PHOTOMETRIE COLORIMETRIE Polycopié n 1 Licence Pro IOVIS

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1 PHOTOMETRIE COLORIMETRIE Polycopié n 1 Licence Pro IOVIS Jean-Marc Frigerio UPMC Introduction - L optique instrumentale intervient dans des applications ou l observateur humain n est plus directement associé à l instrument. - Elle participe à la réalisation de systèmes optroniques ou optoélectroniques ou interviennent non seulement l optique et la mécanique, mais aussi de l électronique, de l informatique et de la visualisation. On identifie (sur la Figure 1) : - l émission d un signal lumineux - sa transmission - sa réception - son mode d exploitation Figure 1 : Schéma de principe d'une chaine optronique On peut regarder de façon plus détaillée (voir Figure 2) : - Emission : propriétés spatiales, spectrales et temporelles des sources directes ou indirectes - Transmission : caractéristiques des milieux et des interfaces rencontrés par la lumière et leurs effets sur le signal lumineux à détecter. - Réception : paramètres de l optique (champ, ouverture, qualité) en relation avec le capteur associé. - Traitement : cadence nécessaire, paramètres à extraire de l image, résolution désirée

2 Figure 2 : Schéma détaillé d'une chaine optronique On peut classer les systèmes de traitement en trois types : - Systèmes visuels : observateur humain (jumelles, télescope) - Systèmes automatiques : o Instrumentation o Télécommunication o Observation automatique (télédétection, biométrie, industriel) - Systèmes à visualisation : un observateur regarde l image de la scène donnée par le système. o Imagerie visible o Imagerie fausses couleurs (IRM, Scanner X, 2D, 3D) Rôle de la photométrie La photométrie, ou radiométrie optique concerne la caractérisation théorique et expérimentale des radiations électromagnétiques dont les longueurs d onde font partie du domaine dit optique « nm» mais de plus en plus par extension du proche UV (200nm) à l IR lointain (12µm) c'est-à-dire le domaine de transmission de l atmosphère terrestre. On peut voir sur la figure 3 les zones de transparence d un kilomètre d atmosphère au niveau du sol. Figure 3 : Transmission de l atmosphère terrestre

3 La photométrie va dont s intéresser : - aux grandeurs physiques et aux unités - aux lois en émission, propagation et détection - aux moyens de mesure Lois de la photométrie + optique géométrique => performances énergétiques et/ou visuelles d un système optique. La photométrie intervient à 2 niveaux : - A la conception d un système o Budget énergétiques des solutions o Modélisations des solutions o Choix de l architecture adaptée o Evaluation des performances o Définition des procédures et des moyens d essai - A la réalisation et à l évaluation expérimentale o Aspect métrologique o Contrôle des composants o Tests d ensemble o Bilan des performances La source «de base» : la lumière naturelle La lumière naturelle est la base de notre système de vision ainsi que notre perception. Le rayonnement solaire est celui qui couvre tout notre sol On distingue 2 types de rayonnements : Le rayonnement solaire extraterrestre Le rayonnement solaire est le rayonnement électromagnétique parvenant sur terre. Le rayonnement solaire extraterrestre ne peut pas être considéré comme équivalent au rayonnement du radiateur de Planck (à définir par la suite). Ce rayonnement résulte d une part de l'émission de rayonnement par diverses zones plus ou moins profondes du soleil, chacune des zones ayant ses propres particularités, d'autre part, les couches les plus externes absorbent une partie de l'énergie émise par des couches plus profondes. Le spectre solaire est donc très complexe, marqué par un certain nombre de raies et de bandes d'absorption (plus de du proche ultraviolet au proche infrarouge, si on effectue les mesures avec une bande passante assez étroite). On peut néanmoins comparer le rayonnement de base dans la zone 0,3-12 µm à celui du radiateur de Planck vers 5600 K dont le maximum d'émission se situe à 0,48 µm. Ce rayonnement s'étend depuis les grandes ondes (onde radio), jusqu aux ondes courtes où l aspect corpusculaire est dominant. Ce rayonnement est assez fortement absorbé par l'atmosphère terrestre, sauf pour deux zones de longueurs d'onde, dont : la bande 0,3 à 12 µm environ de longueur d'onde et la fenêtre radio de 0,1 à 15 m environ En haute altitude, l'éclairement énergétique dû au rayonnement solaire extraterrestre est en moyenne annuelle de 1367 W/m 2 : c'est la constante solaire On distingue séparément le rayonnement solaire extraterrestre évalué au niveau de la haute atmosphère et le rayonnement au sol. Ce dernier est très variable, tandis que le rayonnement extraterrestre est en moyenne constant, à la précision des mesures actuelles (1367 W/m 2 ). Des tables relatives au rayonnement solaire extraterrestre sont disponibles sous le nom de spectre WMO (World Meteorological Organization). Le rayonnement solaire au sol Du fait de la présence de l aire entre celle d'un grand cercle terrestre qui intercepte le rayonnement solaire et celle de la sphère terrestre entière sur laquelle la lumière se répartit, l'éclairement moyen annuel de la Terre est le quart de la constante solaire.

