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édito

Tout le monde décrypte !

Le lancement de la nouvelle formule de decryptimages.net doit être l’occasion d’une mise en perspective. Rappelons-le, lorsque ce site apparut en 2008 (lancé officiellement le 17 mars 2009), rassemblant les ressources de sites antérieurs créés depuis 2000 par l’Institut des Images (imagesmag, imageduc, primages), le mot « décrypter » n’était pas du tout à la mode. Nous avons eu de longs débats. La notion d’analyse nous semblait la bonne mais n’était pas très attirante (analysimages...). Nous nous sommes portés ainsi vers cette notion de décryptage, qui est le fait d’aller chercher le sens de ce qui est codé, crypté –quand il y a lieu...

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Les images de sciences : la couleur des éléments métalliques

Index de l'article


QUOI

 

Introduction

Il faut préciser tout d'abord ce que nous entendrons ici par "couleur". Ce sera ainsi la partie réduite à l'interaction lumière-matière, ce qui exclut la couleur interprétée en tant que sensation, culture ou interprétation cognitive.

Ainsi, cette interaction peut-elle être modélisée en définissant les 3 "acteurs" inséparables du phénomène de la couleur : l'observateur, la lumière et la matière.

a) L'observateur sera représenté par un individu moyen représentatif de ce qui est convenu d'appeler "perception visuelle normale des couleurs", tel que défini par la Commission Internationale de l'Eclairage ; on l'appelle l'observateur colorimétrique standard.

b) La lumière sera caractérisée par sa distribution spectrale, c’est-à-dire par l'ensemble (continu) des radiations électromagnétiques émises dans le domaine visible (380-780 nm de longueurs d'onde). La surface indicatrice d'émission des sources de lumière représentera la répartition spatiale énergétique relative du rayonnement émis.

c) La matière sera caractérisée ici par une grandeur fondamentale : l'indice de réfraction complexe. La description de l'état de surface des corps interviendra par la notion de rugosité.


COMMENT

Le brillant

Il nous est habituel de voir les métaux ou alliages comme des objets "brillants". Cet aspect miroir plus ou moins prononcé, que l'on qualifie de spéculaire (du latin "speculum", qui veut dire miroir) dépend de l'état de surface, du degré de polissage. On ne peut le rendre responsable de la couleur du métal ou de l'alliage. En fait, ce n'est pas du tout aussi simple que cela. Lorsqu'on observe un corps réfléchissant comme un objet en verre ou encore une matière plastique, un objet peint, etc. on peut définir une couleur comme provenant de l'intérieur du matériau. On a affaire, dans ces cas à des couleurs produites par absorption et par diffusion de la lumière incidente. Ce sont les pigments et les colorants de ces matériaux qui sont responsables de la coloration. Dans le cas d'objets d'apparence visuelle brillante, il faut préciser que cette sensation de brillant dépend également de la manière dont est éclairé l'objet. Lorsque la lumière vient éclairer l'objet regardé et provenant de toutes les directions de l'espace (on dit alors éclairage uniforme et isotrope ou orthotrope si cette répartition ne concerne que le demi-espace limité par le plan tangent à la surface au point d'observation) l'objet à l'apparence mate et l'on peut alors parler de sa couleur, comme détachée de son éclat. Cela est valable pour tous les corps, métalliques ou non.

surface lisse et polie : aspect mat, satiné ou brillant, suivant l'éclairage

surface lisse et rugueuse : aspect mat

L'aspect brillant dépend donc de la directivité du faisceau de lumière incidente. Le cas des textiles est sensiblement différent et nous nous limiterons ici à l'aspect d'objets métalliques de surface continue. L'or est jaune, le cuivre est rouge, le zinc est gris, dit-on couramment. Mais les laitons sont jaunes et sont des alliages de cuivre et de zinc. On perçoit là qu'il ne s'agit pas de "mélanger" les couleurs des composants pour avoir la couleur finale, dommage !

Comment voit-on les métaux ?

