PHOTOMETRIE –COLORIMETRIE

PHOTOMETRIE –COLORIMETRIE
Polycopié n°1
Licence Pro IOVIS
2009-2010
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.
Figure 1 : Schéma de principe d'une chaine optronique
On identifie (sur la Figure 1) :
- l’émission d’un signal lumineux
- sa transmission
- sa réception
- son mode d’exploitation
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
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 « 380-780 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
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 25000 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/m2: 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/m2).
• 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.
•
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 12000 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
Caractéristiques du rayonnement solaire :
–
–
•
Rayon du Soleil :
R=
696 000 km
Distance moyenne du soleil à la Terre :
D= 150 106 km
Grandeurs énergétiques
– Température de surface 5600 K
– Puissance totale rayonnée 3.9 1026 Watts
– Répartition spectrale de l'éclairement
• Éclairement moyen extraterrestre en W/m2:
1367
2
• Éclairement global du sol en W/m :
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/m2
Au sol
Extra-terrestre
UV-C
0,10 - 0,28
0
8
UV-B
0,28 - 0,315
1
17
UV-A
0,315- 0,40
39
85
Zone Inter
0,40 - 0,78
365
635
IR-A
0,78 - 1,4
210
413
IR-B
1,4 - 3,0
90
183
IR-C
3,0 - 1000
0
26
le Visible
0,38 - 0,78
380
656
(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
• au sol par temps clair au zénith L
• Intensité moyenne du Soleil
• Éclairement normalement au sol
E
1.90 109 cd/m2
1.47 109 cd/m2
2.25 1027 cd
100000 lux
• Température de couleur (au niveau de la mer)
• Soleil à 30°, temps clair
T = 5 000 K
• Soleil direct au zénith, temps clair
T = 5600 K
• Rayonnement global, temps couvert
T = 6500 K
• Ciel moyen au Nord (hémisphère N)
T = 6 500 K à 25 000 K
• Ciel bleu, temps clair
T = 15000Kà100000K
•
Documents CIE (Commission Internationale de l’Éclairage)