Action d'une lame sur la propagation d'un rayon lumineux [Lame à faces parallèles]

Action d'une lame sur la propagation d'un rayon lumineux

Considérons dans le plan de la figure, pris comme plan d'incidence, un rayon lumineux issu d'une source S, qui rencontre en I la face d'entrée d'une lame d'épaisseur e; conformément aux lois de Descartes il lui correspond, compte-tenu de l'hypothèse faite sur les indices: n₂ > n₁, un rayon réfracté IJ lui-même contenu dans le plan de la figure et tel que : n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂ .

En J, ce rayon subit à son tour le phénomène de réfraction puisque i'₂ = i₂ ( angles alternes-internes ) et que l'angle i₂ est au plus égal à l'angle de réfraction limite de la lame. Quel que soit i₁, il existe donc un rayon émergent JR dont il est facile de montrer qu'il a même direction que le rayon incident SI; en effet les lois de Descartes appliquées en J nous précisent d'une part que JR est dans le même plan que IJ et donc que SI, d'autre part que les angles i₁ et i'₁ sont égaux.On retiendra donc que:

Lorsqu'un rayon lumineux frappe une lame à faces planes et parallèles d'épaisseur quelconque, il la traverse de part en part, si l'indice de la lame est supérieur à celui du milieu transparent et homogène dans lequel elle est placée. Ce phénomène de double réfraction ne modifie pas la direction de propagation de la lumière, entre rayon incident et rayon émergent.

Cette propriété se vérifie avec précision expérimentalement. On vise pour cela à l'aide d'une lunette astronomique une étoile. Celle-ci constitue pour l'instrument un objet ^[1]ponctuel et réel ^[2], situé à l'infini; son image ^[3]à travers l'objectif de la lunette est un point réel dont la position ne dépend, compte-tenu des propriétés de la lunette astronomique, que de la direction des rayons incidents parallèles qui tombent sur l'objectif. Pointons cette direction, puis disposons en avant de l'instrument une lame d'épaisseur quelconque, mais dont les faces sont parfaitement planes et parallèles; on constate que la position de l'image de l'étoile n'a pas bougé, et ceci quelle que soit l'orientation de la lame. En conclusion ^[4], on vérifie bien qu'une lame de qualité parfaite n'a aucune action sur la direction de propagation des rayons lumineux.

Observer

L'animation vidéo suivante montre l'action d'une lame à faces planes et parallèles sur la propagation d'un rayon lumineux :

Action d'une lame sur la propagation d'un rayon lumineux

Notes

Objet
En optique, on appelle objet tout ensemble de points lumineux. Il peut s'agir d'une source primaire qui produit de la lumière (ex : soleil, étoiles, filament de lampe allumée, écran de télévision ou d'ordinateur en fonction), ou d'une source secondaire qui diffuse une partie de la lumière qu'elle reçoit (ex : lune, planètes, la plupart des objets qui nous entourent lorsqu'ils sont éclairés).
On considère, en général, des objets plans situés dans des plans de front de systèmes optiques.
Dans des systèmes composés on pourra considérer qu'une image produite par une première partie du système est un objet pour le reste du système.
Objet Réel
Un objet réel est un objet situé en avant de la face d'entrée du système optique, dans l'espace objet réel.
Des rayons (bien réel) partent des points qui constituent cet objet vers la face d'entrée du système optique.
Avec une loupe, des lunettes correctrices, ou un télescope, on observe des objets réels.
Dans un système optique composé, une image, formée par une première partie du système, peut être considéré comme un objet réel pour la seconde partie si l'image en question est située en avant de cette seconde partie.
Image
On appelle image d'un objet par un système optique, l'ensemble des images des points de l'objet.
On appelle image d'un point, la zone de convergence des rayons, après traversée du système optique (image réelle) ou la zone d'où les rayons semblent provenir (image virtuelle). Lorsque cette zone se réduit à un point, le système est dit stigmatique.
En pratique, l'image ressemble à l'objet (sinon le système ne présente pas d'intérêt), elle peut être
- agrandie : plus grande que l'objet ( |grandissement| >1) ;
- rapetissée : plus petite que l'objet ( |grandissement| <1) ;
- droite : dans le même sens que l'objet (grandissement >0) ;
- renversée : dans le sens contraire à l'objet (grandissement <0) ;
- déformée : un système qui déforme parce qu'il n'a pas le même grandissement dans différentes directions provoque une anamorphose (ex : glace déformante) ;
- floue
Conclusion
Notons, à titre d'application, que ce protocole expérimental est souvent utilisé pour contrôler la planéité et le parallélisme des faces d'une lame. En effet, en dehors de la situation qui vient d'être décrite, deux autres cas peuvent se présenter, lorsque l'on interpose la lame :
- l'image de l'étoile est nette, mais sa position a bougé ; il faut en conclure et cela se montre aisément, que les faces de la lame sont planes mais qu'elles présentent un défaut de parallélisme.
- l'image n'est pas nette et par suite sa position est mal définie ; dans ces conditions on peut affirmer que les faces de la lame ne sont pas suffisamment planes.