Diffusion de Rayleigh, de Mie, et diffusion "géométrique" > illustrations ?

[adrienlucca]

Bonjour,

je suis professeur de couleur dans une école d'art et je voudrais parler de la diffusion de la lumière
à mes étudiants. Cependant, il y a quelques détails que je ne comprends pas bien, voici mes questions :

- j'ai nommé "diffusion géométrique" le cas le plus classique d'un diffuseur parfait qui va diffuser la
lumière incidente dans toutes les directions. Si on se représente la lumière en prenant l'image d'un
pinceau lumineux se propageant en ligne droite, ce pinceau va prendre une forme hémisphérique lorsqu'il
sera diffusé par un diffuseur de forme plate (un mur peint en blanc, ou une feuille de papier blanc sont
des approximations d'un tel diffuseur).
Cette diffusion de lumière ne change pas la "couleur" de la lumière : toutes les longueurs d'onde sont
dispersées dans toutes les directions possibles. Si le pinceau est un pinceau de lumière blanche, le diffuseur
prend une apparence également blanche. En termes colorimétriques, la chromaticité de l'illuminant et celle
du diffuseur parfait sont identiques.

- pour la diffusion Rayleigh, j'ai pris l'exemple de l'atmosphère terrestre : la lumière issue du soleil
se diffuse dans l'atmosphère. Les courtes longueurs d'onde se diffusent davantage que les longues,
d'où l'apparence bleue du ciel (diffusion Rayleigh) et la couleur jaune, orange, rouge du soleil (la lumière
transmise - non diffusée - au travers de l'atmosphère...)
La diffusion Rayleigh, en "triant" la lumière, crée des phénomènes colorés.


>> question : je n'ai pas bien compris quel est le lien entre la taille des molécules et autres particules présentes
dans l'atmosphère et la diffusion Rayleigh. Cette relation peut-elle être expliquée en des termes simples ?
(type relation entre la taille des particules et la longueur d'onde de la lumière ?)
>une formule serait la bienvenue aussi!

- en ce qui concerne la diffusion de Mie, je n'ai pas bien compris quelle était la différence entre celle-ci et
la diffusion Rayleigh. J'ai lu sur un site de Météo (je ne me souviens plus lequel...) que la couleur des nuages
était une conséquence de la diffusion de Mie, est-ce exact - et si oui, pourquoi ?

>> en quoi la diffusion de Mie est elle différence de la diffusion "classique", et en quoi est-elle différente de la
diffusion Rayleigh ? Peut-on la concevoir comme un cas intermédiaire, ou bien sont-elles toutes les trois totalement
différentes (cad mettent-elles en jeu des mécanismes différents ?)

>> auriez-vous des idées, images, de phénomènes observables mettant en jeu la diffusion de Mie ?


Merci!

Adrien
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[Pixelvore]

Bonjour,

Sans rentrer dans les détails des formules (la flemme !),
- la diffusion de Rayleigh concerne des particules "infiniment petites" devant la longueur d'onde. Ca fait que dans les calculs on écrit que l'onde incidente, à un instant fixé, a la même valeur quel que soit le point qu'on prend sur la particule (sa variation spatiale est très large).
- la diffusion de Mie lève cette hypothèse car elle considère des particules de taille quelconque. N'ayez crainte, on retrouve bien la diffusion de Rayleigh lorsqu'on fait tendre la taille des particules vers zero. Mais donc pour résumer (et pour répondre à la 2è partie de votre 2è question), sachez que la diffusion de Rayleigh est maximale dans le bleu (d'où la couleur du ciel, qui résulte de la diffusion par les molécules d'oxygène et d'azote de l'air) et assez isotrope (diffusion "omnidirectionnelle"). Au contraire, la diffusion de Mie pour des particules de quelques dizaines de microns / centièmes de cm (gouttelettes d'eau) est fortement anisotrope ("forward scattering" en anglais : la lumière se propagera en gros comme un cône qui s'élargit) et assez indépendante de la longueur d'onde. Donc, les nuages sont blancs et sont "ombrés" (vous les voyez vraiment blancs surtout quand le soleil est derrière eux).
- pour votre dernière question, qu'entendez-vous par "diffusion classique" ? Si vous voulez parler de la diffusion par une feuille de papier, c'est un peu impropre, car même si en aval la fonction de réflectance est très simple (loi de Lambert en cosinus), c'est pas si facile à expliquer en amont. Pour vous faire une idée de ce qui se passe, regardez les images sur http://en.wikipedia.org/wiki/Diffuse_reflection ; la direction émergente "aléatoire" vient du grain de la surface, et aussi de réflexions / réfractions sur les couches superficielles du matériau (la lumière ne pénétrant qu'un tout petit peu dans le cas du papier, puisqu'il est blanc). Pour répondre à votre question "mettent-elles en jeu des mécanismes différents", ben c'est oui et non à la fois. Chaque matériau (surfacique ou volumique) que vous considérez a des propriétés optiques différentes mais au final c'est toujours des charges qui sont excitées par l'onde incidente et qui ré-émettent Par exemple, un conducteur parfait (un bout de métal bien poli) ne laisse pas du tout pénétrer la lumière, conserve la polarisation de la lumière (tout photographe le sait !) et renvoie dans la direction miroir uniquement. Au contraire, un diffuseur ne conserve pas la polarisation et renvoie dans tous un tas de direction parce que microscopiquement, la lumière pénètre dans les couches supérieures, subit tout un tas de réflexions et réfractions à l'intérieur, et quand le rayon ressort sa direction est peu corrélée à la direction incidente, et sa polarisation n'a plus grand chose à voir non plus. Mais il s'agit toujours des mêmes principes optiques dans l'affaire.
- Et enfin, des cas usuels de diffusion de Mie : ben une eau boueuse (éclairez la de derrière s'il le faut !), un jus de citron, ...

Voilà, si vous avez des questions plus précises n'hésitez pas, je réponds toujours avec plaisir lorsque ça cause optique et apparence visuelle des matériaux car je suis passionné d'infographie et je me suis posé plein de questions de ce genre depuis des années

[Pixelvore]

Pardon, après relecture tardive (plus possible d'éditer le message), j'ai noté une faute d'inattention : pour les gouttelettes d'eau, c'est quelques dizaines de microns / quelques centièmes de mm bien sûr. Et sinon, tant que j'y suis, j'ai écrit rapidement "bout de métal bien poli", il faut entendre "bien lisse" - parce que poli, pour une raison que j'ignore, ça signifie parfois voire souvent "dépoli" (on désigne souvent par "verre poli" un bout de verre diffus...)

[adrienlucca]

Bonjour Pixelvore,

merci beaucoup pour ces réponses...

Adrien

[A voir en vidéo sur Futura]