Introduction à la réflexion de la lumière
La réflexion de la lumière se produit lorsqu'un rayon de lumière « rebondit » sur une surface et change de direction. De la définition détaillée de la « réflexion de la lumière » aux différents types de réflexion en passant par des exemples, notre article d'introduction vous indique tout ce que vous devez savoir sur la réflexion de la lumière.
Qu'est-ce que la réflexion de la lumière ?
La réflexion de la lumière (et d'autres formes de rayonnement électromagnétique) se produit lorsque les ondes rencontrent une surface ou un autre type de changement de milieu qui n'absorbe pas l'énergie du rayonnement et qui fait « rebondir » les ondes, lesquelles vont s’éloigner de cette surface.
Exemple de réflexion de lumière
L'exemple le plus simple de réflexion de la lumière visible est la surface d'une étendue d’eau sans vagues : la lumière incidente y est réfléchie de manière ordonnée pour produire une image claire du paysage qui entoure l’étendue d’eau. Si vous jetez un caillou dans ce lac (voir la figure 1) et que l'eau se retrouve perturbée et forme des vagues, cela va perturber la réflexion en diffusant les rayons de lumière réfléchis dans toutes les directions.
![Exemple d'image de réflexion de la lumière : Lumière réfléchie à la surface de l'eau]](https://static5.olympus-lifescience.com/data/olympusmicro/primer/lightandcolor/images/reflectionsfigure1.jpg?rev=71FD)
Qui a découvert la réflexion de la lumière ?
Certains des premiers récits de réflexion de la lumière proviennent d’Euclide, un mathématicien de la Grèce antique, qui a mené une série d'expériences vers 300 av. J.-C., et semble avoir eu une bonne compréhension de la façon dont la lumière est réfléchie. Mais ce n’est qu’un millénaire et demi plus tard que le scientifique arabe Alhazen a proposé une loi décrivant exactement ce qu’il advient d’un rayon de lumière lorsqu’il rencontre une surface lisse, puis rebondit dans l’espace.
L'onde lumineuse qui arrive sur la surface est appelée « onde incidente », et l'onde qui rebondit et s’éloigne de la surface est appelée « onde réfléchie ». La lumière blanche visible dirigée sur la surface d'un miroir à un certain angle (angle d’incidence) est réfléchie dans l'espace par la surface du miroir sous un autre angle (angle de réflexion) égal à l'angle d’incidence, comme on le voit sur la figure 2 pour un faisceau de lumière provenant d'une lampe de poche et arrivant sur un miroir lisse et plat. L'angle d'incidence est donc égal à l'angle de réflexion pour la lumière visible comme pour toutes les autres longueurs d'onde du spectre de rayonnement électromagnétique. Ce concept est parfois appelé « loi de réflexion ». Il est important de noter que dans ce cas, les couleurs qui composent la lumière ne font pas l’objet d'une séparation, parce que la lumière n'est pas « déviée » (réfractée) et que toutes les longueurs d'onde sont réfléchies à des angles égaux. Les surfaces qui réfléchissent le mieux la lumière sont très lisses, comme un miroir en verre ou un métal poli, bien que presque toutes les surfaces réfléchissent la lumière dans une certaine mesure.
Réflexion de la lumière
Lorsque des ondes lumineuses sont incidentes sur une surface lisse et plane, elles sont réfléchies par la surface au même angle que celui avec lequel elles arrivent. Ce tutoriel explore la relation entre les angles d’incidence et de réflexion pour une onde lumineuse sinusoïdale virtuelle.
