La lentille à échelons : un phare dans la nuit

Partagez l'article

Sciences de la matière

La lentille à échelons : un phare dans la nuit

Lentille à échelons
Lentille à échelons du Phare des Onglous sur l’étang de Thau © Witold, FLACK Photography.

De l’aveu de son concepteur Augustin Fresnel, cette lentille était facile à inventer mais presque impossible à fabriquer. La lumière est venue de sa collaboration avec le fabricant Jean-Baptiste Soleil.

Par l’équipe Exploreur en collaboration avec Carlos de Matos, enseignant-chercheur à l'Université Toulouse III - Paul Sabatier, responsable des instruments du Service commun d'étude et de conservations des collections patrimoniales.

Face à l’intensification des échanges commerciaux au XIXe siècle, la signalisation maritime doit être repensée et développée. Augustin Fresnel propose alors une innovation : la lentille à échelons. Sa réalisation va l’obliger à tenir compte des contraintes de l’ingénierie : « des moyens d’exécution que M. Soleil avait à sa disposition ».

En 1811, la Commission des phares est créée pour mettre en place « l’éclairage systématique et raisonné des côtes de France ». Elle fait alors appel à des scientifiques pour tester différents systèmes d’éclairage. En 1819, le physicien François Arago, membre de la Commission, demande à l’astronome Claude-Louis Mathieu, et à l’ingénieur Augustin Fresnel de travailler à la mise au point d’un système astucieux pour améliorer la qualité des feux : augmenter leur portée, et les différencier.

Lentille Collection Université Toulouse III - Paul Sabatier
Lentille à échelons, pièce remarquable de la collection des instruments anciens de l’Université Toulouse III - Paul Sabatier. ©Véronique Prévost, UT3.

La fin de l’époque des réflecteurs

Jusque-là les phares sont équipés de réflecteurs de Lenoir. Henri Bouasse dans sa Bibliothèque scientifique, en rappelle le principe : « Je crois devoir bon de rappeler quelle était la solution au temps de Fresnel, représentée par le phare de Cordouan : le phare installé en 1788 […] était constitué par un miroir parabolique (en réalité il y en avait 12) de 80 cm d’ouverture et de 30 cm de profondeur ; au foyer se trouvait une lampe à huile, à mèche circulaire de 35 mm de diamètre, coiffée d’une cheminée de cristal. (…) Les 12 grands réverbères étaient regroupés parallèlement 3 par 3 sur les quatre faces d’une armature mue par un mouvement d’horlogerie. Le système faisant un tour en 8 minutes, dans tous les azimuts apparaissaient, de deux en deux minutes, de puissants éclats alternant avec des éclipses totales ». 

La première idée est de remplacer ces réflecteurs, dont la qualité de surface et l’entretien sont délicats, par des lentilles. Il existe déjà un phare lenticulaire en Angleterre, mais il a « peu d’éclat », et l’épaisseur du verre induit une forte perte de lumière. Augustin Fresnel a alors une autre idée qu’il expose dans un mémoire présenté à l’Académie des sciences en décembre 1822 : une lentille à échelons.

L’art du physicien …

« Ce moyen consiste à travailler ma pièce de verre par échelons. Supposons, pour me faire mieux entendre, que je veuille diminuer de 2 pouces l’épaisseur d’une lentille de verre qui a 26 pouces de diamètre, 5 pieds de foyer et 3 pouces d’épaisseur au centre ; je divise l’arc de cette lentille en trois parties, et je rapproche concentriquement chacune de ces portions d’arc, en sorte qu’il ne reste qu’un pouce d’épaisseur au centre ; et je forme de chaque côté un échelon d’un demi-pouce, pour rapprocher de même les parties correspondantes ; par ce moyen, en faisant un second échelon, j’arrive à l’extrémité du diamètre, et j’ai une lentille à échelons, qui est à peu près du même foyer, et qui a le même diamètre, et près de deux fois moins d’épaisseur que la première, ce qui est un très grand avantage ».

En réalité, Georges-Louis Leclerc de Buffon en 1748 avait déjà pensé à ce type de modification pour sa loupe, il en avait conçu une en un seul morceau, qui s’était révélée très difficile voire impossible à réaliser. Fresnel envisage, lui, de la fabriquer en morceaux séparés, ce qui permettra aussi, selon lui, de « corriger l’aberration de sphéricité ». En effet, les rayons qui se trouvent au bord de la lentille focalisent en un point légèrement différent du point de convergence des rayons se trouvant au centre : l'image d'un point est donc une tache floue.

SChéma_principe_bouasse
« Le cône des rayons émis par un point situé au foyer S est transformé en un cylindre horizontal dont les génératrices sont parallèles à l’axe optique du système. Celui-ci se compose : a) d’une lentille plan-convexe AB embrassant une zone assez petite pour que les rayons issus du Point S sortent à peu près parallèles à SA ; b) d’échelons prismatiques de révolution BCD rabattant par réfraction les rayons suivant SA : ce sont des fragments de lentilles convergentes admettant encore S comme foyer et SA comme axe principal ; c) d’échelons analogues DEF, mais produisant le même effet par réflexion totale. Les échelons sont formés de secteurs fondus et travaillés à part, puis solidement assujettis. Leurs profils sont séparément étudiés de manière à ramener les rayons issus du point S parallèlement à SA ». In Bouasse H., 1917, Bibliothèque Scientifique de l’ingénieur et du physicien, Construction, description et emploi des appareils de mesures, vol n°25, Paris, Librairie Delagrave. Henri Bouasse, professeur à la Faculté des Sciences de Toulouse de 1892 à 1937.

