Vergence (optique) - Vergence (optics)
La vergence est l'angle formé par les rayons lumineux qui ne sont pas parfaitement parallèles les uns aux autres. Les rayons qui se rapprochent de l' axe optique en se propageant sont dits convergents , tandis que les rayons qui s'éloignent de l'axe divergent . Ces rayons imaginaires sont toujours perpendiculaires au front d' onde de la lumière, ainsi la vergence de la lumière est directement liée aux rayons de courbure des fronts d'onde. Une lentille convexe ou un miroir concave provoquera la focalisation des rayons parallèles, convergeant vers un point. Au-delà de ce foyer, les rayons divergent. Inversement, une lentille concave ou un miroir convexe fera diverger des rayons parallèles.
La lumière ne se compose pas réellement de rayons imaginaires et les sources lumineuses ne sont pas des sources ponctuelles, donc la vergence est généralement limitée à la modélisation de rayons simple des systèmes optiques. Dans un système réel, la vergence est le produit du diamètre d'une source lumineuse, de sa distance par rapport à l'optique et de la courbure des surfaces optiques. Une augmentation de la courbure entraîne une augmentation de la vergence et une diminution de la distance focale , et la taille de l'image ou du spot (diamètre de la taille) sera plus petite. De même, une diminution de la courbure diminue la vergence, ce qui entraîne une distance focale plus longue et une augmentation du diamètre de l'image ou du spot. Cette relation réciproque entre la vergence, la distance focale et le diamètre de la taille est constante dans tout un système optique et est appelée invariant optique . Un faisceau élargi à un diamètre plus grand aura un degré de divergence plus faible, mais s'il est condensé à un diamètre plus petit, la divergence sera plus grande.
Le modèle de rayon simple échoue dans certaines situations, comme pour la lumière laser , où l' analyse par faisceau gaussien doit être utilisée à la place.
Définition
En optique géométrique , la vergence décrit la courbure des fronts d'onde optiques. La vergence est définie comme
où n est l'indice de réfraction du milieu et r est la distance entre la source ponctuelle et le front d'onde. La vergence est mesurée en unités de dioptries (D) qui sont équivalentes à m −1 . Ceci décrit la vergence en termes de puissance optique . Pour les optiques telles que les lentilles convexes, le point de convergence de la lumière sortant de la lentille se trouve du côté entrée du plan focal et est positif en puissance optique. Pour les objectifs concaves, le point focal se trouve à l'arrière de l'objectif, ou du côté sortie du plan focal, et sa puissance est négative. Une lentille sans puissance optique est appelée une fenêtre optique , ayant des faces planes et parallèles. La puissance optique est directement liée à la façon dont les grandes images positives seront agrandies et à la façon dont les petites images négatives seront diminuées.
Toutes les sources lumineuses produisent un certain degré de divergence, car les ondes sortant de ces sources ont toujours un certain degré de courbure. À la distance appropriée, ces ondes peuvent être redressées à l'aide d'une lentille ou d'un miroir, créant des faisceaux collimatés avec une divergence minimale, mais un certain degré de divergence restera, en fonction du diamètre du faisceau par rapport à la distance focale. Lorsque la distance entre la source ponctuelle et le front d'onde devient très grande, la vergence devient nulle, ce qui signifie que les fronts d'onde sont plans et n'ont plus de courbure détectable. La lumière des étoiles lointaines a un rayon si grand que toute courbure des fronts d'onde est indétectable et n'a pas de vergence.
La lumière peut également être représentée comme constituée d'un faisceau de lignes rayonnant dans la direction de propagation, qui sont toujours perpendiculaires au front d'onde, appelées "rayons". Ces lignes imaginaires d'épaisseurs infiniment petites ne sont séparées que par l'angle qui les sépare. Dans le lancer de rayons , la vergence peut alors être représentée comme l'angle entre deux rayons. Pour l'imagerie ou les faisceaux, la vergence est souvent décrite comme l'angle entre les rayons les plus externes du faisceau ( rayons marginaux ), au bord (verge) d'un cône de lumière, et l' axe optique . Cette pente est généralement mesurée en radians . Ainsi, dans ce cas, la convergence des rayons transmis par une lentille est égale au rayon de la source lumineuse divisé par sa distance à l'optique. Cela limite la taille d'une image ou le diamètre de spot minimum qui peut être produit par toute optique de focalisation, qui est déterminé par l'inverse de cette équation ; la divergence de la source lumineuse multipliée par la distance. Cette relation entre la vergence, la distance focale et le diamètre minimal du spot (également appelé "diamètre de la taille") reste constante dans tout l'espace et est communément appelée invariant optique .
Cette relation angulaire devient particulièrement importante avec les opérations laser telles que la découpe laser ou le soudage laser , car il y a toujours un compromis entre le diamètre du spot, qui affecte l'intensité de l'énergie, et la distance à l'objet. Lorsqu'une faible divergence du faisceau est souhaitée, un faisceau de plus grand diamètre est nécessaire, mais si un faisceau plus petit est nécessaire, il faut se contenter d'une divergence plus importante, et aucun changement dans la position de la lentille ne modifiera cela. La seule façon d'obtenir un spot plus petit est d'utiliser un objectif avec une distance focale plus courte, ou d'étendre le faisceau à un diamètre plus grand.
Cependant, cette mesure de la courbure des fronts d'onde n'est pleinement valable qu'en optique géométrique , pas en optique à faisceau gaussien ou en optique ondulatoire , où le front d'onde au foyer dépend de la longueur d'onde et la courbure n'est pas proportionnelle à la distance du foyer. Dans ce cas, la diffraction de la lumière commence à jouer un rôle très actif, limitant souvent la taille du spot à des diamètres encore plus grands, notamment en champ lointain . Pour les sources lumineuses non circulaires, la divergence peut différer en fonction de la position en coupe transversale des rayons par rapport à l'axe optique. Les lasers à diode , par exemple, ont une plus grande divergence dans la direction parallèle (axe rapide) que dans la direction perpendiculaire (axe lent), produisant des faisceaux avec des profils rectangulaires. Ce type de différence de divergence peut être réduit par des méthodes de mise en forme du faisceau, telles que l'utilisation d'une lentille à tige qui n'affecte la divergence que le long d'une seule direction de section transversale.
Convergence, divergence et convention de signe
Les fronts d'onde se propageant vers un point unique donnent une vergence positive. Ceci est également appelé convergence car les fronts d'onde convergent tous vers le même point de focalisation. Au contraire, les fronts d'onde se propageant à partir d'un seul point source cèdent la place à une vergence négative. La vergence négative est aussi appelée divergence .