Parce que la lumière se comporte à certains égards comme une onde et à d'autres égards comme si elle était composée de particules, plusieurs théories indépendantes ont émergé pour décrire la réflexion de la lumière. Selon les théories fondées sur la nature ondulatoire de la lumière, les ondes lumineuses se propagent depuis la source dans toutes les directions, et lorsqu'elles frappent un miroir, elles sont réfléchies à un angle déterminé par l'angle auquel la lumière arrive. Le processus de réflexion va renverser chaque onde, et c'est pourquoi on observe une image inversée. La forme des ondes lumineuses dépend de la taille de la source lumineuse et de la distance parcourue par les ondes avant d’atteindre le miroir. Les ondes provenant d'une source située près du miroir seront très incurvées, tandis que celles émises par des sources de lumière distantes seront presque linéaires, et ce facteur affectera l'angle de réflexion.
Selon la théorie des particules, qui diffère par certains points importants du concept d'onde, la lumière arrive au miroir sous la forme d'un flux de minuscules particules, appelées photons, qui rebondissent sur la surface lors de l'impact. Comme les particules sont extrêmement petites, elles se déplacent très près l'une de l'autre (pratiquement côte à côte) et rebondissent en différents points, de sorte que leur ordre est inversé par le processus de réflexion, produisant une image inversée. Que la lumière agisse comme si elle était composée de particules ou comme si elle était une onde, le résultat de la réflexion est le même. La lumière réfléchie produit une image inversée.
La quantité de lumière réfléchie par un objet et la manière dont elle est réfléchie dépendent fortement du degré de planéité ou de la texture de la surface. Lorsque les imperfections de surface sont plus petites que la longueur d'onde de la lumière incidente (comme dans le cas d'un miroir), la quasi-totalité de la lumière est réfléchie de manière égale. Cependant, dans le monde réel, la plupart des objets ont des surfaces complexes qui donnent lieu à une réflexion diffuse, la lumière incidente étant reflétée dans toutes les directions. Beaucoup des objets courants que nous voyons tous les jours (personnes, voitures, maisons, animaux, arbres, etc.) n'émettent pas eux-mêmes de lumière visible, mais réfléchissent la lumière naturelle et la lumière artificielle incidentes. Par exemple, une pomme nous paraît rouge vif parce qu'elle a une surface relativement lisse qui reflète la lumière rouge et absorbe d'autres longueurs d'onde de lumière non rouge (comme le vert, le bleu et le jaune).
Combien de types de réflexion de lumière existe-t-il ?
La réflexion de la lumière peut se diviser en deux grands types. La réflexion spéculaire est définie comme la lumière réfléchie par une surface lisse à un angle défini, tandis que la réflexion diffuse est produite par des surfaces rugueuses qui ont tendance à refléter la lumière dans toutes les directions (comme le montre la figure 3). Dans notre environnement quotidien, il y a beaucoup plus d'occurrences de réflexion diffuse que de réflexion spéculaire.
Réflexion spéculaire et réflexion diffuse
La quantité de lumière réfléchie par un objet et la manière dont elle est réfléchie dépendent fortement de la planéité ou de la texture de la surface. Ce tutoriel interactif examine les variations de réflectivité des surfaces lorsqu'elles passent de textures lisses, comme celle d’un miroir, à des surfaces très rugueuses et irrégulières.
Pour visualiser les différences entre la réflexion spéculaire et la réflexion diffuse, considérez deux surfaces très différentes : un miroir lisse et une surface rugueuse rougeâtre. Le miroir reflète toutes les composantes de la lumière blanche (comme les longueurs d'onde rouges, vertes et bleues) de manière presque égale, et la lumière spéculaire réfléchie suit une trajectoire qui a le même angle par rapport à la normale que la lumière incidente. À l’inverse, la surface rugueuse rougeâtre ne reflète pas toutes les longueurs d'onde, car elle absorbe la plupart des composantes bleues et vertes, mais reflète la lumière rouge. En outre, la lumière diffuse réfléchie par la surface rugueuse est diffusée dans toutes les directions.
Comment les miroirs réfléchissent-ils la lumière ?
