Les caustiques

1 12 2012

Photographie des motifs présents au fond d’une piscine réalisée par Grégory Massal.

Ces motifs lumineux ne vous font t-il pas penser aux vacances d’été ? Si oui, c’est certainement qu’on les observe généralement au fond des piscines les jours ensoleillés.

L’image précédente montre des zones extrêmement lumineuses et d’autres plus sombres. On peut se demander comment la lumière du soleil, qui éclaire la surface de la piscine de manière homogène, peut se retrouver aussi mal répartie en son fond ?

L’air et l’eau sont deux milieux d’indice optique différent. Par conséquent, les rayons lumineux qui traversent cette interface vont voir leur direction modifiée, c’est le phénomène de réfraction de la lumière.  Le changement de direction des rayons lumineux dépend des indices optiques des milieux et de leurs angles d’incidence. Si la surface de l’eau est plate, tous les rayons lumineux sont déviés de la même manière et le fond de la piscine reste éclairé de manière homogène. En revanche si cette dernière est ondulée, l’angle d’incidence des rayons lumineux change selon la pente locale de la surface. Ils vont donc être plus ou moins déviés selon leur lieu d’incidence à la surface de la piscine.

Des chercheurs de l’université de Vancouver se sont intéressés au cas idéal où la surface de l’eau présente des vagues sinusoïdales. Le schéma ci dessous représente le chemin des rayons lumineux arrivant verticalement.

Schéma 1 : Focalisation de la lumière par la présence de vague en surface

On remarque sur ce schéma que les bosses des vagues dévient les rayons du soleil vers un même point. Il y a focalisation de la lumière d’où la formation de zones claires. A l’inverse les creux des vagues font diverger les rayons de lumière, d’où l’existence de zones sombres. La focalisation des rayons lumineux par  la surface ondulée de l’eau explique la présence de motifs lumineux au fond des piscines. Ce phénomène s’observe aussi à l’arrière d’un verre d’eau éclairé latéralement comme le montre la photo suivante.

caustique verre eau

Il faut tout de même se demander dans quelle limite l’explication précédente est valable. Les chercheurs canadiens ont illustré les cas limites sur les figures ci dessous. A gauche on observe le cas où les vagues sont de trop faibles amplitudes. Cela entraîne une faible déviation des rayons lumineux sans réelle incidence sur la répartition de la luminosité.  A l’inverse le schéma de droite montre un cas où les déviations sont très importantes. La focalisation des rayons lumineux est telle qu’ils vont se recroiser avant d’atteindre le fond. Dans ce cas aussi la luminosité sur le sol de la piscine sera constante et aucune tâche lumineuse ne pourra être observée.

Schéma 2 : Cas où aucun motif lumineux n’apparait au fond de l’eau

Dans le cas d’une piscine, les vagues ont une amplitude a de quelques centimètres et sont espacées d’une distance λ d’une vingtaine de centimètres. Si les rayons lumineux sont verticaux, l’angle maximum de déviation après la traversée de l’interface air-eau est donné par la relation :

Ainsi les rayons les plus dévies vont se croiser à une profondeur h d’environ :

Cette profondeur étant légèrement plus grande que celle de la plupart des piscines, cela explique le fait que la lumière soit focalisée sur certaines zones comme le montre le premier schéma et que des motifs lumineux soient visibles au fond des piscines. Voilà une raison de plus d’apprécier de piquer une tête dans l’eau d’une piscine.

Source :

L. Whitehead, J. Huizinga, and M. Mossman. Why do stars twinkle, and do they twinkle on Mars ? (#)
Wikipédia – Les caustiques. (#)
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Prisma 1666

28 07 2012

En 1666, Sir Isaac Newton compris pour la première fois l’expérience de dispersion de la lumière blanche à l’aide d’un prisme. Celui ci se demanda si les couleurs de l’arc-en-ciel était contenues dans la lumière ou dans le prisme.  Il filtre la lumière rouge issue d’une première dispersion et la dirige vers un second prisme. Etant donné que le second prisme ne disperse pas à nouveau la lumière rouge, Newton comprend que les couleurs sont contenues dans la lumière.

