Ensembles composés de lentilles et de miroirs, destinés à former des images ou à concentrer sur un détecteur le flux de radiations issues de l’objet.

Les radiations utilisées s’étendent de l’ultraviolet à l’infrarouge, et les éléments constituant un instrument sont fonction du domaine spectral utilisé. Les matériaux doivent transmettre ou réfléchir les radiations de la bande considérée. Le tableau ci-dessous montre les domaines d’utilisation de quelques verres ou cristaux couramment employés :
verre : 0,3 à 2,8 μ
silice : 0,2 à 4,5 μ
silicium : 1,2 à 15 μ
KDP : 0,25 à 1,70 μ
sel gemme : 0,21 à 26 μ
fluorine : 0,13 à 12 μ
iodure de potassium : 0,38 à 42 μ
iodure de césium : 0,24 à 70 μ.
Une expérience d’optique met toujours en œuvre un objet, un instrument d’optique et un détecteur qui exploitent les informations issues de l’objet et transmises par le détecteur. Un objet plan est une répartition de luminances L (x, y) rapportée à deux axes Ox, Oy. On peut montrer que cet objet est équivalent à une superposition de répartitions sinusoïdales de luminances qui forme un ensemble à deux dimensions O (μ, ν) de fréquences spatiales μ et ν (v. diffraction). L’instrument d’optique se présente comme un filtre passe-bas. Chacune des fréquences spatiales présentes dans l’objet est transmise par l’instrument avec un facteur de transfert de modulation compris entre 0 et 1 (fig. 1) [cas d’un objet unidimensionnel]. Lorsque l’instrument est stigmatique, seule la diffraction affecte la fonction de filtrage (courbe I). Les objets de fréquences spatiales faibles sont bien reproduits. Le contraste diminue lorsque la fréquence spatiale s’élève, pour devenir nul au voisinage de la fréquence de coupure (λ désigne la longueur d’onde, et α′ l’ouverture image de l’instrument). Sur la figure 2 est représenté un objet dont la luminance varie selon une fonction créneau ; la fréquence est supposée voisine de la fréquence de coupure de l’instrument. On ne reproduit que la fréquence fondamentale de l’objet, et le contraste obtenu est faible. Dès que des aberrations apparaissent, la fonction de transfert est affectée (fig. 1, courbe II). Les fréquences voisines de la fréquence nulle et de la fréquence de coupure sont très peu affectées ; au contraire, les fréquences intermédiaires le sont fortement. Avant d’entreprendre la construction d’un instrument, on doit connaître la qualité nécessaire de l’image pour déterminer la précision avec laquelle doivent être réduites les aberrations : on n’exige pas des performances identiques d’un instrument d’astronomie ou d’un condenseur d’éclairage. La finesse des détails que l’on veut mesurer sur l’objet, la distance objet-instrument sont des paramètres qui permettent de déterminer les caractéristiques géométriques de l’instrument, qui doivent être adaptées aussi à celles des détecteurs utilisés : œil, émulsions photographiques, détecteurs photo-électriques.

Caractéristiques géométriques d’un instrument

Relation objet-image

• Instruments de projection. L’instrument a pour but de projeter sur l’écran l’image d’un objet ; y est la grandeur de l’objet, y′ celle de l’image. On appelle grandissement transversal du système le rapport

• Instruments visuels. D’un objet AB, situé à une distance finie, l’instrument forme une image A′B′, que l’œil observe. La puissance P est le rapport dans lequel y désigne une dimension linéaire sur l’objet et α′ l’angle sous lequel est vue cette dimension à travers l’instrument. La puissance intrinsèque est obtenue dans deux cas particuliers de fonctionnement.
1. L’objet est au foyer du système optique, l’image est à l’infini ; la position de l’œil est indifférente (fig. 3) ; f ′ est la distance focale du système.
2. L’œil est situé au foyer image de l’instrument, la position de l’objet est quelconque (fig. 4).

Cette définition n’est plus applicable lorsque l’objet est indéfiniment éloigné. Dans ces conditions, l’instrument est caractérisé par son grossissement α est l’angle sous lequel on voit l’objet à l’œil nu, α′ l’angle sous lequel est vue l’image dans le champ de l’instrument. Le grossissement est dit « intrinsèque » G_i lorsque l’instrument est afocal. Objet et image sont alors à l’infini. rapport des distances focales de l’objectif et de l’oculaire.

Champs des instruments

• Champ en largeur. Le champ est l’ensemble des points du plan objet reproduit par un instrument. Un point objet A est le sommet d’un faisceau isogène de rayons lumineux divergents qui transporte l’énergie lumineuse émise par A. Pour que le point A′, image théorique de A déterminée par les lois de l’optique géométrique, existe, il suffit que des rayons lumineux issus de A atteignent le point A′. Un instrument est composé par exemple de lentilles transparentes montées dans des barillets opaques et de diaphragmes métalliques, utilisés pour délimiter les faisceaux réellement utilisés ou pour réduire les aberrations. Un rayon lumineux parvient à l’image s’il traverse tous les diaphragmes ou, ce qui est équivalent, s’il traverse les différentes images des diaphragmes dans un même milieu, images obtenues en conjuguant les diaphragmes par rapport aux systèmes optiques qui les précèdent (fig. 5).