopes optique et numérique
      • Télescope de Newton
      • Réfractomètre

    • Photométrie
      • Loi d'atténuation en 1/d2
      • Mesures d'éclairement. Utilisation d'un luxmètre.
      • Diagramme polaire de rayonnement d'une diode laser (intensité photométrique = f(angle))
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