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Réflexion de la lumière sur la matière, de mille et une façons

Tour d'horizon des diffusions de la lumière sur les matériaux. Quand la réflexion par la matière se traduit de mille et une façons en éclairage.
par Lionel Simonot14 avril 2020

Il serait tentant de représenter la réflexion de la lumière par la matière comme le rebond d’une balle sur un sol. Si l’analogie n’est pas dénuée de sens – le rebond peut être plus ou moins fort ; il peut avoir de l’effet – elle ne traduit pas toute la diversité des interactions entre une onde électromagnétique (la lumière) et un ensemble de charges électriques (la matière). Nous essayons ici de classifier ces interactions. Les schémas accompagnant les illustrations indiquent les propriétés de réflexion pour une lumière arrivant avec une direction incidente notée i.

Reflet métallique et reflet vitreux

Malgré la grande variété d’effets visuels que nous observons dans la vie quotidienne, nous ne distinguons, par leurs propriétés optiques, que deux grandes familles de matériaux : les métaux et les autres. Les métaux, tels qu’une plaque d’argent ou d’aluminium, réfléchissent une très grande partie de la lumière quelle que soit l’orientation de celle-ci dans la direction miroir.

Réflexion miroir

Réflexion miroir – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

La plupart des autres matériaux se comporte comme du verre. Pour une illumination frontale, ils sont très peu réfléchissants : 4% seulement de la lumière est réfléchie (et donc 96% transmise) par une interface air/verre. Les proportions s’inversent pour des orientations très rasantes de la lumière incidente. Entre les deux configurations, il peut y avoir une confusion entre ce qui est réfléchi et ce qui est transmis comme illustré sur la figure suivante.

Pyramide du Louvre, Musée du Louvre, Paris, France - Architecte : Ieoh Ming Pei - Ingénieur : Roger Nicolet © Vincent Laganier

Réflexion et transmission sur le vitrage – Pyramide du Louvre, Musée du Louvre, Paris, France – Architecte : Ieoh Ming Pei – Ingénieur : Roger Nicolet © Vincent Laganier

Géométrie de la loi de Sahl-Snell-Descartes

Géométrie de la loi de Sahl-Snell-Descartes – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

Effets de surface de la matière

Plus une surface devient rugueuse, plus la lumière réfléchie est diffusée autour de la direction miroir. Le matériau est moins brillant et l’image réfléchie plus floue.

Réflexion mixte sur le métal inoxydable

Réflexion sur une surface rugueuse de métal inoxydable – Folded Light, 8, Finsbury Circus, Londres – Concepteur de la sculpture : Carpenter Lowing © Timothy Soar

Réflexion mixte

Réflexion sur une surface rugueuse – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

Quand l’état de surface présente des directions de rugosité privilégiées, la lumière diffusée est modifiée par rotation de la surface. Pour une surface rayée par exemple, la lumière est fortement diffusée lorsqu’elle arrive dans un plan perpendiculaire aux rayures, et réfléchie dans la direction miroir lorsqu’elle arrive dans un plan parallèle aux rayures.

Réflexion anisotrope sur les toiles – Musée Soulages, Rodez, France © Rodez agglomération, musée Soulages, donation Pierre et Colette Soulages

Anisotropie et réflexion mixte

Réflexion anisotrope (plans perpendiculaire et parallèle aux rayures) – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

 

Il est possible de structurer la surface de telle sorte que la lumière revienne vers la direction incidente. Cette rétro-réflexion est obtenue par des revêtements constitués de micro-prismes ou micro-billes. Elle est utilisée sur des vêtements ou des panneaux de sécurité routière pour être vu de nuit par un conducteur utilisant ses phares.

Bandes de tissu rétro-réfléchissant sur un vêtement © Lamiot, Wikipedia

Rétroréflexion

Rétro-réflexion – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

Matière mate, satinée, brillante

C’est donc essentiellement la rugosité de l’interface supérieure d’un matériau qui impacte son aspect brillant. L’aspect mat d’un matériau provient de la diffusion de la lumière soit par une interface très rugueuse, soit après pénétration à l’intérieur du substrat. Les matériaux les plus mats sont d’ailleurs souvent poreux. Un matériau lambertien (du nom de Johann Heinrich Lambert qui formalisa la photométrie au XVIIIe siècle) modélise un matériau mat qui diffuserait la lumière de manière égale dans toutes les directions. Ce comportement idéal est quasi-systématiquement utilisé par les logiciels de simulation d’éclairage pour modéliser la diffusion de la lumière sur les parois d’une salle. C’est aussi le cas pour un revêtement blanc très diffusant d’une sphère d’intégration utilisée pour la mesure du flux lumineux émis par une lampe.

