Questions/Réponses 7


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A propos Loann Brahimi

Je suis étudiant en Master Cosmos, Champs et Particules à l'université de Montpellier. Ce blog est une manière de transmettre ma passion, une façon d'aider ceux qui voudraient faire de la physique leur gagne pain et de créer un engouement autour de cette science mal comprise.


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7 commentaires sur “Questions/Réponses

  • Julien Duval

    Bonjour,

    Je suis enseignant en cinéma d'animation et effets spéciaux au sein de l'ESMA montpellier.

    Merci pour ce blog qui comble mes curiosité sur l'univers de la physique. Je précise que mon profil en termes de sciences est purement amateur mais que la compréhension de certaines notions de mon métier passe par l'étude de l'interaction entre la lumière et la matière. Je vous prie donc d'excuser les maladresses de vocabulaire.

    Dans mes recherches sur le la reflexion de la lumière sur une surface de matériau dielectrique, je trouve deux grand types de reflexions :
    - La reflexion diffuse.
    - La réflexion spéculaire.
    Je comprend la nature et et l'origine de ces deux réflexions mais constate dans mes observations expérimentales et dans l'utilisation des logiciels de production d'image numériques 3D qui utilisent des modéles de matériaux type BRDF ( https://en.wikipedia.org/wiki/Bidirectional_reflectance_distribution_function ) que ces 2 types de réflexions semblent se "superposer" et s’additionner.
    Donc d'un coté une réflexion spéculaire qui a la propriété visuelle d'avoir la couleur de la lumière incidente.
    De l'autre côté une réflexion diffuse qui a la propriété visuelle d'avoir la couleur de l'albedo de la surface "multiplié" par la couleur de la lumière incidente.
    http://www.solyimport.com/wp-content/uploads/2014/01/Pomme_Soly-Import-3.png
    Cette pomme et un exemple visuel simple qui illustre les questions auxquelles je ne trouve pas de réponse :

    Pourquoi ces deux refléxions sont elles supérposées et s'aditionnent ?
    Pourquoi l'une ne prend pas la couleur de l'albedo de la surface alors que l'autre y est sensible ?

    Le modèle de ces deux réflexions est expliqué sur nombre de sites mais je ne trouve pas d'explication a ces questions,. Pourtant même sur une surface aussi diffuse que du plâtre on peu observer ces deux réflexions.

    L'utilisation de l'addition et de la multiplication dans ma description vient du système de synthèse additive utilisé en informatique pour la représentation de la couleur. Je suis néanmoins initié à la nature ondulatoire de la lumière et doit pouvoir comprendre certaines notions plus physique.

    Si le sujet vous intéresse et que vous avez des explications, j'en serais ravi. N'hésitez pas a me contacter si vous désirez des précisions.

    Amicalement,

    • Loann Brahimi Auteur du billet

      Bonjour Julien et merci pour votre question.

      Votre question est très intérressante, je me suis renseigné sur le sujet et je pense avoir trouvé quelques éléments de réponse.

      Tout d'abord, revenons sur la nature des deux réflexions que nous observons sur la pomme.

      La réflexion séculaire est la reflexion directe des rayons lumineux extérieurs avec le moins de diffusion possible. En ce sens, un miroir parfait ne réfléchit la lumière que par réflexion séculaire. Physiquement parlant, l'angle de réflexion d'un rayon lumineux quelconque est égal à son angle d'incidence sur l'objet.

      La réflexion diffuse est en quelque sorte "l'opposé" de la réflexion séculaire dans le sens ou les rayons lumineux réfléchis à la surface de l'objet prennent des directions absolument aléatoires. En ce sens un nuage réfléchissant la lumière du soleil ne la réfléchi que par reflexion séculaire. Physiquement parlant, l'angle de réflexion d'un rayon lumineux quelconque à la surface de l'objet est différent de son angle d'incidence suivant une distribution aléatoire.