4 Le rayonnement solaire au sol dépend d'éléments géométriques faciles à évaluer: distance légèrement variable du soleil à la terre (le flux reçu varie de +/- 3,3%, avec un maximum le 3 janvier et un minimum le 3 juillet), latitude, hauteur du soleil sur l'horizon. Ce dernier facteur : introduit aussi la distance de parcours atmosphérique dont l'effet sur le rayonnement est délicat à chiffrer. En outre beaucoup d'éléments imprécis interviennent, ils sont liés à la nébulosité, à l'état de l'atmosphère, à sa teneur en poussières et en aérosols, lesquels entraînent l absorption et la diffusion. Causes de l absorption dans le domaine optique Au plan spectral, l'absorption par l'atmosphère a grossièrement pour effet de ne laisser passer le rayonnement solaire que dans deux zones, la fenêtre optique de 0,3 à 12 µm environ de longueur d'onde et la fenêtre radio de 0,1 à 15 m environ gaz de l'air : azote et oxygène neutres ou ionisés, ozone, dioxyde de carbone pour les courtes longueurs d'onde et aux bandes d'absorption de l'eau et du dioxyde de carbone pour les grandes longueurs d'onde. Il s'y ajoute les effets de diffusion et de diffraction fortement dépendants de la nébulosité et de l'état du ciel. Par temps clair le rayonnement diffus provient surtout de la diffraction moléculaire dans la haute atmosphère (en dessous de m d'altitude). Analyse de l influence de l atmosphère (Figure 4) - Au dessous de 0,3 µm absorption pratiquement totale par l'ozone, - 0,76 µm bande due à l'oxygène, - Vers 0.9; 1.15; 1.4; 1.9 µm bandes dues à la vapeur d'eau, - Au dessus de 2.4 µm bandes dues au gaz carbonique, - Aux faibles longueurs d'onde et jusque vers 0.7 µm diffusion de Rayleigh (elle affecte le rayonnement direct, mais peu le rayonnement global), - Pour tout le spectre, diffusion par les aérosols, l'eau (liquide ou solide), les poussières. Figure 4 : Répartition spectral de l éclairement solaire

5 Caractéristiques du rayonnement solaire : Rayon du Soleil : R= km Distance moyenne du soleil à la Terre : D= km Grandeurs énergétiques Température de surface 5600 K Puissance totale rayonnée Watts Répartition spectrale de l'éclairement Éclairement moyen extraterrestre en W/m 2 : 1367 Éclairement global du sol en W/m 2 : 705 L'éclairement global du sol est donné pour une masse d'air relative de 1,5 qui correspond à la valeur, au niveau de la mer pour une hauteur solaire de 45, Cet éclairement diminue de 5 à 10% pour une agglomération urbaine La zone du visible recouvre une partie de l'uv - A, tel qu'il est officiellement défini Répartition énergétique du rayonnement solaire en fonction de la gamme spectrale Type Répartition (µm) Éclairement W/m 2 Au sol Extra-terrestre UV-C 0,10-0, UV-B 0,28-0, UV-A 0,315-0, Zone Inter 0,40-0, IR-A 0,78-1, IR-B 1,4-3, IR-C 3, le Visible 0,38-0, (La zone du visible recouvre une partie de l'uv - A, tel qu'il est officiellement défini) Grandeurs visuelles Luminance du Soleil hors atmosphère L cd/m2 au sol par temps clair au zénith L cd/m2 Intensité moyenne du Soleil cd Éclairement normalement au sol E lux Température de couleur (au niveau de la mer) Soleil à 30, temps clair T = K Soleil direct au zénith, temps clair T = 5600 K Rayonnement global, temps couvert T = 6500 K Ciel moyen au Nord (hémisphère N) T = K à K Ciel bleu, temps clair T = 15000Kà100000K Documents CIE (Commission Internationale de l Éclairage)

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