Introduction à la lumière. Formation à la Photographie

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1 Introduction à la lumière Formation à la Photographie Emmanuelle Menny Fleuridas 22/09/2016

2 Quelle est la composition de la lumière?... 2 Composition physique... 2 Spectre lumineux visible ou spectre optique... 3 Comment la lumière se propage-t-elle?... 3 Quelles sont les unités de mesure de la lumière?... 9 Quelles sont les différents types de sources lumineuses comprises entre 1000 et K? / 14

3 Quelle est la composition de la lumière? Composition physique La lumière est composée de radiations à longueurs d ondes variables, c est un phénomène ondulatoire et corpusculaire : Partie des rayons électromagnétiques qui s étendent des rayons cosmiques aux ondes hertziennes. Phénomène ondulatoire : elle se propage comme une onde, Phénomène corpusculaire : elle est composée de grains les photons. 1 lumière : longueur d onde et amplitude 1 nanomètre = 10-9 m L amplitude correspond à la hauteur d une «vague». La longueur d onde est la distance entre les crêtes de deux «vagues» successives. La longueur d'onde d'une onde radio est de l'ordre du mètre, celle d'une micro-onde est de l'ordre du cm. La fréquence désigne le nombre de «vagues» par seconde. Elle est inversement proportionnelle à la longueur d onde. La fréquence est exprimée en Hertz. La puissance est liée à l'amplitude : plus une «vague» est haute, plus elle est puissante. L'amplitude d'une onde électromagnétique, et donc son énergie, diminue à force qu'on s'éloigne de la source émettrice. 2 / 14

4 Spectre lumineux visible ou spectre optique 1 Rayons cosmiques Rayons gamma Rayons x Rayons ultraviolets Lumière visible Rayons infrarouges Ondes hertziennes (TV, radars, radio ) Ondes électromagnétiques Spectre visible = spectre optique = spectre lumineux = partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain (avec comme restriction que la largeur du spectre visible dépend de l acuité visuelle et des conditions de luminosité ) 2 lumière : le spectre visible foncée que les primaires. La couleur la plus foncée du système est le mélange de toutes les encres primaires. Comment la lumière se propage-t-elle? Vitesse de la lumière dans le vide : km par seconde. Vitesse de la lumière dans l eau = km par seconde. Vitesse de la lumière dans le verre = km par seconde. Onde = déformation périodique d un milieu. Longueur d onde : distance parcourue par l onde au cours d une période. Fréquence = nombre de fois que se reproduit un phénomène par unité de temps. Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite et la source vers l objet éclairé. Le rayon de la lumière est la droite qui va de la source vers l objet éclairé. Un faisceau de lumière est un ensemble de rayons de lumière. Voici quelques croquis qui expliquent en images les différentes règles de propagation de la lumière et l incidence sur les couleurs / 14

5 3 Diffusion : La propagation de la lumière est contrariée par des obstacles qui se trouvent sur son chemin et qui dévient sa trajectoire. (Poussière, vapeur d eau, pollutions diverses ). 4 Diffraction : Une petite ouverture sur le chemin du faisceau lumineux entraîne une dispersion de type diffraction 4 / 14

6 5 Réflexion spéculaire : réfléxion sur une surface brillante et polie dans une seule direction (angle a = angle b) 6 Réfléxion diffuse : réflexion dans toutes les directions sur une surface irrégulière 5 / 14

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8 7 Absorption et réflexion (exemples) 7 / 14

9 Réfraction = Fléchissement d une onde au passage entre deux milieux (d indices de réfraction différents) Indice de réfraction 2 = noté n on l appelle aussi constante optique d un matériau. C est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide c et la vitesse de la lumière dans le milieu considéré v. n = c (vitesse de la lumière dans le vide) v (vitesse de la lumière dans un milieu) 1 Milieu Vitesse approximative de la lumière Indice (n) Air, vide km/s 1 Eau km/s 1,33 Plexiglas km/s 1,50 Verre km/s 1,50 Diamant km/s 2,42 2 Définition courante qui n est pas complètement exacte mathématiquement parlant, mais qui constitue une simplification utile et suffisante pour la compréhension de ce qui nous occupe ici. 8 / 14

10 Quelles sont les unités de mesure de la lumière? Avant de formuler une réponse correcte à la question posée en titre, il convient de définir le stéradian. Stéradian (sr) : mesure d angle solide. Il s agit de l angle d un cône qui a comme sommet le centre d une sphère et qui découpe sur la surface de ladite sphère une aire dont la surface est celle d un carré qui a pour coté une longueur égale au rayon de la sphère. (Surface totale de la sphère : 4 π r², l angle solide d une sphère est 4 π stéradians) Explications en graphiques : mise en cône d un angle plan de 1,144 radian autour de sa bissectrice pour obtention de l angle solide de 1 stéradian. 8 stéradian en plan 9 / 14

