1°STL SPCL
Thème :
D’une image à l’autre TP 12 : Comment faire une belle image ?
Objectif : Illustrer expérimentalement et corriger des aberrations optiques.
Les objectifs ne forment pas d'images parfaites, et il y a toujours un certain degré de déformation ou d'aberration qui amène une reproduction imparfaite de l'objet photographié.
Une conception soigneuse de l'objectif pour une application particulière tend à ce que les aberrations soient réduites au minimum.
Il y a différents types d'aberration qui peuvent affecter la qualité de l'image et qui se marient entre elles, o
n distingue:
les aberrations géométriques
les aberrations chromatiques
1. Les aberrations géométriques :
Les conditions de Gauss, ou l'approximation de Gauss, sont obtenues lorsque les rayons lumineux possèdent un angle d'incidence très faible par rapport à l'axe optique, et en sont peu éloignés. Ils sont dits paraxiaux.
1.1. L'aberration sphérique
C’est la plus importante des aberrations géométriques, elle provient du fait qu’un rayon éloigné de l’axe optique converge davantage qu’un rayon proche de l’axe optique.
Observer en détail le point focal de la lentille magnétique.
Observation de la caustique :
A l’aide d’une lentille de projection plan convexe
Faire l’image d’un iris.
Déplacer l’écran derrière la lentille et visualiser les figures E1 à E6:
Pour limiter ces aberrations, retenez ces règles générales :
⊛ Limiter les rayons non paraxiaux, en diaphragmant la lentille.
Diaphragmer la lentille de projection.
⊛ Placer le côté le plus bombé d’un dioptre du côté des rayons les moins inclinés sur l’axe optique.
C’est la règle dite de l’opticien (ou encore règle des 4P : Plus Plat, Plus Près), voir figure 4.
Tourner la lentille magnétique.
1.2. La distorsion
La distorsion est une déformation de l'image, le système optique ne parvenant pas à former une image plane, rectilinéaire du sujet au plan focal.
Cette aberration ne modifie pas les couleurs ou la netteté de l'image mais plutôt sa forme. La distorsion produit deux effets : le barillet (barrel) et le coussinet (pincushion) qu'on appelle également la distorsion ou sphérisation positive et négative.
Placer la grille (papier calque ) sur le porte objet, enlever l’objet de la lanterne pour éclairer toute la surface de la grille qui sert d’objet étendu.
Placer la lentille +8δ à 30 cm
Faire l’image nette de la grille sur l’écran.
Placer un petit diaphragme près de l’objet.
Observer l’image, compléter le schéma.
Déplacer le diaphragme près de l’écran
Observer l’image, compléter le schéma.
Placer le diaphragme accolé à la lentille.
Observer l’image, compléter le schéma.
O O
2. Techniques de projection
Les expériences montrent que la lentille de projection doit être éclairée principalement au voisinage du centre. On dispose donc, un peu avant l’objet à projeter, une lentille suffisamment convergente pour faire converger la lumière issue de la source au voisinage du centre de la lentille : le champ est augmenté et les distorsions réduites.
Cette lentille de grand diamètre (au moins égal à la taille de l’objet) est un condenseur. Il est fréquemment formé de deux lentilles plan-convexes accolées.
Bien noter la conjugaison objet – écran par la lentille de projection et la conjugaison approximative source – lentille de projection par le condenseur.
1.3. Application au rétroprojecteur
Les expériences précédentes deviennent utilisables très simplement avec un rétroprojecteur. En effet, on trouve rassemblés dans le même appareil tous les éléments de la figure 1
3. Abérrations chromatiques :
1.4. Abérration chromatique longitudinale
Le verre constituant la lentille est un milieu dispersif : la déviation des rayons lumineux dépend de leur longueur d'onde.
En conséquence, un point lumineux forme autant d'images distinctes qu'il y a de radiations monochromatiques dans la lumière qu'il émet. Dans le cas d'une lumière « blanche », on observe effectivement un décalage transversal entre les images bleu et rouge.
Former l'image d'un trou lumineux de faible diamètre sur l'écran à l'aide de la lentille.
En déplaçant l'écran, observer que les images rouge et bleue ne coïncident pas. Quelle est la « couleur » qui est la plus déviée ?
Source
écran
condenseur
objetlentille de projection O
Fig 1 :
Prenons maintenant le cas d'une lentille divergente : dans le cas d'une lentille divergente c'est l'image bleue qui est la plus éloignée de la lentille, et l'image rouge est la plus proche.
1. Comment corriger l’aberration chromatique ? (faire un schéma)
1.5. Aberrations chromatiques du condenseur
Le système condenseur du rétroprojecteur est constitué de deux lentilles de Fresnel accolées, les stries circulaires placées en vis-à-vis.
Ce dispositif présente une forte aberration chromatique transversale sur les bords du champ, là où les angles des prismes sont de l'ordre de 30°, l'ensemble étant équivalent à un prisme de 60°. En revanche, au voisinage de l'axe, cette aberration est très faible.
Pour mettre en évidence cette aberration on réalise un diaphragme annulaire de grand diamètre (par exemple 20cm) et de faible largeur (1cm) découpé dans une plaque opaque (figure 8). Avec ce dispositif, bien centré sur la platine, on obtient un faisceau conique donnant un spectre annulaire sur un écran. Ce spectre est bordé de bleu à l'intérieur et de rouge à l'extérieur dans le plan (1) (figure 7); la disposition est inversée dans le plan (2).
Entre les deux dispositions on trouve une zone où le spectre est bordé de pourpre (bleu + rouge).
On peut projeter ce spectre sur l'écran en faisant l'image de la partie (1) : on éloigne au maximum l'objectif de projection de manière à faire l'image d'une région de plus en plus proche de l'image S' de la source. On observe alors sur l'écran un grand spectre annulaire (figure 9). Pour projeter la partie (2) du faisceau il est nécessaire d'utiliser une lentille placée au-delà de l'objectif par exemple accolée à celui-ci (il suffit de la poser avec précaution sur l'objectif et de bien la centrer). On peut également remplacer l'objectif par un autre plus convergent.