Inspiré par cette expérience, l’artiste Wonwei créer l’installation Prisme 1666. Celle ci consiste en 15 prismes répartis aléatoirement sur une surface blanche. Des dessins multicolores sont réfractés et dispersés par les prismes sur cette surface pour créer une expérience visuelle attrayante. Une interface permet de modifier à désir la couleur, l’angle ou l’intensité de la lumière projetée ce qui permet réellement de se mettre dans la peau de Isaac Newton lors de son expérience.

Source : Prisme 1666. #





Berenice Abbott

3 03 2012

Berenice Abbott s’est fait connaître pour avoir photographié de 1929 à 1939 les transformations incessantes de la ville de New York. Suite à ce succès elle s’intéresse à la vulgarisation des sciences aux Etats Unis. Elle est convaincue que la photographie doit participer à la diffusion de la culture scientifique. Elle mène se travail seul et sans financement durant de longues années. Ce n’est qu’en 1957 avec le lancement du satellite Spoutnik par l’URSS que les Etats Unis investissent massivement dans la formation scientifique. A cette époque, Berenice Arbbott obtient de collaborer avec le  MIT (Massachusetts Institute of Technology) et réalise ses superbes clichés :

Réfraction des rayons lumineux par un prisme en fonction de l’angle d’incidence initial.

Interférence des ondes à la surface de l’eau émises en deux points.

Rebonds multiples d’une balle de golf.

Source :

Wikipédia. #

Commerce Graphics. #





Cinéma 3D

17 01 2010

Si nous sommes capable de percevoir le monde en trois dimensions c’est que nous possédons deux yeux. Ces deux points de vue nous permettent d’apprécier les distances et les perspectives. Pour reconstituer l’effet de la 3 dimension au cinéma il faut capturer et montrer à chaque œil une image légèrement différente, qui correspondrait à celle vue dans la réalité. Pour cela il existe plusieurs méthodes :

  1. Les lunettes par division spectrale (le plus souvent bicolore) sont constituées de deux filtres qui sont chacun transparent dans un domaine complémentaire du spectre visible (par exemple un filtre rouge et un filtre bleu). Les deux pellicules sont projetées avec un spectre correspondant aux filtres utilisés sur les lunettes si bien que l’œil droit voit le film correspondant à la première pellicule et l’œil gauche celui correspondant à la seconde.
    Ce procédé donne d’excellents résultats pour les images en noir et blanc (avec des niveaux de gris), sous réserve que les couleurs utilisées soient des couleurs suffisamment vives. Par contre, l’utilisation de ces lunettes donne un aspect bizarre aux objets de la couleur d’un des filtres des lunettes : ils apparaissent clairs pour l’œil en face du filtre de leur couleur et sombres, voire noirs pour l’autre œil (Exemple : un ciel bleu ou une voiture rouge). Il est possible d’affiner cette technique en complexifiant le spectre destiné à chaque œil. En effet l’utilisation de filtre interférentiels permet de créer des spectres différents pour chaque œil mais comportant toutefois différentes longueurs d’onde du spectre visible.
  2. A l’aide de filtres polarisateurs il est possible de polariser la lumière émise par chaque projecteur. La lumière émise par les projecteurs est polarisées rectilignement dans des directions perpendiculaires entre elles. Des lunettes constituées de filtres polarisants croisés à 90° permettent alors que chaque œil reçoive l’image qui lui est destiné. Mais la polarisation linéaire rend cette technologie sensible à l’inclinaison des lunettes. Depuis peu on utilise donc des polariseurs circulaires qui corrige ce défaut. Notons que pour cette technologie, l’écran blanc doit céder sa place à un écran recouvert d’une fine couche d’argent pour ne pas modifier la polarisation de la lumière lorsqu’elle est diffusée.
  3. Par lunette active. Chaque verre des lunettes est un écran LCD qui s’éteint et s’allume en synchronisation avec les affichages d’image à l’écran. Quand l’image gauche s’affiche, l’écran de droite s’éteint pour que seul votre œil gauche la voit et inversement. La fréquence se cale sur celle de l’écran.