L'optique est la partie de la physique qui étudie la lumière, sa propagation et la manière dont elle permet de former des images. Grâce à l'optique, il est possible d'observer des objets très éloignés, d'agrandir des objets minuscules, de corriger les défauts de la vision ou encore de transmettre des informations à très grande vitesse grâce à la lumière.

La propagation rectiligne de la lumière

Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite. Cette propriété est appelée la propagation rectiligne de la lumière.

Lorsqu'un objet opaque est placé devant une source lumineuse, il bloque une partie des rayons lumineux et crée une zone sombre appelée ombre. Autour de cette ombre peut apparaître une zone moins sombre appelée pénombre, lorsque la source lumineuse est étendue.

La chambre noire

La chambre noire, ou camera obscura, est l'un des plus anciens instruments d'optique.

Il s'agit d'une boîte complètement fermée, percée d'un très petit trou. La lumière provenant d'un objet traverse cette ouverture et forme une image sur la paroi opposée.

Comme les rayons lumineux se propagent en ligne droite, les rayons provenant du haut de l'objet arrivent en bas de l'écran, tandis que ceux provenant du bas arrivent en haut. L'image obtenue est donc renversée.

Les premiers appareils photographiques reposaient directement sur ce principe.

Le miroir plan

Un miroir plan est une surface parfaitement lisse qui réfléchit la lumière.

L'image observée dans un miroir plan est toujours droite, de même taille que l'objet et située à la même distance derrière le miroir que l'objet devant celui-ci. On dit également qu'elle est virtuelle car elle ne peut pas être projetée sur un écran.

Le miroir donne l'impression d'inverser la gauche et la droite. En réalité, il inverse l'avant et l'arrière : c'est notre cerveau qui interprète cette inversion comme un échange entre la gauche et la droite.

Les miroirs sphériques

Les miroirs sphériques sont des miroirs dont la surface est une portion de sphère. On distingue deux grandes familles : les miroirs concaves et les miroirs convexes.

• Les miroirs concaves :

  Un miroir concave possède une surface réfléchissante tournée vers l'intérieur.

  Les rayons lumineux parallèles à l'axe principal sont réfléchis en direction d'un point appelé le foyer.

  Le foyer est le point où convergent les rayons lumineux parallèles après avoir traversé une lentille convergente ou après leur réflexion sur un miroir concave.

  Si un objet est placé loin du miroir, celui-ci forme une image réelle et renversée qui peut être projetée sur un écran.

  Lorsque l'objet est placé entre le foyer et le miroir, l'image devient virtuelle, droite et agrandie. C'est pourquoi les miroirs concaves sont utilisés comme miroirs de maquillage ou de rasage.

  

  Les grands télescopes utilisent également des miroirs concaves afin de concentrer la lumière provenant des étoiles.

• Les miroirs convexes :

  Un miroir convexe possède une surface réfléchissante tournée vers l'extérieur.

  Après la réflexion, les rayons lumineux semblent provenir d'un point situé derrière le miroir.

  L'image est toujours virtuelle, droite et plus petite que l'objet.

  Grâce à leur grand champ de vision, les miroirs convexes sont utilisés dans les rétroviseurs des véhicules, les carrefours dangereux, les parkings et les magasins.

  

Les lentilles

Une lentille est un élément transparent, généralement fabriqué en verre ou en plastique, capable de modifier la direction de la lumière grâce à la réfraction.

On appelle centre optique le point situé au milieu de la lentille.

Un rayon lumineux qui traverse le centre optique n'est pratiquement pas dévié lorsque la lentille est mince. Cette propriété simplifie beaucoup la construction géométrique des images.

Chaque lentille possède deux foyers principaux, situés de part et d'autre de la lentille.

La distance séparant le centre de la lentille du foyer est appelée la distance focale.

Il existe deux grandes familles de lentilles : les lentilles convergentes et les lentilles divergentes.

• Les lentilles convergentes sont plus épaisses au centre qu'aux bords.

  La lentille convergente rapproche les rayons lumineux parallèles qui se rencontrent au foyer principal.