L’art de l’ingénieur …

Pour réaliser sa lentille, il décide de collaborer avec le fabricant Jean-Baptiste Soleil, ingénieur-opticien, qui siège lui-aussi à la Commission des phares. Il a donc substitué à chaque surface annulaire, un assemblage de petites portions sphériques, et donné une forme polygonale et non circulaire aux contours des anneaux, puisqu’il était plus facile de travailler les morceaux de verre en lignes droites qu’en arcs de cercle. Il a choisi ensuite de « coller les morceaux de verre les uns aux autres par les bords (…) parce que de cette manière, la transparence de la lentille devenait indépendante des altérations ultérieures de la matière qui les soudait ». Ils ont utilisé sur les conseils d’Arago la colle de poisson qui offre une forte adhérence, qui est « plus belle » et « surtout moins cassante ». Les expériences sont réalisées avec une lentille à échelons de 0,55m de côté, puis Soleil fabrique une lentille carrée de 0,76m de côté.

La Commission ordonne la construction d’un appareil d’éclairage composé de huit lentilles.

Fresnel incite Soleil à en concevoir une avec des surfaces annulaires en lui expliquant « le procédé mécanique » pour y parvenir, qui sera le procédé utilisé ensuite systématiquement, car il permet « une augmentation sensible de l’intensité de la lumière reçue dans la direction de l’axe de la lentille […] La manufacture Saint-Gobain, avec l’autorisation de la Commission, va devenir le fournisseur privilégié : elle fournit de grands arcs de verre coulés dans des moules, dont la forme est proche des prismes courbes qui seront montés. On a choisi d’utiliser le crown de Saint-Gobain, au lieu du cristal ou du verre de plomb, malgré sa teinte verdâtre : il est plus dur, plus inaltérable à l’air, et surtout plus léger.

Pour ne point fatiguer la machine de rotation qui doit faire tourner l’appareil composé de huit lentilles, il était nécessaire de les réduire au moindre poids possible, en multipliant beaucoup les échelons. ». Finalement le poids d’une lentille « y compris le fort cadre en cuivre », n’excède pas soixante-quinze livres, soit 34,02kg.

Se pose ensuite la question de la disposition des lentilles, ou plus précisément de la mise en place de l’appareil d’éclairage. Rien n’est laissé au hasard : la source lumineuse, le nombre de becs, la nature du combustible, le système d’alimentation des becs, les mèches qui permettront d’avoir une lumière blanche et une flamme concentrique, le mouvement de rotation de l’appareil… sans oublier la question de la facilité d’entretien, ou de l’économie de combustible.

L’art de l’argument commercial …

Enfin Fresnel insiste sur deux questions importantes. « Je me suis proposé d’augmenter la durée des éclats sans diminuer leur vivacité, et sans accroître néanmoins le volume de l’objet éclairant ou la dépense d’huile. J’y suis parvenu […] en me servant des rayons lumineux qui passent par-dessus et qui autrement seraient perdus. J’emploie à cet effet huit petites lentilles additionnelles trapézoïdales, de 0,50 m de foyer, dont la réunion forme au-dessus du bec quadruple comme une espèce de toit en pyramide octogonale tronquée, et qui laisse passer la cheminée de la lampe par son ouverture supérieure ». Même si la perte est importante, il estime que le dispositif permet de doubler la durée des éclats.

Aujourd'hui, de nombreuses applications :

  • Signalisation maritime, ferroviaire et routière

  • Phares de voitures

  • Flash des téléphones portables

  • Projecteurs de cinéma, rétroprojecteurs

  • Dispositifs énergie solaire (ex : Fours solaires)

  • Correction de l’angle mort des rétroviseurs, et d’aberrations sphériques dans certains systèmes optiques

  • Et aussi : Oculus Rift, détecteurs de mouvement infrarouges…

 

Portrait Fresnel
Fresnel : un géant du XIXe siècle
En introduction de son analyse du mémoire de Fresnel sur la théorie ondulatoire de la lumière, Jean-Louis Basdevant le rappelle : « Augustin Fresnel est sans doute, avec son ami André-Marie Ampère, fondateur de l’électromagnétisme, le plus grand physicien français de la période « classique ». (…) Son œuvre : la théorie ondulatoire de la lumière, y compris la transversalité des ondes lumineuses et la théorie de la polarisation, la théorie de la réflexion et de la réfraction, et l’optique des milieux anisotropes. Fresnel fut à la fois un expérimentateur talentueux et un théoricien profond ». Il écrivait lui-même en préambule de son mémoire de 1816 : « Il me semble que la théorie des vibrations se plie mieux que celle de Newton à tous les phénomènes, et si l’on n’a pas encore donné dans celle-là une explication satisfaisante de la réfraction, cela vient peut-être de ce qu’on n’a pas assez étudié la lumière sous ce point de vue. L’hypothèse est simple et l’on sent qu’elle doit être féconde en conséquences, mais il est difficile de les tirer. »

Références bibliographiques

  • Guigueno V.,2008 ,  « Les lentilles à échelons de Fresnel », Bibnum, Physique.

  • Basdevant J.L., 2009, « Le Mémoire de Fresnel sur la diffraction de la lumière », Bibnum, Physique.

  • Bouasse H., 1917, Bibliothèque Scientifique de l’ingénieur et du physicien, Construction, description et emploi des appareils de mesures, vol n°25, Paris, Librairie Delagrave.

  • Ganot A, 1876, « Traité élémentaire de physique expérimentale et appliquée et de météorologie », 17e éd., Paris, Auteur-Editeur.

  • Fresnel A., 1822, « Mémoire sur un nouveau système d’éclairage des phares », Paris, Imprimerie royale.