Sciences Appliquées SCIAP2 BTS Cinéma et Audiovisuel

89 Pages·2016·19.24 MB·French

Sciences AppliquØes
SCIAP2
BTS CinØma et Audiovisuel
Raymond Kneip1
LycØe Technique des Arts et MØtiers
DØpartement de Physique
19, rue Guillaume Schneider
L - 2522 Luxembourg
16 avril 2016
1. http://www.ltam.lu/physique
2
Table des matiŁres
I Optique physiologique, photomØtrie et colorimØtrie 1
1 Physique de la lumiŁre et des couleurs 3
1.1 Onde ou particule? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Les spectres continus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Le spectrographe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 La lampe (cid:224) incandescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Le corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.4 La loi de Stefan-Boltzmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.5 La loi de Wien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Structure de l’atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1 Spectres d’Ømission et d’absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 La photomØtrie 19
2.1 PhotomØtrie ØnergØtique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 Puissance lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2 IntensitØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.3 (cid:201)clairement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.4 Luminance d’une source Øtendue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 PhotomØtrie visuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Flux lumineux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 IntensitØ lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 (cid:201)clairement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.4 Luminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.5 E(cid:30)cacitØ lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Les sources lumineuses 35
3.1 Le Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 La lampe (cid:224) incandescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 La lampe (cid:224) incandescence halogŁne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Le tube (cid:29)uorescent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 La lampe (cid:224) sodium haute et basse pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 Les LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.7 Les lampes aux halogØnures mØtalliques HMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.8 L’indice de rendu des couleurs IRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.9 Les illuminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.10 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3
4 TABLE DES MATI¨RES
4 L’optique physiologique 53
4.1 L’oeil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.1 Les c(cid:244)nes et b(cid:226)tonnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.2 Anomalies de la vision des couleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 La colorimØtrie 65
5.1 Le cercle chromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Les couleurs spectrales et non spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3 Les couleurs mØtamŁres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 DØ(cid:28)nition d’une base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.5 La synthŁse additive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.6 La synthŁse soustractive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.7 Les couleurs complØmentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.8 Le cube colorimØtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.9 Le triangle de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.10 Le systŁme CIE XYZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.11 Espaces colorimØtriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.12 La thermocolorimØtrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.12.1 L’Øcart Mired . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6 Le systŁme binaire 81
PremiŁre partie
Optique physiologique,
photomØtrie et colorimØtrie
1

