E1 Propagation de la lumière et optique géométrique de base

Topique

La lumière émise par un objet se propage en ligne droite dans un milieu homogène — un milieu dont les propriétés optiques sont identiques en tout point — suivant ce que ce modèle appelle un rayon optique. Chaque point de l'objet émet simultanément de nombreux rayons optiques dans différentes directions, et tant que ces rayons optiques restent dans le même milieu homogène, ils continuent de se propager en ligne droite sans dévier, quelle que soit la distance parcourue.

Un rayon optique cesse de se propager en ligne droite sans dévier lorsqu'il atteint une interface : la limite entre deux milieux homogènes, l'un différent et l'autre possédant un indice de réfraction différent. L'indice de réfraction d'un milieu homogène décrit le ralentissement de la lumière qui s'y propage, par rapport à la vitesse de cette même lumière dans le vide ; plus l'indice de réfraction est élevé, plus la lumière s'y propage lentement. L'angle d'incidence est l'angle sous lequel un rayon optique frappe une interface, mesuré par rapport à la perpendiculaire à cette interface au point d'arrivée.

Lorsqu'un rayon optique traverse une interface et pénètre dans un milieu homogène dont l'indice de réfraction diffère de celui du milieu homogène dont il provient, sa direction change précisément au point de passage de l'interface. Ce changement de direction est appelé réfraction. Plus la différence entre l'indice de réfraction du milieu homogène source et celui du milieu homogène destination est grande, plus la déviation du rayon optique lors de la réfraction est importante. Si un rayon optique passe dans un milieu homogène d'indice de réfraction plus élevé, il se rapproche de la perpendiculaire à l'interface ; s'il passe dans un milieu homogène d'indice de réfraction plus faible, il s'en éloigne.

À chaque interface, un rayon optique n'est pas entièrement réfracté dans le nouveau milieu homogène : une partie du rayon est réfléchie dans le milieu homogène d'origine sans traverser l'interface (phénomène appelé réflexion), tandis que le reste du rayon traverse l'interface et se réfracte dans le nouveau milieu (phénomène appelé transmission). Plus la différence entre les indices de réfraction de deux milieux homogènes à une interface est grande, plus la proportion du rayon optique réfléchie à cette interface est importante, et plus la proportion transmise à l'autre côté est faible.

Lorsque la lumière provenant d'un objet traverse plusieurs interfaces, telles que celles formées par la cornée et le cristallin avant d'atteindre la rétine, la réfraction de chaque rayon à chaque interface détermine, collectivement, sa destination finale. C'est la combinaison de tous les rayons lumineux issus d'un même point de l'objet, réfractés de la même manière à chaque interface, qui détermine si ces rayons convergent à nouveau en un point unique de la rétine. Par conséquent, ce modèle de rayons lumineux, de réfraction, de réflexion et de transmission constitue la base de tous les calculs ultérieurs relatifs à la formation d'une image et à la conception d'une lentille permettant de former l'image précisément à l'endroit souhaité.

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