      En plus des reflexions, nous avons l'albédo qui caractérise le rapport énergie réfléchie / énergie absorbée d'un corps. En ce sens un corps noir est un objet qui ne réfléchit aucune lumière donc qui possède un albédo de 0. A l'inverse, un miroir parfait réfléchit toute la lumière incidente et donc possède un albédo de 1. Pour d'autres exemples, je vous redirige vers cette page de wikipedia qui présente un tableau contenant l'albedo d'autres objets : https://fr.wikipedia.org/wiki/Alb%C3%A9do

      Nous sommes éclairés par la lumière du Soleil qui est blanche c'est à dire qui contient toutes les couleurs du spectre électromagnétique de 300 à 1100 nm en gros. Un objet ayant un albédo fort (~1) serait blanc (même un miroir le serait si il est éclairé par la lumière du Soleil, il suffit de le placer au Soleil et de le regarder à travers le miroir). A l'inverse, un objet ayant un albédo faible (~0) serait noir.

      Prenons l'exemple de deux objets ayant un fort albédo : un miroir et de la neige. Quelle est la différence entre les deux ? La réflexion dominante. Dans le cas du miroir, la rélfexion dominante est séculaire. Dans le cas de la neige, elle est diffuse. Pourtant les deux ont un albédo similaire.

      Maintenant, prenons l'exemple de deux objets ayant un albédo faible. Un morceau de charbon et un liquide sombre comme du coca-cola par exemple. Quelle est la différence entre les deux ? Les réflexions dominantes encore une fois.

      La réponse à votre question se trouve là. Les propriétés de réflexion du matériau se trouvent enfait dans sa structure et sa composition. Dans le cas d'un objet présentant des irrégularités à la surface, on observe que la réflexion diffuse domine (la neige et le charbon). Dans le cas ou l'objet est "lisse", la réflexion sécuaire domine (le miroir et le coca-cola).

      En particulier pour le coca-cola, si on observe une forte réflexion séculaire, c'est grâce à la présence d'eau dont l'albédo est élevé. Seulement, le mélange entre l'eau et les constituants à l'albédo très élevé donne pour résultat un albédo assez élevé mais qui autorise la réflexion séculaire. C'est certainement plus compliqué que celà si on part du principe que certaines réactions chimiques peuvent s'opérer et changer les propriétés de réflexion de la lumière mais ne retrons pas dans le détail.

      Enfin revenons à l'exemple de la pomme. Celle-ci n'est ni blanche, ni noire mais rouge. Elle ne réfléchi donc pas toute la lumière qu'elle reçoit mais surtout celle située dans le rouge (sur une certaine largeur de longueur d'onde quand même). En particulier, sa structure n'est ni trop lisse, ni trop rugueuse. C'est la raison pour laquelle les deux réflexions cohexistent.

      Pour être plus précis, mettons nous à la place d'un rayon lumineux. Lorsque celui-ci arrive à la surface de la pomme avec un certain angle d'incidence, il a deux possibilités: soit il se réfléchi avec un angle de réflexion égal (réflexion séculaire), soit il se réfléchi avec un angle de réflexion différent (réflexion diffuse). Si l'on fixe l'angle d'incidence, on peut connaissant la surface de la pomme établir une loi qui exprime la probabilité de réflexion d'un rayon lumineux suivant un certain angle. De ce fait, on aperçoit l'éclairage lumineux sur la pomme qu'en des zones précises de celle-ci.

      Le rapport entre la "quantité de réflexion diffuse" et la "quantité de réflexion speculaire" dépend de l'angle sous lequel on observe notre objet ainsi que de l'angle sous lequel il est éclairé par la source lumineuse.

      J'espère avoir répondu correctement à votre question. Je suis resté général parce qu'il y a beaucoup de choses à dire à ce sujet. Si vous souhaitez entrer dans les détail n'hésitez pas à me le demander. Je vous donne les liens des sites que j'ai consulté pour que vous y voyez plus clair.

      [Reflexion diffuse/séculaire] : https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9flexion_optique#R.C3.A9flexion_diffuse - Les schémas sont très clairs et on comprend desuite le principe. Ce qu'il faut comprendre c'est qu'un matériau peut être "lisse" à l'échelle macroscopique et rugueux à l'échelle microscopique d'où la cohexistence de ces deux réflexions.

      [Thèse : Etude de fonctions de la réflectance bidirectionnelle] : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00850467/document - Je n'ai pas regadé la thèse en détail mais si vous souhaitez vous documenter rigoureusement sur la réflectance bidirectionnelle, vous trouverez ce dont vous avez besoin.

