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Propagation guidée de la lumière

Article de référence | Réf : AF3458 v1

Diffusion de la lumière par les surfaces et les volumes

Auteur(s) : Claude AMRA, Carole DEUMIÉ

Date de publication : 10 juil. 2009

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Couleur et apparence visuelle - Transparent, translucide, opaque

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RÉSUMÉ

L’objet de cet article est de fournir des outils théoriques et expérimentaux pour apprendre à utiliser les phénomènes de diffusion lumineuse, peu enseignés à ce jour. Pourtant, la diffusion lumineuse demeure un outil clé, et régit un grand nombre de phénomènes d’optique, dont l’imagerie et la vision. Est proposée une approche perturbatrice caractéristique de milieux aléatoires (surfaces faiblement rugueuses et volumes), responsables d’une diffusion faible devant le flux incident. Les différents cas de diffusion de la lumière sont analysés (paramètres, amplitude de l’onde et intensité) et illustrés d’exemples numériques. Puis les mesures et les applications de la diffusion de la lumière sont abordées à travers une analyse multiéchelle.

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ABSTRACT

The aim of this article is to provide theoretical and experimental tools in order to learn how to use the phenomena of light diffusion, which is little taught at the moment. And yet, light diffusion remains a key tool and governs a significant number of optical phenomena, including imaging and vision. It presents a perturbative approach characteristic of random media (slightly rough surfaces and volumes) responsible for a low diffusion in incident flux. The various cases of light diffusion are analyzed (parameters, wave amplitude and intensity) and illustrated by numerical examples. The article then deals with the measuring and applications of light diffusion trough a multiscale analysis.

Auteur(s)

Claude AMRA : Directeur de l'Institut Fresnel - Directeur de recherche au CNRS
Carole DEUMIÉ : Professeur à l'École centrale de Marseille

INTRODUCTION

Si les lois de Descartes (n sin i = constante) sont couramment enseignées dès le premier apprentissage de l'optique, elles ne s'appliquent qu'à un nombre limité de surfaces dites à faible rugosité. À l'inverse, les phénomènes de diffusion lumineuse, qui régissent une grande majorité de phénomènes dont l'imagerie et la vision, sont encore peu enseignés. L'objet de cet article consiste à conférer, aux ingénieurs et chercheurs non spécialistes, des outils théoriques et expérimentaux pour appréhender et utiliser avec pragmatisme ces phénomènes.

On détaillera dans ce document une approche perturbative caractéristique de milieux aléatoires (surfaces et volumes) responsables d'une diffusion faible devant le flux incident ; cette approche présente de multiples intérêts :

la modélisation est simple à mettre en œuvre, avec des temps de calcul réduits qui autorisent un traitement tridimensionnel et spectral ;
le cas des volumes diffusants se traite de façon similaire à celui des surfaces rugueuses ;
la généralisation aux structures planaires multicouches (filtres interférentiels et guides d'onde) est immédiate ;
d'un point de vue électromagnétique, le problème de la diffusion dans les systèmes multicouches est identique à celui des microcavités luminescentes ;
enfin, l'approche perturbative met en évidence des expressions analytiques fort utiles pour guider l'expérimentateur ou le théoricien vers de nouvelles applications ; une fois l'application identifiée, on peut avoir recours à des modèles rigoureux pour établir un domaine de validité et gagner en précision.

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - COULON (G.) - Imagerie de surface des polymères : microscopie à force atomique. - [AM 3 280] Base documentaire « Plastiques et Composites » (2000).
(2) - RIVOAL (J.-C.), FRETIGNY (C.) - Microscopie à force atomique (AFM). - [R 1 394] Base documentaire « Mesures mécaniques et dimensionnelles» (2005).
(3) - CALLET (P.) - Couleur et apparence visuelle. Le transparent et l'opaque. - [AF 3 252] Base documentaire « Physique-Chimie » (2004).
(4) - GAY (J.-M.) - Structure de surface des solides. - [A 1 365] Base documentaire « Physique-Chimie » (1996).
(5) - VAN LABEKE (D.) - Microscopie optique en champ proche. - [P 862] Base documentaire «Techniques d'Analyse » (1998).
(6) - RAPHET (B.) - États...

ANNEXES

1 Sources bibliographiques

1 Sources bibliographiques

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Références du texte

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MAURE (S.) - ALBRAND (G.) - AMRA (C.) - Low-level scattering and localized defects. - Appl. Opt., 35 , p. 5573-5582 (1996).

DEUMIÉ (C.) - GIOVANNINI (H.) - AMRA (C.) - Ellipsometry of light scattering from multilayer coatings. - Appl. Opt., 35, p. 5600-5608 (1996).

GILBERT (O.) - DEUMIÉ (C.) - AMRA (C.) - Angle-resolved ellipsometry of scattering patterns from...

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - DIFFUSION DE LA LUMIÈRE PAR UNE SURFACE FAIBLEMENT RUGUEUSE

1.1 - Paramètres descriptifs de l'état de surface
1.2 - Amplitude de l'onde diffusée
1.3 - Intensité diffusée
1.4 - Exemples numériques

2 - CAS DE LA DIFFUSION DE VOLUME

2.1 - Paramètres descriptifs de l'hétérogénéité du volume
2.2 - Amplitude de l'onde diffusée
2.3 - Intensité diffusée
2.4 - Exemples numériques : comparaison avec la diffusion de surface
2.5 - Cas des défauts isolés ou périodiques

3 - MESURES ET APPLICATIONS DE LA DIFFUSION : ANALYSE MULTIÉCHELLE

3.1 - Mesure de diffusion
3.2 - Application à la caractérisation des états de surface ou de volume
3.3 - Comparaison avec les techniques de microscopie en champ proche et lointain : analyse multiéchelle de la rugosité

4 - CONCLUSION

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