Foyer (optique)

Foyer (optique)
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En optique, un foyer est un point vers lequel convergent les rayons lumineux issus d'un point après leur passage dans un système optique. Son nom provient de l'extension du sens mathématique. Ce terme concorde avec son étymologie puisqu'il est possible d'allumer un feu à l'aide d'une lentille convergente en concentrant les rayons du soleil en un seul point : le foyer (technique employée selon la légende par Archimède). Le concept de foyer nécessite d'avoir un système stigmatique (au moins de manière approchée ou dans l'approximation de Gauss). En effet, dans le cas contraire, les rayons issus d'un même point ne convergent pas nécessairement vers un point unique après le système optique.

Sommaire

Foyers particuliers

En optique géométrique, il existe deux foyers particuliers appelés foyer objet et foyer image. Il est possible de déterminer la position de ces foyers grâce à plusieurs méthodes, appelées méthodes de focométrie dont l'autocollimation fait partie.

  • Le foyer objet est le point objet dont l'image se trouve à l'infini sur l'axe optique principal
  • Le foyer image est l'image d'un point objet situé à l'infini sur l'axe optique principal.

Systèmes afocaux

Un système afocal est un système stigmatique ne possédant pas de foyers objet ou image. Le système étant stigmatique, cela signifie que des rayons entrant parallèles entre eux dans le système en ressortent parallèles entre eux également. On peut aussi considérer qu'il s'agît alors d'un système dont les foyers ont été rejetés à l'infini.

Systèmes centrés

Dans un système centré (c'est-à-dire possédant un axe de symétrie de révolution) les foyers objet et image qui se trouvent sur l'axe optique sont appelés foyers principaux. Dans ce cas, par symétrie :

  • Le foyer objet est le point par lequel sont passés des rayons lumineux qui ressortent parallèles entre eux et parallèles avec l'axe optique après le système optique.
  • Le foyer image est le point où convergent des rayons lumineux déviés qui étaient avant le système parallèles entre eux et avec l'axe optique.

Foyers secondaires

Dans un système centré, on appelle foyers secondaires (par opposition au foyer primaire), les foyers images ou objets reliés à des faisceaux de rayons lumineux parallèles entre eux mais non parallèles avec l'axe optique.

Plans focaux

L'ensemble des foyers secondaires images (respectivement objets) sont contenus dans le plan focal image (respectivement objet) qui correspond au plan perpendiculaire à l'axe optique et passant par le foyer image (respectivement objet).

Miroirs

Les miroirs ont la particularité d'avoir leurs foyers image et objet confondus, par le principe du retour inverse de la lumière. On parlera donc de "foyer" en général dans la suite, à la place de "foyer primaire objet ou image".

  • Miroirs plans : un miroir plan peut être considéré comme un système afocal, ou bien comme un système dont les foyers ont été rejetés à l'infini. En effet, des rayons arrivant parallèles sur le miroir ressortent parallèles.
  • Miroirs paraboliques : un miroir parabolique a son foyer avant le sommet du miroir. Les miroirs paraboliques sont des systèmes stigmatiques pour le foyer principal (propriété mathématiques des parabole).
  • Miroirs sphériques concaves : les miroirs sphériques concaves ont leur foyer à mi-distance entre le centre (centre géométrique de l'arc de cercle formant le miroir) et le sommet (intersection du miroir avec l'axe optique) du miroir. Il s'agit d'un foyer réel.
  • Miroir sphériques convexes : les miroirs sphériques convexes ont leur foyer à mi-distance entre le sommet et le centre du miroir. Il s'agit d'un foyer virtuel.

Lentilles

  • Lentilles convergentes : une lentille convergente a son foyer image après la lentille, et son foyer objet avant la lentille. Les deux foyers sont réels.
  • Lentilles divergente : une lentille divergente a son foyer image avant la lentille, et son foyer objet après la lentille. Les deux foyers sont virtuels.

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