      [Images] : http://www.graphics.cornell.edu/online/measurements/reflectance/index.html - Dans ce lien, on voit des "boules" dont le rapport réflexion seculaire / réflexion diffuse est différent. Ce rapport est indépendant de l'albédo de celles-ci. On voit également que l'angle de réflexion seculaire dépend du rapport qui lui-même dépend de la strucure de la boule.

      Cordialement, Loann

      • Julien Duval

        Merci beaucoup pour cette réponse Loann,

        Les sources que vous donnez me sont très familières, c'est très intéressant d'avoir un point de vue de physicien à associer a mes recherches personnelles. Si vous voulez rentrer plus dans les détails je pense que je peux suivre, les principes sont abordables, il me manque "juste" l'outil mathématique.

        Ce que je retiens particulièrement c'est votre phrase "un matériau peut être "lisse" à l'échelle macroscopique et rugueux à l'échelle microscopique d'où la cohexistence de ces deux réflexions." qui me permet d'envisager comment ces deux réflexions fonctionnent visuellement ensemble.

        Un point encore reste flou : Pourquoi la reflexion spéculaire n'a pas la couleur de l'albedo de la surface alors que la réflexion diffuse l'a, d'où sa couleur "intrinsèque".
        Dans les modèles de matériaux BRDF que j'utilise en imagerie numérique, les métaux font partie d'une catégorie à part qui ne sont pas soumis à la réflexion diffuse. Ils ont d'ailleurs beaucoup de différences, comme la non soumission aux coefficients de Fresnel. Basiquement Ils ne sont soumis qu'a la réflexion spéculaire, mais au contraire des matériaux diélectriques plus communs, le spéculaire prend la couleur de l'albédo du matériaux. C'est cet propriété par exemple qui donne l'aspect doré a l'or, ou le rouge orangé du cuivre.

        Peut être est ce une piste de réponse ? L'étude des matériaux et de leur réponse à l'illumination me possède complètement dans la mise en scène des images que je travaille. Ne vous sentez pas obligé de vous impliquer dans mes questionnements, c'est avec plaisir que je lis vos réponse mais je ne veux pas vous vampiriser.

        Merci,

        Julien

        • Loann Brahimi Auteur du billet

          Votre question est très intéressante mais aussi très complexe. En fait, cela revient à se demander pourquoi la réflexion diffuse a la couleur de l'albédo du matériau alors que la réflexion spéculaire non.

          Pour comprendre ce qu'il se passe, il faut s'intéresser à l'interaction rayonnement-matière.

          Le matériau absorbe tous les photons sauf ceux qui sont à l'origine de sa couleur qui sont réfléchis. Pour comprendre pourquoi certains photons sont réfléchis et d'autres pas, il faut regarder les niveaux d'énergie électroniques des atomes.

          Pour qu'un atome absorbe un photon (par transition électronique), il faut que son énergie corresponde parfaitement à une transition entre deux niveaux électroniques. En pratique, il en existe des milliers par atomes ce qui fait que l'atome en question absorbe une grande partie de la lumière. Cependant, il existe des photons dont l'énergie est telle qu'il n'existe pas de transition de niveau équivalent. Le photon est alors réfléchi en faisant "vibrer" le milieu.

          On a donc à faire à une réflexion qui conserve la couleur de l'albedo de la surface.

          Il existe des matériaux qui n'absorbent presque pas la lumière car leur constituants ne possèdent pas assez de transitions possibles ou du moins dans le visible. A ce moment la, les rayons réfléchis ont la couleur des rayons incidents.

          Sur d'autres matériaux comme les métaux en particulier, les rayons réfléchis ont la couleur des rayons incidents mais gardent quand même une partie de l'albédo du matériau. Cela vient de la structure du métal.

          Un métal est en fait contsitué d'atomes et d'une "colle" d'électrons libres qui sert de liant. Les photons vont donc interagir en priorité avec les électrons (car c'est plus simple) et ensuite avec les atomes.

          J'espère que cette réponse vous convient, elle n'est pas très précise car votre question est très complexe et met en jeu de nombreux mécanismes différents. 🙂

          • Julien Duval

            Merci beaucoup pour vos réponses. Je reviendrai vers vous si je trouve des documents interressants.

            Bien a vous 😉