Réflexion diffuse avec peinture blanche très réfléchissante

Réflexion diffuse – Crossing Jordan, Wedgework à l’exposition See Colour de Järna, Suède © James Turrell – Photo : Florian Holzherr

Réflexion diffuse sur du plâtre

Réflexion diffuse lambertienne – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

La réflexion sur des matériaux satinés ou brillants présente deux composantes : le reflet, généralement incolore, sur l’interface supérieure du matériau, et la partie diffuse qui peut être colorée liée à l’absorption et la diffusion de la lumière par des particules dans le volume du matériau.

Réflexion brillante

Réflexion mixte (diffuse et brillante) – Fidget Spinner © Florian Schäffer – Wikipédia

Réflexion mixte sur du plastique

Réflexion mixte (diffuse et spéculaire) – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

Origines des couleurs

La lumière blanche se colore rarement par diffusion à l’exception notable de la diffusion par les particules atmosphériques à l’origine du bleu du ciel. Ce régime de diffusion se produit quand les particules diffusantes sont de l’ordre du nanomètre. Cette propriété se retrouve avec l’aérogel, matériau solide poreux présentant une très faible densité. La couleur bleue de l’aérogel est visible par diffusion.

L’origine des couleurs d’un matériau est plus souvent due à ses propriétés d’absorption. La couleur correspond aux rayonnements non absorbés, et donc diffusés par le matériau. On parle alors de couleurs pigmentaires.

Pigments en vente sur un marché de Goa, Inde © Dan Brad, Wikipédia

La lumière absorbée par la matière est généralement « perdue » dans des effets thermiques. Ce n’est pas le cas pour la photoluminescence où le rayonnement absorbé (typiquement dans l’ultraviolet) peut être converti en un rayonnement visible.

Exemple d’objet phosphorescent © Lưu Ly, Wikipédia

Des couleurs peuvent aussi être produites par des matériaux non absorbants et incolores. Des structures périodiques présentant des périodes d’une centaine de nanomètres peuvent en effet créer de la coloration par interférence ou diffraction. C’est le cas de la nacre, superposition de couches minces de carbonate de calcium.

Objet décoratif en nacre © Ewa Jastrzębska, Wikipédia


Transparent, translucide, opaque

Outre le brillant et la couleur, la translucidité est un autre attribut d’apparence lié aux propriétés de diffusion du matériau. Elle est liée à la pénétration de la lumière dans la matière et sa réémergence dans le voisinage de la position d’entrée.

Porcelaine translucide © Klausbo, Wikipédia

Diffusion transluminescente

Diffusion transluminescente – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

Cet effet de translucidité des matériaux peut se manifester aussi dans le cas d’un revêtement transparent telle une couche de vernis sur un fond opaque.

Matériau en bois vernis – Sifflets colorés de Channapatna, Inde © Rajesh Dangi – English Wikipédia

Diffusion de couche mince

Diffusion de couche mince sur une surface vernie – coupe de principe, extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

Etats de translucidité des matériaux

Il est commun de représenter les états de translucidité sur une échelle unidimensionnelle entre les deux situations extrêmes que sont la transparence et l’opacité. Nous estimons que cette représentation ne distingue pas les natures différentes des oppositions transparence/translucidité et translucidité/opacité. Un matériau est translucide/non transparent quand il diffuse la lumière. Un matériau est translucide/non opaque quand il laisse passer une partie de la lumière par transmission. L’opacité d’un matériau dépend donc également de son épaisseur.

Représentation schématique des états de translucidité

Représentation schématique des états de translucidité – extrait du livre, Quand la lumière diffuse la matière © Pierre Boulenguez, Lionel Simonot

Pour traduire toute la richesse des états de translucidité, nous en proposons une représentation tridimensionnelle, par exemple sous forme cubique. Les trois dimensions correspondent à des propriétés optiques du matériau : l’absorption, la diffusion de surface et la diffusion de volume. La figure précédente représente schématiquement le système proposé et des rendus en synthèse d’images correspondant à des états de translucidité le long des trois axes.

Approfondir le sujet

 

Photo en tête de l’article : réflexion miroir – Géode, Cité des Sciences et de l’Industrie, Parc de la Villette, Paris, France – Architectes : Adrien Fainsilber, Gerard Chamayou © Chris Mueller, iStock

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Techniques d'éclairage Éclairage naturel Éclairage intérieur Éclairage extérieur
Professions Architecte Artiste Plasticien Sculpteur Concepteur lumière Éclairagiste Bureau d'études Architecte d'intérieur Scientifique Chercheur
Supports Texte Photo Dessin Coupe 2D Vidéo
Source Lionel Simonot Light ZOOM Lumière
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Lionel Simonot
Lionel Simonot
Enseignant-chercheur. Depuis 2003, il enseigne l’éclairagisme à l’Ecole nationale supérieure d’ingénieurs de Poitiers - ENSI Poitiers. Cours magistraux et pratiques en photométrie, technologie des sources de lumière, dimensionnement électrique et interactions lumière matière. Ses activités de recherche portent sur les propriétés optiques et l’apparence visuelle de matériaux. Applications : films minces nano composites, couches de peinture en glacis ou vernis et objets obtenus par impression 3D.
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