Applications pratiques de la réflexion et de la réfraction de la lumière en physique-chimie Seconde - Vision et image

Les lunettes utilisent des lentilles pour modifier la direction des rayons lumineux.

Elles compensent les défauts de l'œil pour que l'image se forme correctement sur la rétine.

Les lentilles convergentes sont utilisées pour corriger l'hypermétropie.

Les lentilles divergentes sont utilisées pour corriger la myopie.

• 1 Myopie : image se forme avant la rétine → lentilles divergentes
• 2 Hypermétropie : image se forme derrière la rétine → lentilles convergentes
• 3 Astigmatisme : cornée irrégulière → lentilles cylindriques
• 4 Presbytie : perte d'accommodation → lentilles progressives

• 1 Objectif : lentille convergente qui concentre la lumière
• 2 Diaphragme : contrôle la quantité de lumière
• 3 Obturateur : règle la durée d'exposition
• 4 Capteur : surface photosensible (pellicule ou numérique)

La lumière provenant de l'objet traverse l'objectif (lentille convergente).

Une image réelle inversée se forme sur le capteur.

L'obturateur contrôle la durée d'exposition.

Le diaphragme ajuste la quantité de lumière et la profondeur de champ.

• 1 Objectif : lentille convergente proche de l'objet
• 2 Oculaire : lentille convergente proche de l'œil
• 3 Tube : tube rigide reliant objectif et oculaire
• 4 Source lumineuse : éclaire l'objet
• 5 Condenseur : concentre la lumière sur l'objet

L'objectif forme une image agrandie de l'objet.

L'oculaire agit comme une loupe pour observer cette image.

Le grossissement total est le produit des grossissements de l'objectif et de l'oculaire.

Grossissement typique : 40x à 1000x.

• 1 Réfracteur : utilise des lentilles
• 2 Réflecteur : utilise des miroirs
• 3 Catadioptrique : combinaison de lentilles et miroirs

Le télescope collecte la lumière provenant d'objets distants.

Un objectif (lentille ou miroir) concentre la lumière.

Un oculaire agrandit l'image formée.

Le grossissement dépend du rapport des distances focales.

Une fibre optique est constituée d'un cœur et d'une gaine.

Le cœur a un indice de réfraction plus élevé que la gaine.

La lumière subit des réflexions totales successives dans le cœur.

Elle peut ainsi parcourir de longues distances sans grande perte.

• 1 Télécommunications (internet, téléphone)
• 2 Médecine (endoscopie)
• 3 Capteurs optiques
• 4 Éclairage décoratif

• 1 Rétroviseur intérieur : miroir plan (permet une vision sans déformation)
• 2 Rétroviseurs extérieurs : miroirs sphériques convexes

Les miroirs convexes offrent un champ de vision plus large.

Ils permettent de voir une zone plus étendue derrière le véhicule.

Les objets apparaissent plus petits et plus éloignés que dans la réalité.

C'est pourquoi les rétroviseurs extérieurs portent la mention "les objets sont plus proches qu'ils ne le paraissent".

• 1 Objectifs : lentilles frontales qui collectent la lumière
• 2 Oculaires : lentilles proches des yeux
• 3 Prismes : redressent l'image (souvent prismes de Porro)
• 4 Système de mise au point : ajuste la netteté

Les objectifs forment une image de l'objet éloigné.

Les prismes redressent l'image (inversée par l'objectif).

Les oculaires agrandissent l'image finale.

Les grossissements courants sont 8x, 10x, 12x.

La lumière réfléchie par des surfaces horizontales (eau, route, neige) est polarisée horizontalement.

Les verres polarisés filtrent cette lumière polarisée horizontalement.

Ils bloquent l'éblouissement causé par la lumière réfléchie.

Elles améliorent le confort visuel et la sécurité.

• 1 Conduite automobile
• 2 Activités nautiques
• 3 Neige et montagne
• 4 Protection professionnelle

• 1 LCD (Liquid Crystal Display) : utilisation de cristaux liquides et rétroéclairage
• 2 LED : diodes électroluminescentes
• 3 OLED (Organic LED) : diodes organiques
• 4 Plasma : cellules de gaz ionisé

Chaque pixel émet une lumière de longueur d'onde spécifique.

La combinaison de pixels rouges, verts et bleus permet de reproduire toutes les couleurs.

La réfraction et la polarisation sont utilisées dans les écrans LCD.

Les lentilles microscopiques peuvent être utilisées pour diriger la lumière.

• 1 Miroirs de coin : installation dans les magasins
• 2 Miroirs routiers : surveillance des intersections
• 3 Miroirs de stationnement : aide au stationnement
• 4 Miroirs de surveillance : sécurité dans les bâtiments

Les miroirs convexes offrent un champ de vision très large.

Ils permettent de surveiller des zones étendues.

Ils sont économiques et faciles à installer.

Ils n'ont pas besoin d'électricité.

Un endoscope utilise des fibres optiques pour transmettre la lumière.

Il permet d'observer l'intérieur du corps sans intervention chirurgicale.

Applications : gastro-entérologie, pneumologie, orthopédie.

OCT (Tomographie en Cohérence Optique) : imagerie de la rétine

Ophtalmoscope : examen du fond d'œil

Slit-lamp (lampe à fente) : examen de la cornée et du cristallin

• 1 Découpe précise de matériaux
• 2 Soudure laser
• 3 Marquage et gravure
• 4 Mesures de précision
• 5 Communication optique

Les capteurs optiques exploitent la réflexion et la réfraction.

Ils détectent la présence d'objets ou mesurent des distances.

Applications : automatisation, robotique, sécurité.

Quand l'objet est très éloigné (considéré à l'infini), les rayons lumineux sont parallèles.

Ils convergent au foyer de la lentille.

Donc OA' = f' = 50 mm = 0,05 m

L'image se forme à 50 mm de la lentille.

Un objet situé à 100 m est très éloigné par rapport à la distance focale de 50 mm.

Le rapport est de 100/0,05 = 2000.

On peut donc considérer que l'objet est à l'infini.

Les rayons lumineux provenant de l'objet sont pratiquement parallèles.

On utilise la relation de conjugaison : 1/OA' - 1/OA = 1/f'

Avec OA = -100 m et f' = 0,05 m

1/OA' = 1/0,05 + 1/(-100) = 20 - 0,01 = 19,99

OA' ≈ 0,0500 m

Le grandissement est : γ = OA'/OA = 0,0500/(-100) = -0,0005

La hauteur de l'image est : A'B' = γ × AB = -0,0005 × 2 = -0,001 m = -1 mm

L'image mesure 1 mm de hauteur.

Un objectif de 50 mm est un objectif standard.

Il offre un champ de vision proche de celui de l'œil humain.

Il permet de photographier des objets éloignés avec une bonne qualité d'image.

Le grandissement est faible, ce qui permet de capturer des scènes étendues.

• Lunettes correctrices pour la vision
• Appareils photographiques et caméras
• Rétroviseurs de voiture
• Lunettes de soleil polarisées
• Écrans d'ordinateurs et smartphones

• Microscopes pour l'observation de détails
• Télescopes pour l'astronomie
• Jumelles pour l'observation à distance
• Lunettes de vision nocturne

• Fibres optiques pour les communications
• Lasers pour la découpe et la médecine
• Capteurs optiques pour l'automatisation
• Imagerie médicale