Le meilleur exemple de réflexion spéculaire que nous rencontrons dans notre quotidien est sans doute l'image inversée que produit un miroir domestique et que l’on utilise plusieurs fois par jour pour observer son reflet. La surface en verre lisse et réfléchissante du miroir restitue une image virtuelle de l'observateur à partir de la lumière renvoyée directement dans ses yeux par réflexion. Cette image est appelée « virtuelle » parce qu'elle n'existe pas réellement (aucune lumière n'est produite) et donne l’impression de se trouver derrière le plan du miroir, car le cerveau fait cette hypothèse naturellement. La façon dont cela se produit est plus facile à visualiser lorsque l'on regarde le reflet d'un objet placé sur le côté de l'observateur, de sorte que la lumière de l'objet arrive sur le miroir.
Le type de réflexion qui est vu dans un miroir dépend de la forme du miroir et, dans certains cas, de la distance à laquelle l'objet réfléchi est positionné. Les miroirs ne sont pas toujours plats et sont produits dans une variété de configurations offrant des caractéristiques de réflexion intéressantes et utiles. Les miroirs concaves, communément présents dans les plus grands télescopes optiques, sont utilisés pour recueillir la faible lumière émise par des étoiles très lointaines. La surface incurvée concentre les rayons parallèles arrivant de loin en un seul point pour augmenter leur intensité. Ce type de miroir se retrouve également couramment dans les miroirs utilisés pour se raser ou se maquiller, pour lesquels la lumière réfléchie va produire une image agrandie du visage. L'intérieur d'une cuillère brillante est un exemple courant de surface de miroir concave. On peut l’utiliser pour démontrer certaines propriétés de ce type de miroir. Si on tient l'intérieur de la cuillère près de notre œil, une vue verticale agrandie de l'œil est visible (dans ce cas, l'œil est plus proche que le point focal du miroir). Si la cuillère est éloignée, une vue démagnifiée et inversée de l'ensemble du visage sera visible. Ici, l'image est inversée, car elle se forme après que les rayons réfléchis aient traversé le point focal de la surface du miroir.
Autre miroir courant présentant une surface incurvée, le miroir convexe est quant à lui souvent utilisé dans les rétroviseurs d'automobiles, où la courbure du rétroviseur extérieur produit une vue plus petite et plus panoramique des événements se produisant derrière le véhicule. Lorsque des rayons parallèles frappent la surface d'un miroir convexe, les ondes lumineuses sont réfléchies de façon divergente. Lorsque le cerveau retrace les rayons, ils lui semblent venir de derrière le miroir, là où ils convergeraient, produisant une image verticale plus petite (l'image est verticale puisque l'image virtuelle est formée avant que les rayons n'aient traversé le point focal). Les miroirs convexes sont également utilisés pour des raisons de sécurité comme miroirs grand-angle dans les couloirs et les entreprises. Les applications les plus amusantes pour les miroirs incurvés sont les miroirs de fantaisie trouvés dans les fêtes foraines, carnavals et palais du rire. Ces miroirs intègrent souvent un mélange de surfaces concaves et convexes, ou des surfaces qui changent légèrement de courbure, pour produire des reflets bizarres et déformés lorsque les gens se regardent dedans.
Les cuillères peuvent être utilisées pour simuler des miroirs convexes et concaves, comme on le voit à la figure 4, qui montre le reflet d'une jeune femme devant une clôture en bois. Lorsque l'image de la femme et de la clôture est reflétée à partir de la surface extérieure (convexe) de la cuillère, l'image est droite, mais déformée sur les bords, là où la courbure de la cuillère varie. En revanche, lorsque le revers (l’intérieur) de la cuillère, qui est une surface concave, est utilisé pour refléter la scène, l'image de la femme et de la clôture est inversée.
Miroirs sphériques concaves
Un objet situé au-delà du centre de courbure d'un miroir concave forme une image réelle et inversée entre le point focal et le centre de courbure. Ce tutoriel interactif explore la façon dont l’éloignement de l'objet par rapport au centre de courbure influe sur la taille de l'image réelle formée par le miroir.
