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La matière mise en lumière

La rédaction

En prenant en compte le comportement physique de la lumière et de la matière éclairée, la simulation optique physique permet d'approcher au plus près la réalité en matière d'éclairage. Elle trouve sa place à la fois chez les chercheurs, mais aussi chez les utilisateurs d'images de synthèse, toujours à la recherche de visualisations plus réalistes.

Née avec les premiers systèmes optiques, la simulation optique est aujourd'hui mise en oeuvre dans de nombreux secteurs d'activité, non seulement pour optimiser, par exemple, les optiques de phares de véhicules ou l'ergonomie de divers écrans de contrôle et d'interfaces homme-système comme des cockpits ou des postes de conduite, mais aussi pour prédire finement la façon dont un objet sera perçu par l'utilisateur. En architecture et en aménagement d'espace intérieur, elle permet de mieux exploiter l'éclairage naturel, de gérer l'éclairage artificiel ou encore d'évaluer l'impact d'une construction sur le voisinage, en particulier induit par son ombrage et ses reflets, en y visualisant les espaces intérieurs. Dans le secteur du luxe et du packaging, elle permet un accroissement de qualité et d'attractivité des produits, tout en renforçant l'identité visuelle. Pour une plus grande précision, la simulation optique ne repose plus seulement sur les lois de l'optique géométrique, mais prend désormais en compte l'énergie lumineuse utilisée, le comportement de la matière des objets éclairés et celui de l'oeil.

 

1. HISTORIQUE : Des systèmes optiques aux lois géométriques

 

L'apparition des premiers systèmes optiques remonte au début de notre ère, lorsque les Chinois fabriquèrent la première lentille et que les Égyptiens réalisèrent le premier miroir pour le phare d'Alexandrie. La première lentille moderne, quant à elle, remonte à 1608, lorsqu'un Néerlandais découvrit l'avantage qu'offrait une pièce de verre bombée polie en rapprochant les objets : il venait d'inventer le verre de lunette.

Suivirent le microscope, la lunette de Galilée (1609) et l'appareil photo (1830). La volonté d'observer, puis de mémoriser les images avec l'apparition des films photographiques a considérablement fait évoluer les systèmes optiques, qui ont rapidement combiné plusieurs lentilles et miroirs, afin d'obtenir des images de qualité toujours supérieure.

Ces systèmes optiques d'imagerie ont fait l'objet de développements logiciels propres, induits par les fonctions caractéristiques des performances optiques, et également par les formes géométriques et les précisions associées propres.

Ainsi la loi de Snell-Descartes (n1.sin(i1) = n2.sin(i2)), découverte en 1621, dite loi de réflexion et réfraction, donne la direction d'un rayon réfracté par une surface de verre, en fonction de la direction du rayon incident rencontrant la surface (Fig. 1).

Cette loi, appliquée aux systèmes optiques, permet de déterminer la façon dont les rayons émis par plusieurs points objets sont transmis géométriquement par le système et regroupés dans un plan image. Une démarche traduite en algorithmes de calcul optique dans les années cinquante, par des pionniers comme Pierre Angénieux, puis perfectionnée dans les années soixante avec l'arrivée du logiciel POSD (Program for optical system design), alors développé par IBM. Ces algorithmes reposent sur des techniques de tracé de rayons itératifs se propageant d'une surface optique à la suivante, depuis l'objet jusqu'à l'image. Avec un objectif : minimiser la taille du nuage de points représentant l'image de tout point de l'espace objet après passage à travers le système optique, tout en conservant suffisamment de lumière pour que l'information soit détectable.

 

2. L'OPTIQUE PHYSIQUE : Au-delà de la géométrie

 

Ces outils donnent une information, mais laissent de côté l'impact de l'énergie lumineuse utilisée, du comportement de la matière des objets éclairés et de celui de l'oeil qui observe la scène (Fig. 2). L'optique physique, au contraire, intègre ces paramètres (Fig. 3) et prend donc en compte la cohérence d'un faisceau, les phénomènes de diffraction, d'interférence, la propagation, la polarisation, la diffusion, la fluorescence et les effets optoélectroniques, qui jouent un rôle non négligeable dans la simulation photométrique et la simulation laser (Fig. 4). L'optique, avec ses fonctions propres et le comportement particulier du photon a longtemps été traitée à part du monde de la physique. Il est toutefois intéressant de noter que le comportement optique dans le domaine de l'infrarouge permet de traiter les problèmes d'échange thermique radiatif.

 

A. Impact de l'énergie lumineuse

La prise en compte de l'énergie dans la simulation optique physique permet de traiter le plus souvent des aspects énergétiques de la lumière et offre donc des informations précieuses pour des sujets comme les énergies solaires, le laser mégajoule, le réacteur de fusion Iter (Fig. 5), les composants micro-optique de type Meoms (Micro electro-optical-mechanical system), ainsi que la génération d'images de synthèse physiques. C'est d'ailleurs par cette seule méthode qu'il est possible de quantifier l'information contenue dans une image de synthèse.

L'intégration des niveaux d'énergie répond par ailleurs aux besoins de l'éclairage, dont les grandeurs mesurées sont les quantités de lumière émises par les sources de lumière (intensité), incidentes sur une surface (éclairement) ou observées depuis un point donné (luminance). Les informations quantitatives fournies par les logiciels d'éclairage permettent de comparer en cours de développement les résultats attendus aux normes en vigueur.

 

B. Impact du comportement de la matière

Contrairement aux électrons, les photons interagissent avec le matériau qu'ils rencontrent, et par conséquent avec la mécanique et la géométrie. Résultat : ce que l'on voit n'est pas la géométrie 3D, c'est simplement la lumière qui se réfléchit sur les objets. D'où la nécessité de la simulation physique basée sur la lumière et d'une liaison avec les outils de CAO servant à la création des objets en 3D pour générer des images correctes de ce que verra une personne observant un objet donné.

Mettre en oeuvre une telle simulation optique nécessite une grande précision géométrique des surfaces, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Une précision atteinte par les outils de CAO dans les années 2000, avec l'implémentation des surfaces optiques.

Au-delà de la surface optique, caractérisée par l'état de surface, la simulation optique traduit l'interaction du photon avec la surface, puis avec le matériau. Les fonctions qui caractérisent ces phénomènes successifs ne sont pas reliées.

L'état de surface est caractérisé par[…]

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