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1. Doublet de Ramsden

Un doublet de lentilles minces (L1, L2) a pour symbole 3-2-3, et pour épaisseur 12 mm.

1) Déterminer par le calcul sa distance focale f ' et la position de ses points cardinaux.
On donnera, en valeur algébrique, O1H, O1F, O2H' et O2F'

2) Vérifier les résultats sur un schéma à l'échelle 2.




Le doublet a pour symbole (ou pour formule) 3-2-3.
On en déduit :
f '1 = 3a = f '2 et e = 2a
e = 2a = 12 mm, donc a = 6 mm, f '1 = f '2 = 18 mm
Comme il est symétrique (milieux extrêmes identiques et f '1 = f '2), les points cardinaux-image sont symétriques des points cardinaux-objet par rapport au milieu du doublet. Il suffit donc de déterminer les points cardinaux-image ; les points-objet s'en déduisent ensuite par une simple symétrie.

1) 1ère solution (méthode des foyers) :

Ramsden 1

Relation de conjugaison de Descartes :

Ramsden 2

Ramsden 3

Ramsden 4

2ème solution (formules de Gullstrand) :

Les formules de Gullstrand permettent de calculer la distance focale image et la position des points principaux du doublet.

Ramsden 5

3ème solution (points nodaux et antinodaux) :

Cette solution originale, spécifique aux doublets symétriques, est associée à deux tracés de rayons remarquables :
  • Un rayon intermédiaire parallèle à l'axe optique (11) a pour conjugué image à travers L2 le rayon (1') qui passe par F'2, et pour conjugué objet à travers L1, le rayon (1) qui passe par F1 ; du fait de la symétrie, les angles a et a ' sont opposés, et les points F1 et F'2 sont les points antinodaux du doublet (n et n ' ) ; comme les milieux extrêmes du doublet sont identiques, ces points sont confondus avec les points antiprincipaux du doublet X et X'.


  • Un rayon intermédiaire (21) qui passe par le milieu O du doublet, a pour conjugué image à travers L2 et pour conjugué objet à travers L1 les points nodaux du doublet N et N' ; en effet, pour des raisons de symétrie, les rayons (2) et (2') forment avec l'axe optique des angles égaux (b = b '). Les milieux extrêmes étant identiques, ces points nodaux sont confondus avec les points principaux du doublet H et H'.
Ramsden 6

Ramsden 7


Ramsden 8

2) 1ère solution (méthode des foyers) :


Ramsden 9


  1. On trace un rayon objet incliné de q par rapport à l'axe optique, et passant par le centre optique de L1.
    Ce rayon n'est pas dévié.


  2. Son intersection avec le plan focal image de L1 donne y1 image de l'objet à l'infini de diamètre apparent q à
  3. travers L1.

  4. Le bord inférieur de y1, B1, est défini par le rayon intermédiaire parallèle à l'axe optique,


  5. qui se réfracte à travers L2 en passant par F'2,


  6. et par le rayon intermédiaire qui passe par le centre optique de L2 et n'est pas dévié.


  7. L'intersection des deux rayons réfractés donne le bord inférieur de y', B', image de y1 à travers L2.

  8. Cette image est dans le plan focal image [F'] du doublet.

  9. La parallèle au rayon a menée de B' coupe l'axe optique en H', point principal image du doublet.
F et H sont enfin construits par symétrie par rapport au milieu du doublet.

2 ème solution (système centré) :

C'est la méthode la plus classique. Elle repose sur les définitions des points cardinaux (foyers et points principaux) dans un système centré.

Ramsden 10
  1. Le rayon objet ( 1 ) parallèle à l'axe optique est réfracté par L1


  2. suivant un rayon (11) qui passe virtuellement par F'1.


  3. Un rayon annexe intermédiaire ( 21 ) , passant par le centre optique de L2, et parallèle à b n'est pas dévié ;


  4. il coupe le plan focal image de L2 en un foyer secondaire image F '2,


  5. par lequel passe ( 1' ), le réfracté de (11) par rapport à L2 ; ce dernier coupe l'axe optique en F', foyer principal image du doublet.


  6. L'intersection I' des rayons ( 1 ) et ( 1' ) appartient au plan principal image du doublet [H'].


  7. Le point principal H' image est obtenu en abaissant de I' la perpendiculaire à l'axe optique.
F et H sont enfin construits par symétrie par rapport au milieu du doublet.

3ème solution (points nodaux et antinodaux) :

Ramsden 11


  1. L'image intermédiaire OB1 est placée sur l'axe optique, à mi-distance de L1 et L2.


  2. Le point B1 est défini par le rayon (11), parallèle à l'axe optique,
  3. qui se réfracte vers F'2, confondu avec le point antiprincipal image du doublet,


  4. et le rayon ( 21 ), qui passe par le centre optique de L2 et n'est pas dévié, après réfraction par cette lentille


  5. L'image B' de B1 à travers L2 est à l'intersection des rayons ( 1' ) et ( 2' ).


  6. Le pied de la perpendiculaire menée de B1 à l'axe optique est le point principal image H' du doublet.


  7. Le foyer principal image F' est à mi-distance de H' et X'.


à suivre ...


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