Optique physique et photographie

Chapitre 8 : Optique physique et photographie
1 Définition, historique et motivations
L’optique physique, par opposition à l’optique géométrique, s’intéresse aux phénomènes où la
nature fondamentale de la lumière joue un rôle (en particulier son aspect ondulatoire).
La théorie ondulatoire de la lumière a été principalement développée par Christiaan Huygens
dans les années 1670, par Young (1780) et par Augustin Fresnel (1818). Cette théorie
s'opposait à l'époque à la théorie corpusculaire, défendue principalement par René Descartes.
Huygens travaillait principalement sur les lois de la réflexion et de la réfraction, Fresnel
s’intéressa notamment aux phénomènes d'interférence.
Les approches ondulatoires et corpusculaires furent réunie par Albert Einstein lorsque celui-ci
établit le modèle du photon en 1905, dans ses travaux sur l'effet photo-électrique. La dualité
onde-corpuscule est aujourd’hui un des principes de base de la mécanique quantique.
Dans le cadre de la théorie ondulatoire, la grande avancée théorique fut la synthèse à la fin du
XIXe siècle des lois de l'électromagnétisme par James Clerk Maxwell. Les équations de Maxwell
prédisaient la vitesse des ondes électromagnétiques, et la mesure de la vitesse de la lumière
démontra que la lumière était de nature électromagnétique.
La théorie électromagnétique de Maxwell a complété la théorie ondulatoire en introduisant
deux grandeurs vectorielles qui sont les grandeurs vibrantes du phénomène lumineux : la
lumière apparaît, dans le cas d'une onde monochromatique, comme constituée d'un champ
électrique et d'un champ magnétique variant sinusoïdalement avec le temps.

En prise de vue photographique, l’optique physique trouve plusieurs applications,
notamment au travers :
de l’explication des propriétés du rayonnement émis par différentes
sources lumineuses (adéquation et calibrage du support photographique
par rapport à la nature de la lumière reçue, phénomène de température
de couleur).
du phénomène de diffraction (dégradation inévitable de l’image et
diaphragmes utiles en photographie)
du phénomène de polarisation de la lumière (filtres polarisants)
des phénomènes de réflexion (calcul des pertes de lumière dans les
objectifs par absorption et par réflexion)
du phénomène d’interférences (mis à profit dans les couches
antireflets)

2 La lumière, théorie actuelle
La lumière est pour nous aujourd’hui une forme particulière d’énergie. Elle se manifeste
tantôt comme une onde (aspect ondulatoire), tantôt sous la forme d’un flot de particules
élémentaires appelées photons (aspect corpusculaire). On parle du principe de dualité onde-
corpuscule.
2.1 Double nature de la lumière
En photographie, les deux aspects de la lumière sont
importants.
Par exemple, la formation de l’image latente en photographie
argentique ou la conversion opto-électronique à la base du
fonctionnement des capteurs numériques ne s’expliquent
qu’en considérant la lumière comme un ensemble de photons.
Par exemple, si la lumière avait la structure continue que
laisserait prévoir l'analogie avec les ondes acoustiques (par
exemple), tous les grains d’une émulsion, supposés identiques,
recevant un même éclairement seraient simultanément soumis
à son action.
À l’inverse, certains effets optiques comme la diffraction de la
lumière par le diaphragme d’un objectif photo ou la
polarisation de la lumière ne s’expliquent que dans le cadre
d’un modèle ondulatoire de la lumière.

2.2 Aspect ondulatoire de la lumière
La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire
comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 micron (380 nm à 780 nm, le symbole
nm désignant le nanomètre,1nm=10-9m). Les lois de Maxwell (théorie de
l’électromagnétisme), ou dans une certaine limite les lois de l'optique géométrique,
décrivent bien le comportement de ces ondes.
Les phénomènes lumineux s’expliquent selon la
théorie électromagnétique par la propagation
simultanée d'un champ électrique Eet d'un
champ magnétique B, constamment
perpendiculaires entre eux, ainsi qu'à la direction
de propagation, et dont les valeurs pour une
onde monochromatique sont des fonctions
sinusoïdales du temps t et de l’espace x.
À chaque instant, la vibration des champs électrique et
magnétique se fait donc dans une direction perpendiculaire à la
direction de propagation de la lumière : on appelle plan d’onde (P)
ce plan perpendiculaire au « rayon lumineux». La lumière en tant
qu’onde est donc une onde transverse.

Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques possèdent une double périodicité :
la périodicité du phénomène dans l’espace est mesurée par la longueur d’onde λ (en m),
tandis que la périodicité dans le temps est mesurée par la période T (en s) ou son inverse, la
fréquence ν (en Hz).
On a entre ces grandeurs la relation fondamentale :
où c est la vitesse de la lumière dans le vide (ou célérité), égale à :
.
c
c T
f
λ
= =
8
299 792 458 m/s 3.10 m/s
c= ≈