APO : késako ?

APO : késako ?

Bonjour tout le monde !

Pour commencer ce blog, je me dois d’expliquer un peu de quoi il s’agit. Ce que je vais essayer de faire ici, de manière à rendre accessibles ces notions sans devenir rébarbatif.

Résumé 

Je pars de quelques exemples pour montrer le défaut de chromatisme que tout le monde peut observer simplement, puis l’explication de ce chromatisme avec l’exemple du prisme qui divise la lumière en un arc-en-ciel, et enfin les inventions des objectifs achromatiques et apochromatiques pour corriger ces défauts.

Partie 1 : le chromatisme dans la vie de tous les jours

Pour cette partie, voici quatre exemples de chromatisme observable aisément : dans des jumelles, loupes, lunettes correctrices et prisme.

 
1) Les jumelles

Les instruments d’optiques sont passionnants. Qui n’a pas éprouvé cette impression de grandiose en regardant dans des jumelles : l’image est agrandie de 7 à 10 fois (en général) et c’est déjà super impressionnant. Les distances sont raccourcies d’autant. Par exemple, si vous observez des oiseaux à 30 mètres avec des jumelles grossissant 10x, c’est comme si vous les voyiez à 3 mètres seulement !

Photo 1 : jumelles à prismes de Porro : Olympus 8x40

 

Avec un peu plus d’habitude, vous constaterez de temps en temps qu’il y a des reflets de couleur bleus et rouges sur l’image, plus particulièrement sur le bord des objets contrastés, par exemple les objets noirs sur fonds clairs. C’est un défaut de l’image qui est une caractéristique commune à toutes les lentilles traversées par de la lumière, et que l’on appelle l’aberration chromatique. Les objectifs qui corrigent le mieux ces défauts sont les objectifs apochromatiques.

2) loupes

 
Dans une loupe également on peut observer facilement ce chromatisme. Celui-ci est plus évident avec une loupe à grande courbure, avec un fort contraste (par exemple avec du texte noir sur un fond blanc) et sous une forte lumière.

 Photo 2 : texte observé avec une lentille à fort grossissement (forte courbure)

 
3) lunettes correctrices

Eh oui, qui l’eut cru, même des lunettes correctrices montrent le chromatisme, mais ça ne saute pas aux yeux (tant mieux pour nous, sinon comment voir net ?).

Pour ce faire, je vous propose l’expérience suivante : à l’aide de vos lunettes, regardez un objet foncé sur fond clair, par exemple le montant de la fenêtre sur fond de ciel bleu ou blanc (nuageux) et avec beaucoup de lumière. Maintenant, sans arrêter de viser ce montant de fenêtre, tournez la tête lentement. La partie gauche apparaîtra avec un liseré rouge et la partie droite avec un liseré bleu. Ou inversement, car ça dépend d’où vient la lumière.

J’ai réussi à prendre une photo de ce phénomène, à travers mes lunettes !

Photo 3 : montant de la fenêtre vu à travers des lunettes correctrices

 4) Prisme

À travers un prisme le phénomène est très visible, et l’image est à peine reconnaissable tellement il y a de chromatisme. Tous les contours des objets sont entachés de liserés de couleurs très vives et très larges.

Photo 4 : montant de la fenêtre vu à travers un prisme

 


Partie 2 : qu’est-ce que le chromatisme ?

 Bref rappel historique

Les premiers objectifs utilisés dans les premières lunettes de Galilée, vers 1610, étaient de simples loupes. L’instrument se composait d’un objectif simple, et d’un oculaire simple aussi. Il était rudimentaire, mais a permis à Galilée d’observer …les cratères lunaires, les anneaux de Saturne, les satellites de Jupiter et les phases de Vénus.

Depuis lors, de tâtonnement en tâtonnement, les artisans se sont mis à polir les lentilles de mieux en mieux, mais il subsistait toujours un défaut. Les images avaient des colorations rouges et bleues qui ne sont pas naturelles, mais qui proviennent des lentilles elles-mêmes.

 
Un peu de physique

 1) Les prismes

 
En effet, une lentille se comporte comme un prisme (en première approximation).

Photo 5 : prisme droit et lentille

Lorsqu’un faisceau de lumière d’une seule couleur  (une seule longueur d’onde) traverse le prisme, il garde cette couleur, mais il est dévié.

Photo 6 : dessin d’un prisme déviant une lumière d’une seule longueur d’onde (couleur)

Maintenant, faisons passer un faisceau d’une autre couleur : de la même manière il est dévié, mais pas du même angle. Le bleu est plus dévié que le rouge.

Maintenant vous avez sans doute entendu dire que la lumière blanche n’est pas une couleur en soi, mais qu’elle est en fait  composée de toutes les autres couleurs. J’ai personnellement toujours eu du mal avec cette notion, tout simplement parce qu’elle ne m’a jamais été expliquée. Quand on est à l’école, dans les cours de physique, c’est bien facile de dire aux étudiants d’accepter ce genre d’allégation sans l’expliquer. C’est peut-être tout simplement parce que le prof en question ne le sait pas lui-même ?!

