Pour étudier le comportement de la lumière dans les optiques, deux représentations simplifiées de l’optique ondulatoire sont utilisées.
L’optique géométrique
C’est la plus facile à appréhender.
Pour simplifier le modèle, on ne retient que la direction des ondes électromagnétiques. La lumière est donc réduite à des rayons lumineux et les seules caractéristiques du champ électromagnétique qui sont utilisées sont la direction de la lumière et sa couleur (longueur d’onde) puisqu’elle influe sur les caractéristiques des éléments traversés via la réfraction.
Aussi simple que soit ce modèle, il suffit à concevoir et expliquer le comportement des systèmes optiques complexes dont ceux utilisés en astronomie avec des outils de tracé de rayons (ray tracing) tels Oslo ou Zemax.
Le front d’onde
En métrologie optique, une représentation différente de la lumière est utilisée : le front d’onde. Cela reste une représentation liée au modèle ondulatoire, mais qui permet de mieux caractériser un flux lumineux que le tracé de rayons.
Le front d’onde est une surface constituée par les ondes de même phase. Dans le cas d’une onde cohérente temporellement (toutes les ondes émises au même instant ont la même phase comme un laser), ce plan d’onde représente l’ensemble des points de propagation des ondes qui ont été émises à un instant donné.
Comme on le voit, le front d’onde d’une onde électromagnétique cohérente composée de champs ayant la même direction est un plan perpendiculaire à la direction de propagation des ondes. Par extension, nous parlerons d’une onde plane ou d’un faisceau collimaté.
Dans le cas d’une source ponctuelle, le front d’ondes résultant est sphérique puisque les ondes partent dans toutes les directions opposées à la source. Nous parleront donc une onde sphérique.
Ce sont les deux types de fronts d’ondes qui sont utilisés en optique et en métrologie appliquées à l’astronomie.
La lumière qui arrive d’une étoile n’est pas cohérente temporellement, mais nous simplifions en ne considérant que les ondes sont synchrones et nous aurons donc à faire à des fronts d’ondes plans.
Cela peut paraître étonnant alors que l’on pourrait s’attendre à un front d’onde sphérique si l’on considère que vu depuis la Terre, une étoile est ponctuelle et donc cohérente spatialement.
Néanmoins, si l’on considère la distance entre l’observateur et l’étoile et surtout l’angle solide que constitue la surface S représentant l’ouverture de son instrument sur le front d’onde sphérique de l’étoile quand il arrive à l’observateur, il s’avère que le rayon de la sphère sur laquelle est défini cet angle solide est la distance observateur-étoile et peut être considéré comme étant infini.
En faisant le calcul de l’angle solide correspondant à un télescope de 20 cm sur le front d’onde d’une étoile située à 10 années lumière de l’observateur selon la formule , on obtient un angle de 1,4e-35 radians, soit presque nul. Nous pouvons donc faire l’approximation que le diamètre de l’onde sphérique rapporté à l’instrument de l’observateur est infini, et donc que les fronts d’ondes considérés en astronomie sont des fronts d’ondes plan. On dit que les instruments d’astronomie fonctionnent en « infini-foyer ».