Optique géométrique et formation des images

En optique géométrique, on modélise la lumière par des rayons qui se propagent en ligne droite dans un milieu transparent et homogène. L'indice de réfraction n caractérise le milieu : plus n est grand, plus la lumière y ralentit. Ce modèle suffit pour expliquer les ombres, les miroirs, les lentilles et la formation des images. Il ne décrit pas les phénomènes de diffraction ou d'interférence, qui relèvent de l'optique ondulatoire.

À l'interface entre deux milieux transparents d'indices n1 et n2, un rayon peut être réfléchi et/ou réfracté. La réflexion obéit à i1 = r : l'angle réfléchi est égal à l'angle incident, mesuré par rapport à la normale. La réfraction obéit à n1 sin i1 = n2 sin i2 ; le rayon se rapproche de la normale en passant dans un milieu plus réfringent. Ces lois expliquent les miroirs, les lunettes, la réfraction atmosphérique et la vision d'un bâton dans l'eau.

Une lentille mince convergente dévie les rayons : un rayon parallèle à l'axe optique émerge en passant par le foyer image F'. La position de l'image A'B' d'un objet AB se calcule avec la relation de conjugaison, en respectant les mesures algébriques orientées dans le sens de la lumière. Le grandissement compare la taille de l'image à celle de l'objet et indique si elle est agrandie, réduite, droite ou inversée. Une image réelle se forme après la lentille et peut être recueillie sur un écran ; une image virtuelle se voit à travers la lentille mais ne se projette pas.

L'œil est un système optique convergent : la cornée et le cristallin forment une image réelle sur la rétine, où les photorécepteurs convertissent la lumière en signal nerveux. L'accommodation modifie la courbure du cristallin pour garder une image nette d'objets plus ou moins proches. Dans la myopie, l'image se forme en avant de la rétine ; on corrige avec une lentille divergente. Dans l'hypermétropie, l'image se formerait en arrière de la rétine ; on corrige avec une lentille convergente.