Revenons à notre lumière blanche. En envoyant un faisceau de cette lumière à travers un prisme, que constate-t-on ?

Photo 7 : lumière blanche traversant un prisme

Ce n’est pas un faisceau blanc rectiligne et dévié de façon unique qui en ressort… mais un petit arc‑en‑ciel ! C’est ce qu’on appelle un spectre lumineux. Il y a là-dedans toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, du rouge-orange-jaune-vert-turquoise-bleu-violet. Et ceci constitue la preuve que la lumière blanche est bien constituée de toutes les autres couleurs.

La preuve par l’image :

Photo 8 : prisme décomposant la lumière blanche en bandes de l’arc-en-ciel

Photo 9 : l’arc-en-ciel agrandi

2) Les lentilles

Quel rapport avec notre loupe ? Et bien les rayons lumineux qui traversent une lentille, disons une loupe, sont déviés comme dans un prisme de façon à converger en un point, comme sur la photo 10.

Nous allons montrer ceci avec l’exemple d’un objectif d’une lunette astronomique (le plus simple des instruments d’optique astronomiques), mais il en est de même pour des jumelles, longues-vues, microscope etc.

Dans cet exemple d’objectif parfait, la lumière venant de la gauche traverse la lentille (en bleu, vue par la tranche) et se concentre en un point, appelé Foyer (F).

C’est de cette façon que l’on peut concentrer les rayons du soleil sur un morceau de papier pour l’enflammer.

 

Photo 10 : dessin du trajet des rayons lumineux dans un objectif idéal à une lentille.

Malheureusement un objectif idéal, ça n’existe pas, ou alors seulement en théorie.

En pratique il apparaît toujours des défauts, dont l’aberration chromatique.

Pour une loupe qui ne grossit que 2 à 3x ce n’est pas bien gênant, mais pour les loupes « professionnelles », du genre loupes de géologue qui grossissent 5 à 20 fois, on est déjà obligé de passer à une autre formule optique.

Dans une lunette astronomique, l’image entachée de ce défaut que l’on appelle le chromatisme, ou l’aberration chromatique.

Physiquement, qu’est-ce qui se passe ? Comme les rayons bleus sont plus déviés que les rouges, ils se concentrent en un foyer bleu (FB). Les rayons rouges se concentrent en un foyer rouge (FR), mais pas au même endroit que le foyer bleu, mais un peu plus loin. On a donc deux foyers. Il est dès lors impossible d’avoir une mise au point précise, et l’image n’est jamais nette.

Photo 11 : chromatisme dans une lentille simple

3) En résumé : nous avons vu que l’aberration chromatique apparaît chaque fois que des rayons lumineux traversent une lentille ou n’importe quelle matière transparente, et qu’il est accentué par :

- la courbure des lentilles

- la composition des verres (ou milieu transparent)

- le grossissement

- le contraste élevé

- la brillance des images (luminosité)

- la position des objets dans l’image (en bord de champ ou au centre)

Partie 3 : remède au chromatisme

Pour éviter ce défaut, on a imaginé deux pistes : utiliser des objectifs à deux lentilles, et fabriquer des verres optiques spéciaux.

L’utilisation des objectifs à deux lentilles permet de faire converger les rayons rouges et bleus au même foyer. Après pas mal de tâtonnements, on est arrivé à la formule suivante : un verre en Crown et un verre en Flint. Ces objectifs qui corrigent l’aberration chromatique sont appelés : objectifs achromatiques.

Photo 12 : objectif achromatique à deux lentilles

Et ça fonctionne bien. Grâce à cette invention, l’observation instrumentale, et en particulier l’astronomie, a fait des bonds de géants.

Mais à grossissement moyen, disons à partir de 100 fois, il apparaît toujours une coloration du bord des images. Qu’est-ce donc ? Tout simplement la correction n’est pas parfaite, et il reste toujours un peu de chromatisme, qui est représenté sur le dessin ci-dessus où les foyers bleu et rouge ne sont pas exactement au même endroit. En fait cette distance entre les 2 foyers est de l’ordre de 1 mm à 1/10 de mm. Mais comme la précision de mise au point est de l’ordre du 1/100^ème de millimètre, il se voit. De plus, la lumière est composée non seulement du rouge et du bleu, mais aussi de toutes les autres couleurs.

Il est donc apparu, selon la même logique, de nouveaux objectifs, composés de verres spéciaux et de trois lentilles, voire 4 ou 5.

Ces objectifs nettement meilleurs, corrigent les couleurs pour trois longueurs d’ondes ; c’est ce qu’on appelle les objectifs apochromatiques.

Photo 13 : objectif apochromatique à 3 lentilles

Photo 14 : objectif achromatique des jumelles Fujinon 16x70

Dans un prochain article, nous verrons plus précisément la définition de cet apochromatisme, sa répercussion sur les images observées, des exemples d’objectifs apochromatiques mais aussi savoir dénicher le vrai du faux, ce qui ne manquera pas de nous réserver quelques surprises.

A bientôt donc pour la suite.

Lynx