Les reflets obtenus avec des miroirs concaves et convexes sont présentés à la figure 5. Le miroir concave possède une surface de réflexion qui se courbe vers l'intérieur, comme une section de l'intérieur d'une sphère. Lorsque les rayons de lumière parallèles à l'axe principal ou optique sont réfléchis sur la surface d'un miroir concave (dans ce cas, les rayons de lumière provenant des pieds de la chouette), ils convergent sur le point focal (le point rouge) devant le miroir. La distance entre la surface réfléchissante et le point focal est appelée la « distance focale » du miroir. La taille de l'image dépend de la distance de l'objet par rapport au miroir et de sa position par rapport à la surface du miroir. Dans ce cas, la chouette est éloignée du centre de courbure et l'image réfléchie est à l'envers et positionnée entre le centre de courbure du miroir et son point focal.
Le miroir convexe possède une surface réfléchissante qui se courbe vers l'extérieur, comme une section de l'extérieur d'une sphère. Les rayons de lumière parallèles à l'axe optique sont réfléchis par la surface dans une direction qui diverge du point focal, derrière le miroir (figure 5). Les images formées avec des miroirs convexes sont toujours à l’endroit et réduites. Ces images sont également appelées « images virtuelles », car elles se produisent là où les rayons réfléchis semblent diverger d'un point focal situé derrière le miroir.
Réflexion de la lumière dans les pierres précieuses
La taille des pierres précieuses constitue l'une des utilisations des principes de la réflexion de la lumière parmi les plus importantes et les plus esthétiques. En particulier dans le cas des diamants, la beauté et la valeur économique d'une pierre donnée sont largement déterminées par les relations géométriques des faces externes (ou facettes) de la gemme. Les facettes taillées en losange sont planes de sorte que presque toute la lumière qui arrive sur la face avant de la pierre est réfléchie vers l'observateur (figure 6). Une partie de la lumière est réfléchie directement par les facettes supérieures externes, mais une partie pénètre dans le diamant, et après réflexion interne, ressort de la pierre, réfléchie par les surfaces internes des facettes inférieures. Ces trajets de rayons internes et les réflexions multiples sont responsables de l'éclat d'un diamant, qu’on appelle parfois son « feu ». Conséquence intéressante d'une pierre parfaitement taillée : elle montre un reflet brillant quand on la regarde par devant, mais aura l'air plus sombre ou plus terne observée de l'arrière, comme illustré à la figure 6.
Les rayons de lumière sont réfléchis par les miroirs à tous les angles d'où ils arrivent. Dans certaines situations, cependant, la lumière ne peut être reflétée que sous certains angles et non sous d'autres, ce qui conduit à un phénomène connu sous le nom de « réflexion interne totale ». Ceci peut être illustré par la situation suivante : un plongeur évoluant sous la surface d’une eau parfaitement calme dirige le faisceau de sa lampe de poche directement vers le haut, vers la surface. Si la lumière frappe la surface à angle droit, elle continue directement hors de l'eau sous forme de faisceau vertical projeté dans l'air. Si le faisceau de lumière est dirigé de façon légèrement inclinée par rapport à la surface, de sorte qu'il rencontre la surface selon un angle oblique, le faisceau émergera de l'eau, mais sera dévié par réfraction vers le plan de la surface. L'angle entre le faisceau émergent et la surface extérieure de l'eau sera plus petit que l'angle entre le faisceau lumineux et la surface située sous l'eau.
Si le plongeur oriente la lumière à un angle de plus en plus rasant par rapport à la surface, le faisceau émergeant de l'eau va se rapprocher de plus en plus de la surface, jusqu'à se trouver parallèle à la surface. En raison de la flexion de la lumière due à la réfraction, le faisceau émergent se retrouve parallèle à la surface avant que la lumière n'ait atteint le même angle sous l'eau. Le point auquel le faisceau émergent devient parallèle à la surface se produit à « l'angle critique » de l'eau. Si le faisceau de lumière est incliné au-delà de cet angle, aucune lumière ne sortira de l’eau. Au lieu d'être réfractée, toute la lumière se reflétera sur la surface et retournera dans l’eau, comme ce qui se passerait avec la surface d'un miroir.