  Plus la distance focale est courte, plus la lentille est convergente.

  les rayons parallèles à l'axe optique passent par le foyer après la traversée de la lentille.

  Selon la position de l'objet, elle peut produire une image réelle ou virtuelle.

  Les lentilles convergentes sont utilisées dans les loupes, les appareils photographiques, les microscopes, les jumelles, les vidéoprojecteurs et de nombreux instruments scientifiques.

• Les lentilles divergentes sont plus minces au centre qu'aux bords.

  la lentille divergente écarte les rayons lumineux qui semblent provenir d'un foyer situé devant la lentille.

  Elle produit uniquement des images virtuelles, droites et réduites.

  Les lentilles divergentes sont principalement utilisées pour corriger la myopie et dans certains systèmes optiques complexes.

La puissance d'une lentille est exprimée en dioptries. Les verres correcteurs des lunettes sont choisis en fonction de cette puissance.

Les images réelles

Une image réelle est obtenue lorsque les rayons lumineux se rencontrent réellement après avoir traversé une lentille ou après leur réflexion sur un miroir.

Elle peut être projetée sur un écran.

Les appareils photographiques, les caméras, les vidéoprojecteurs et les microscopes forment des images réelles à l'intérieur de leurs systèmes optiques.

Les images virtuelles

Une image virtuelle est obtenue lorsque les rayons lumineux semblent provenir d'un point sans réellement s'y rencontrer.

Elle ne peut pas être projetée sur un écran mais peut être observée directement avec les yeux.

Les miroirs plans, les miroirs convexes, les loupes et les lentilles divergentes produisent des images virtuelles dans les conditions habituelles d'utilisation.

La loupe

Une loupe est constituée d'une lentille convergente.

Lorsque l'objet est placé entre la lentille et son foyer, la loupe produit une image virtuelle, droite et agrandie, ce qui facilite l'observation de petits détails.

Les bijoutiers, les horlogers, les philatélistes et les biologistes utilisent fréquemment des loupes.

Le microscope

Le microscope permet d'observer des objets invisibles à l'œil nu.

Il est généralement composé de deux lentilles convergentes : l'objectif forme une première image agrandie de l'objet, puis l'oculaire agit comme une loupe et agrandit encore cette image.

Grâce au microscope, il est possible d'observer des cellules, des bactéries, des tissus ou des cristaux.

Les lunettes

Les lunettes corrigent les défauts de la vision en modifiant le trajet de la lumière avant qu'elle n'entre dans l'œil.

Les verres divergents corrigent la myopie, tandis que les verres convergents corrigent l'hypermétropie et la presbytie.

Des verres cylindriques permettent également de corriger l'astigmatisme.

Le télescope

Le télescope est destiné à observer les objets très éloignés, comme les planètes, les étoiles ou les galaxies.

Les télescopes utilisent soit une grande lentille convergente, soit un grand miroir concave pour recueillir un maximum de lumière. Plus leur diamètre est grand, plus ils permettent d'observer des objets faibles et des détails fins.

Les plus grands observatoires modernes utilisent principalement des miroirs, plus faciles à fabriquer que des lentilles de très grande taille.

Les fibres optiques

Une fibre optique est un très fin fil de verre ou de plastique capable de guider la lumière sur de très longues distances.

La lumière reste emprisonnée à l'intérieur de la fibre grâce aux réflexions totales successives sur les parois internes.

Les fibres optiques sont utilisées pour transporter les informations sur Internet, dans les réseaux téléphoniques ou pour relier les centres de données à très haut débit.

L'endoscope

Un endoscope est un instrument médical permettant d'observer l'intérieur du corps sans pratiquer une intervention chirurgicale importante.

Il est constitué d'un tube souple ou rigide contenant un système d'éclairage, des lentilles, une caméra miniature et souvent un faisceau de fibres optiques.

L'endoscope permet d'examiner l'estomac, les bronches, le côlon ou de nombreuses autres cavités du corps. Certains modèles permettent également de réaliser des interventions chirurgicales peu invasives grâce à de très petits instruments introduits dans le tube.