Un modèle pour décrire un halo lumineux

Quand un matériau diffusant recouvert d'une couche transparente est éclairé par un fin faisceau lumineux, un halo circulaire se forme à sa surface. Des chercheurs de l'institut Pprime, du laboratoire Hubert Curien et de l'Institut d'Optique Graduate School, ont créé un modèle qui décrit complètement la diffusion spatiale et angulaire de la lumière par cette structure. Il devrait permettre une meilleure compréhension de l'aspect visuel de certains matériaux, et pourrait aussi avoir des applications dans l'impression couleur et dans la synthèse d'images. Ces résultats sont publiés dans le Journal of the Optical Society of America A.


Un halo lumineux circulaire apparaît à la surface d'un plaque photographique recouverte d'une couche d'émulsion lorsqu'on l'éclaire avec un fin faisceau lumineux. Cet effet, remarqué dès la fin du 19ème siècle par les photographes, avait ensuite été corrigé dans les films photographiques. Il se produit en fait avec diverses surfaces diffusantes recouvertes d'une couche transparente: objets vernis ou plastifiés, papiers couchés, céramiques émaillées, etc. Une équipe composée de chercheurs de l'institut Pprime (CNRS/université de Poitiers), du laboratoire Hubert Curien (CNRS/université de Saint-Étienne) et de l'Institut d'optique graduate school, a créé un modèle mathématique qui décrit complètement le comportement de la lumière à l'origine de la formation de ce halo.

Quand un faisceau lumineux est dirigé sur le matériau revêtu, il traverse la couche transparente, puis frappe le matériau qui diffuse la lumière dans toutes les directions: une partie ressort de la couche, mais une autre est réfléchie à l'interface entre la couche et l'air, pour à nouveau frapper le matériau diffusant, et former un anneau lumineux autour du point d'impact initial. Les chercheurs ont écrit les équations qui permettent de modéliser les multiples réflexions de la lumière, et la formation du halo à la surface du matériau. L'existence de ce halo indique qu'il existe une couche de revêtement en contact optique avec le support. Le diamètre du halo lumineux permet d'estimer l'épaisseur de la couche transparente (si son indice de réfraction est connu).

Ce modèle pourrait être utilisé afin de mieux comprendre l'aspect visuel d'objets vernis ou plastifiés. Ainsi, les imprimeurs ont depuis longtemps remarqué que les couleurs sont plus sombres et plus saturées sur des impressions en demi-tons plastifiées. Ce phénomène s'explique par le mécanisme modélisé par les chercheurs. Leur modèle pourrait donc servir à optimiser cet effet afin d'obtenir de meilleurs rendus d'impression. Par ailleurs, les chercheurs veulent utiliser leur modèle dans la synthèse d'images, en collaboration avec leurs collègues du Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information (Liris, CNRS / INSA Lyon / Université Claude Bernard Lyon 1 / Université Lumière Lyon 2 / École Centrale de Lyon), afin d'étudier l'influence du phénomène sur le rendu visuel des objets revêtus.

Références publication:
Halo and sub-surface scattering in the transparent coating on top of a diffusing material,
L. Simonot, M. Hébert, M. Gérardin, C. Montpeurt, T. Fournel,
JOSA A vol.35 (2018) 1192-1203.
https://doi.org/10.1364/JOSAA.35.001192

Contact chercheur:
Lionel Simonot - Institut Pprime