Miroirs sphériques convexes
Quelle que soit la position de l'objet réfléchi par un miroir convexe, l'image formée est toujours virtuelle, droite et de taille réduite. Ce tutoriel interactif explique comment le fait d’éloigner l'objet de la surface du miroir influe sur la taille de l'image virtuelle formée derrière le miroir.
Réflexion interne totale de la lumière
Le principe de la réflexion interne totale est à la base de la transmission de la lumière par fibre optique qui rend possible certaines interventions médicales comme l'endoscopie, les transmissions vocales téléphoniques codées sous forme d'impulsions lumineuses, et les dispositifs tels que les blocs d’éclairage à fibres optiques largement utilisés en microscopie et dans d’autres tâches nécessitant des effets d'éclairage de précision. Les prismes utilisés dans les jumelles et les appareils photo reflex mono-objectifs utilisent également la réflexion interne totale pour diriger les images vers l'œil de l'utilisateur selon plusieurs angles de 90°. Dans le cas d'une transmission par fibre optique, la lumière qui pénètre par l'une des extrémités de la fibre est de nombreuses fois réfléchie contre la paroi de la fibre à l'intérieur et avance en zigzags jusqu’à l'autre extrémité, sans qu'aucune lumière ne s'échappe à travers les minces parois de la fibre. Cette méthode d’« acheminement » de la lumière peut être maintenue sur de longues distances, et avec de nombreux virages tout au long du trajet de la fibre.
La réflexion interne totale n'est possible que dans certaines conditions. La lumière doit se déplacer dans un milieu ayant un indice de réfraction relativement élevé, et cette valeur doit être supérieure à celle du milieu environnant. L'eau, le verre et de nombreux plastiques peuvent donc être utilisés lorsqu'ils sont entourés d'air. Si les matériaux sont choisis de manière appropriée, les réflexions de la lumière à l'intérieur de la fibre ou du conduit optiques se produisent à un angle faible par rapport à la surface intérieure (voir la figure 7), et la lumière est totalement contenue dans le conduit jusqu'à ce qu'elle ressorte à l'autre extrémité. À l'entrée de la fibre optique, cependant, la lumière doit frapper l’extrémité à un angle d'incidence élevé afin de pouvoir traverser la frontière et entrer dans la fibre.
Les principes de la réflexion sont très bien exploités dans de nombreux instruments et dispositifs optiques, et cela passe souvent par l'application de divers mécanismes visant à réduire le reflet des surfaces qui prennent part à la formation de l'image. Le concept des technologies antireflet consiste à contrôler la lumière utilisée dans un dispositif optique de manière à ce que les rayons lumineux soient réfléchis par les surfaces où cela est prévu et utile, et ne soient pas réfléchis par les surfaces où cela aurait un effet négatif sur l'image observée. L'une des avancées les plus significatives dans la conception moderne des lentilles, que ce soit pour les microscopes, les caméras ou d'autres dispositifs optiques, est l'amélioration des technologies de revêtement antireflet.
Revêtements de surface antireflets
Examinez la façon dont différentes combinaisons de revêtements antireflets affectent le pourcentage de lumière transmise par la surface de la lentille ou réfléchie par celle-ci. Le tutoriel s’intéresse également à la réflectivité comme fonction de l'angle d’incidence.