Chapitre 1
Physique de la lumiŁre et des
couleurs
1.1 Onde ou particule?
Huygens et Newton sont les premiers (cid:224) tirer les consØquences de tous les phØnomŁnes
pour tenter de comprendre la nature de la lumiŁre, mais leurs descriptions sont opposØes.
Christiaan Huygens (1629 - 1695), physicien hollandais, compare la lumiŁre au son et
Ømet le principe que la lumiŁre est un phØnomŁne vibratoire qui se propage par ondes. Il
rØussit(cid:224)concilierletrajetrectilignedelalumiŁredansunmilieuhomogŁneetlapropagation
par ondes pour expliquer les lois de la rØ(cid:29)exion et de la rØfraction.
Le point de vue d’Isaac Newton (1642 - 1727), physicien anglais, est complŁtement dif-
fØrent : il postule que la lumiŁre est constituØ de corpuscules trŁs rapides. Lorsque ces
corpuscules atteignent le fond de l’oeil, ils engendrent des vibrations qui sont transmises au
cerveau en donnant diverses sensations de couleur.
Figure 1.1 (cid:21) Newton dØcompose la lumiŁre blanche dans ses couleurs spectrales en utilisant un
prisme . En utilisant un deuxiŁme prisme, Newton montre qu’une certaine couleur, extraite du
spectre, ne change plus de couleur en passant par un deuxiŁme prisme.
Bien que pas toutes les assertions de Newton soient vØri(cid:28)Øes, il apporte de nombreuses
contributions (cid:224) l’Øtude de la lumiŁre. Il mŁne en particulier plusieurs expØriences avec des
prismes qui dispersent la lumiŁre du Soleil en faisant appara(cid:238)tre diverses couleurs. AprŁs
dØcompositiondelalumiŁre,Newton sØlectionne,(cid:224)l’aided’unefente,unrayond’unecouleur
donnØe qu’il fait passer (cid:224) travers un second prismes. L’absence de changement de couleur
3
4 CHAPITRE 1. PHYSIQUE DE LA LUMI¨RE ET DES COULEURS
rØfutel’hypothŁseselonlaquellelescouleurssontcrØØesparleprisme.Newton conclutquela
lumiŁre blanche est constituØe par des rayons de di(cid:27)Ørentes couleurs qui sont di(cid:27)Øremment
rØfractØs par un prisme.
Newton recense sept couleurs : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange et rouge. Ce
sont prØcisØment les couleurs de l’arc-en-ciel, phØnomŁne dont Newton donne l’explication
correcteentermesderØfractionetrØ(cid:29)exioninternedelalumiŁredanslesgouttelettesd’eau.
NØanmoins, Newton n’arrive jamais (cid:224) donner une explications satisfaisante (cid:224) tous les
phØnomŁnes optiques connues par sa thØorie corpusculaire. Entre autre, les phØnomŁnes
d’interfØrences et de di(cid:27)raction sont facilement expliquØs par la thØorie ondulatoire et non
par la thØorie corpusculaire. Cette thØorie s’est dØveloppØe entre autre, gr(cid:226)ce aux travaux
de Huygens, Young (di(cid:27)raction par un trou, par un (cid:28)l ou la cØlŁbre expØrience (cid:224) fente
double) et Fresnel (description mathØmatique dØtaillØe des phØnomŁnes d’interfØrences et
de di(cid:27)raction, description de la lumiŁre polarisØe).
Figure 1.2 (cid:21) Les fentes de Young (expØrience rØalisØe pour la premiŁre fois en 1801) dØsignent
uneexpØriencequiconsiste(cid:224)faireinterfØrerdeuxfaisceauxdelumiŁreissusd’unemŒmesource,en
les faisant passer par deux fentes parallŁles. On observe un motif de di(cid:27)raction, donc un motif oø
s’alternentdesfrangessombresetclaires.CetteexpØriencepermetdemettreenØvidencelanature
ondulatoire de la lumiŁre.
Une Øtape majeure dans la description de la lumiŁre est la thØorie du physicien Øcossais
James Clark Maxwell (1831 - 1879). En se fondant sur les travaux d’AmpŁre et de Faraday,
Maxwell gØnØralise les lois du magnØtisme et de l’ØlectricitØ en formulant les lois de l’Ølec-
tromagnØtisme. Il prØdit l’existence d’ondes ØlectromagnØtiques ayant la mŒme vitesse que
celle de la lumiŁre, ce qui le conduit (cid:224) proposer que les ondes lumineuses sont de nature
ØlectromagnØtique. Cela signi(cid:28)e que tous les points de l’espace situØs sur le trajet de la
lumiŁre sont soumis simultanØment (cid:224) des oscillations d’un champ Ølectrique et d’un champ
magnØtique.
La lumiŁre visible n’est que la toute petite partie des ondes ØlectromagnØtiques qui est
visible par l’oeil humain. Elles se situe approximativement entre 400 nm et 750 nm. Le
signal transmis par l’oeil au cerveau est interprØtØ en terme de couleur; du violet au rouge.
1.1. ONDE OU PARTICULE? 5
Vers 1900, Max Planck (1858 - 1947) cherche (cid:224) interprØter les spectres1 des corps in-
candescents . Il montre que la forme du spectre ne peut s’interprØter qu’avec l’hypothŁse
suivante : l’Ønergie lumineuse ne s’Øchange pas avec la matiŁre d’une facon continue, mais
seulement par paquets d’Ønergie appelØs quanta dont l’Ønergie est :
E =h f (1.1)
h : constante de Planck
h = 6.626·10−34 Js
Enutilisantl’idØedePlanck,AlbertEinstein (1879-1955)arrive(cid:224)dØcrirethØoriquement
l’e(cid:27)et photoØlectrique en identi(cid:28)ant les paquets d’Ønergie (cid:224) des particules de lumiŁre. Ces
paquets d’Ønergie sont appelØs plus tard les photons .
Au cours du 20ieme siŁcle se dØveloppe la mØcanique quantique qui permet de dØcrire les
phØnomŁnesfondamentaux,surtout(cid:224)l’Øchelleatomiqueetsubatomique.Undesconceptsde
la mØcanique quantique est la dualitØ particule-onde. Chaque objet physique peut prØsenter
des propriØtØs d’ondes ou de particules. La manifestation de ces propriØtØs ne dØpend pas
seulement de l’objet physique pris isolØment, mais aussi de tout l’appareillage de mesure.
Ainsi, non seulement les photons, mais aussi toute particule ØlØmentaire peut Œtre dØcrite
comme une onde ou une particule.
2
La mØtaphore du cylindre :
Un objet peut avoir (cid:224) la fois les propriØtØs d’un cercle et d’un rectangle! La mØtaphore
du cylindre est l’exemple d’un objet ayant des propriØtØs apparemment inconciliables. Il
serait (cid:224) premiŁre vue dØroutant d’a(cid:30)rmer qu’un objet a (cid:224) la fois les propriØtØs d’un cercle
et d’un rectangle : sur un plan, un objet est soit un cercle, soit un rectangle.
Figure 1.3 (cid:21) MØtaphore du cylindre : objet ayant (cid:224) la fois les propriØtØs d’un cercle et d’un
rectangle.
1. parspectre,oncomprendlavariationdel’intensitØdelalumiŁreenfonctiondelalongueurd’onde.
2. Extraitde:http://fr.wikipedia.org/wiki/DualitØ_onde-corpuscule
6 CHAPITRE 1. PHYSIQUE DE LA LUMI¨RE ET DES COULEURS
Mais si l’on considŁre un cylindre : une projection suivant l’axe du cylindre donne un
cercle, et une projection perpendiculairement (cid:224) cet axe donne un rectangle. De la mŒme
maniŁre, onde et particule sont des maniŁres de voir les choses et non les choses en elles-
mŒmes.
Exemple
Calculez l’Ønergie d’un photon, ayant une longueur d’onde de 550 nm.
Calcul de la frØquence :
c 3·108 m/s
f = =
λ 550·10−9 m
= 5.455·1014 Hz
Calcul de l’Ønergie :
E = h f = 6.626·10−34 Js·5.455·1014 Hz
= 3.614·10−19 J