11 9 stéradian 10 / 14

12 Quelles sont les unités de mesure de la lumière? Vaste question, dont la réponse dépend de ce que l on veut mesurer dans la lumière, selon que l on considère : la source émettrice primaire, l éclairement reçu, l éclairement réfléchi (luminance), l énergie électrique dépensée Pour effectuer ces mesures, on dispose des unités suivantes : La candela (cd) : mesure de l intensité lumineuse dans une direction donnée «La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence s-1 (hertz) et dont l'intensité énergétique dans cette direction est de 1/683 watt par stéradian» 3. Lumen (lm) : 1 lumen est le flux lumineux qui correspond au flux émis par une source de 1 candela dans un angle solide de 1 stéradian. 1 lm = 1cd * 1sr «Le lumen est une unité photométrique, tout comme la candela dont elle est dérivée, elle est fondée sur la perception humaine de la lumière à l'aide de la fonction d'efficacité lumineuse spectrale.» 4 Lux (lx) : unité d éclairement lumineux (ou valeur d éclairement). C est ce qui permet de mesurer la sensation d éclairement par l œil humain. Quand un objet, qui ne produit pas de lumière lui-même, est éclairé, il est visible. Grâce à l intensité lumineuse des sources lumineuses qui éclairent cet objet, leurs distances par rapport à cet objet et leurs directions, on peut calculer la valeur d éclairement, en Lux. L éclairement lumineux est donc le flux lumineux (en lumen) reçu sur une surface. 1 lx = 1 lm / m² Watt (W) : Unité légale de puissance (puissance lumineuse des ampoules) «Puissance d'un système dans lequel est transférée uniformément une énergie de 1 joule pendant 1 seconde» 5 Joule (J) : le joule est le travail d une force motrice d un newton dont le point d application se déplace d un mètre dans la direction de la force. Le Système International de mesures définit le Joule comme le kilogramme mètre carré par seconde à la puissance J = 1 N * 1 m = 1 kg * 1 m² * s -2. Autre définition qui pourrait faciliter la compréhension : Un Joule est l énergie fournie par la puissance de 1 Watt pendant une seconde. Cette unité de mesure est utilisée en photographie pour quantifier la puissance lumineuse des flashs car elle intervient dans le calcul du nombre 3 Résolution 3 de la 16e CGPM (1979) [en ligne] Bureau International des Poids et Mesures [consulté le 21 septembre 2016] Disponible sur : 4 Définition [en ligne] Wikipédia [consulté le 21 septembre 2016] Disponible sur 5 Définition [en ligne] Futura sciences [consulté le 21 septembre 2016] Disponible sur : / 14

13 guide (NG) qui détermine la puissance lumineuse d un flash ainsi que sa portée maximum. La puissance du flash, exprimée en Joules peut varier approximativement de 10 J pour un flash amateur à J pour un flash professionnel. Le NG qui découle de la puissance du flash est très intéressant pour le photographe dépourvu de flashmètre car il indique le diaphragme à appliquer en fonction de la distance qui sépare le sujet du flash et de la sensibilité du capteur. Plus le nombre Guide est grand, plus le flash est puissant. Degré kelvin : la température ou couleur de la lumière est évaluée en Kelvins (K). Cette température indique si la lumière est blanche, chaude, ou froide. La lumière «blanc-chaud» de lever ou coucher de soleil est inférieure à 3300 K, tandis que la lumière de plein jour est supérieure ou égales à 5300 K «Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.» 6 Le point triple de l eau est l état de l eau où : état liquide, état solide et état gazeux, coexistent en équilibre, cet état existe pour une température de 273,16 K, soit 0,01 C. Quelles sont les différents types de sources lumineuses comprises entre 1000 et K? Ainsi que détaillé ci-dessus, la température de la lumière est donnée en Kelvin. Elle correspond, selon la source lumineuse à une partie de la gamme chromatique se déclinant en couleurs chaudes, neutres ou froides. Les sources lumineuses avec une basse valeur en Kelvins produisent une lumière chaude (dominante de jaune) tandis que celles de valeurs élevées en Kelvin produisent une lumière froide à dominante bleue. Le schéma qui suit, représente approximativement différentes sources lumineuses placées sur une échelle en Kelvins. 6 Unités de base [en ligne] Bureau International des Poids et Mesures [consulté le 21 septembre 2016] Disponible sur : / 14

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15 Illustrations 1 lumière : longueur d onde et amplitude lumière : le spectre visible Diffusion : La propagation de la lumière est contrariée par des obstacles qui se trouvent sur son chemin et qui dévient sa trajectoire. (Poussière, vapeur d eau, pollutions diverses ) Diffraction : Une petite ouverture sur le chemin du faisceau lumineux entraîne une dispersion de type diffraction Réflexion spéculaire : réfléxion sur une surface brillante et polie dans une seule direction (angle a = angle b) Réfléxion diffuse : réflexion dans toutes les directions sur une surface irrégulière Absorption et réflexion (exemples) stéradian en plan stéradian / 14