L'utilisation de revêtements antireflets pour réduire la réflexion lumineuse indésirable
De fines couches de certains matériaux appliquées sur les surfaces des lentilles peuvent aider à réduire les reflets indésirables susceptibles de survenir sur certaines surfaces lorsque la lumière traverse un objectif. Les objectifs modernes, qui font l’objet d’une correction importante des aberrations optiques, sont généralement constitués de plusieurs lentilles individuelles, ou éléments de lentille, mécaniquement maintenus ensemble dans un barillet, et sont plus correctement désignés sous le nom de « système optique » ou « système de lentilles ». Chaque interface air-verre d'un tel système, si elle n'est pas recouverte pour réduire les reflets, peut refléter entre 4 et 5 % d'un faisceau lumineux incident perpendiculaire à la surface, ce qui donne une valeur de transmission de 95 à 96 % pour une incidence perpendiculaire. L'application d'un revêtement antireflet d'une épaisseur d'un quart de longueur d'onde et d’un indice de réfraction choisi spécifiquement peut augmenter la valeur de transmission de 3 à 4 %.
Les objectifs modernes pour microscopes, ainsi que ceux conçus pour les caméras et autres dispositifs optiques, sont devenus de plus en plus sophistiqués et complexes, et peuvent comporter au moins 15 lentilles distinctes, avec de nombreuses interfaces air-verre. Si aucun de ces éléments n'était traité, les pertes de réflexion dans l’objectif dues aux seuls rayons axiaux réduiraient les valeurs de transmittance d’environ 50 %. Dans le passé, des revêtements monocouches étaient utilisés pour réduire l'éblouissement et améliorer la transmission de la lumière, mais ils ont été largement remplacés par des revêtements multicouches qui peuvent produire des valeurs de transmittance supérieures à 99,9 % pour la lumière visible.
La figure 8 illustre schématiquement des ondes lumineuses réfléchies par une lentille recouverte de deux couches antireflets, ou la traversant. L'onde incidente rencontre la première couche (couche A de la figure 8) à un certain angle, ce qui entraîne la réflexion d'une partie de la lumière (R0) et la transmission d'une autre partie à travers la première couche. En rencontrant la deuxième couche antireflet (couche B), une autre partie de la lumière (R1) est réfléchie au même angle et interfère avec la lumière réfléchie à partir de la première couche. Certaines des ondes lumineuses restantes continuent pour atteindre la surface du verre, où elles sont à nouveau partiellement réfléchies et partiellement transmises. La lumière réfléchie par la surface du verre (R2) interfère (de manière à la fois constructive et destructrice) avec la lumière réfléchie par les couches antireflets. Les indices de réfraction des couches antireflets diffèrent de ceux du verre et du milieu environnant (air) et sont soigneusement choisis en fonction de la composition du verre utilisé dans la lentille donnée pour produire les angles de réfraction souhaités. Lorsque les ondes lumineuses traversent les revêtements antireflets et la surface de la lentille en verre, presque toute la lumière (selon l'angle d'incidence) est finalement transmise à travers la lentille et concentrée pour former une image.
Le fluorure de magnésium est l'un des nombreux matériaux utilisés pour les revêtements antireflets optiques en couche mince, bien que la plupart des fabricants de microscopes et de lentilles produisent maintenant leurs propres formulations de revêtement. Le résultat général de ces mesures antireflets : une amélioration spectaculaire de la qualité de l'image dans les appareils optiques en raison de la transmission accrue des longueurs d'onde visibles, de la réduction de l'éblouissement dû aux réflexions indésirables et de l'élimination des interférences provenant des longueurs d'onde indésirables situées en dehors de la plage spectrale de la lumière visible.
La réflexion de la lumière visible est une propriété du comportement de la lumière qui est fondamentale dans le fonctionnement de tous les microscopes modernes. La lumière est souvent réfléchie par un ou plusieurs miroirs plans (ou plats) à l'intérieur du microscope pour diriger la trajectoire de la lumière à travers les lentilles et former les images virtuelles que nous voyons dans les oculaires. Les microscopes utilisent également des séparateurs de faisceaux pour permettre la réflexion d'une certaine partie de la lumière tout en transmettant simultanément une partie de la lumière à différentes parties du système optique. D'autres composants optiques du microscope (prismes, filtres et revêtements de lentilles spécialement conçus) s'appuient également sur le phénomène de réflexion de la lumière pour remplir leurs fonctions dans la formation de l'image.
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