Examinons alors, à la lumière des descripteurs fondamentaux, comment on explique et modélise cette apparence visuelle des métaux. Nous aborderons les éléments de la classification périodique ou classification de Mendéléev. La plupart des éléments ayant un nom se terminant en "ium" désignent des métaux, des semi-métaux (excepté l'hélium). D'autres métaux ont des appellations plus prosaïques, notamment les métaux usuels (or argent, plomb, cuivre, étain, aluminium, fer, nickel, cobalt, etc.) tous ensemble, ils forment l'essentiel de la classification périodique (il est alors plus facile de dénombrer les non-métaux !) et l'on en comprend l'importance. Le lecteur saurait-il désigner par une couleur, ainsi qu'il le ferait pour les métaux usuels, à quoi ressemblent dans les conditions ordinaires d'observation, selon son expérience visuelle, le tantale, l'osmium, le zirconium, le silicium ou le ruthénium ? Généralement les métaux "inconnus", c’est-à-dire ne faisant référence à aucune mémorisation ou culture visuelle antérieures, sont désignés comme gris.

Que voit-on ?

Des petites billes de couleurs, brillantes, alignées mais avec une curieuse irrégularité.

De quoi s'agit-il ?

On dirait un bijou en chantier ou de l'écriture Braille. En faisant glisser le pointeur sur chaque bille, on découvre le nom d'un élément chimique. Tout ce que l'on voit là n'est pourtant qu'imaginaire. C'est le résultat de calculs complexes faisant intervenir l'interaction entre lumière et matière, telle qu'elle serait captée par un observateur humain, aussi réaliste que possible. Techniquement, physiquement, décrivons ce qui nous est donné à voir.

a) Techniquement, le calcul de l'image

L'algorithme employé pour calculer cette image fait partie d'une classe d'algorithmes appelée "Tracé de rayons". Il s'agit, plus précisément d'un algorithmede "tracé de rayons spectral inverse". On applique la loi de retour inverse de la lumière pour déterminer ce qui est vu en chaque point de l'image, laquelle est découpée en tout petits points, les pixels (contraction des mots anglais "picture" et "element").

Ainsi, nous ne calculons que des grandeurs lumineuses telles qu'elles atteindraient l’œil si un observateur observait une scène réelle.

De ce fait, et c'est comme dans l'Antiquité grecque, les rayons visuels sont évalués, comme émis par l’œil. C'est là une simplification fondamentale qui limite très peu, en l'occurence, la qualité du résultat obtenu. L'image est ici composée de 600 lignes de 800 points chacune.

Pour chaque point de cette image, on détermine si un "rayon visuel" rencontre un objet en chaque point d'échantillonnage de l'image (c'est à dire si une demi-droite issue de l’œil et passant par chaque pixel intersecte un objet de la scène imaginaire). Lorsque c'est le cas, on calcule la quantité de lumière reçue et réfléchie par l'objet en ce point ; celle-ci dépendra également de l'état de surface de l'objet rencontré par le rayon incident. Ici les billes ont toutes la même rugosité, elles sont assez lisses. Nous avons pour cela 81 longueurs d'onde
uniformément réparties sur tout le spectre visible, c-à-d. au pas de 5 nm. C'est une précision exceptionnelle en imagerie de synthèse.

En effet, la plupart des programmes commerciaux fonctionnent en mode trichromatique, c’est-à-dire avec 3 longueurs d'onde ; ils sont donc incapables de simuler une interaction optique, même s'ils permettent par ailleurs de faire de belles images.

b) Physiquement, le modèle

La réflexion de la lumière par chacune de ces petites billes, qui sont situées à leur place usuelle dans la classification périodique des éléments, est calculée à l'aide de l'indice de réfraction complexe de l'élément. En langage plus savant, on dirait que c'est sa "fonction diélectrique complexe" qui intervient. A l'aide de ces données, issues de mesurages sur des éléments d'un grand état de pureté, les formules de Fresnel fournissent la réflectivité de la surface éclairée. L'éclairage de type "lumière du jour" étant fourni par des sources de lumière virtuelles, des illuminants normalisés D65 précisément. Lorsque le calcul de réflectivité est terminé, il faut tenir compte de la quantité de lumière reçue en chaque "point" (éclairage direct des sources, indirect par les réflexions sur d'autres objets, ambiant et diffus) et faire intervenir l'observateur virtuel, modèle de l'humain moyen (ni plus ni moins) dont la sensibilité spectrale, c'est-à-dire aux différentes couleurs du spectre est décrite par trois courbes continues appelées "fonctions de mélange" ou "fonctions colorimétriques". Le calcul résultant, consistera alors à ajouter, longueur d'onde par longueur d'onde le produit de la réflectivité de la surface observée (au point de l'image en cours de calcul) par ces fonctions de colorimétriques. On obtient alors les composantes trichromatiques du point calculé, dans un espace colorimétrique adapté. Le "tristimulus" X, Y, Z est ensuite converti en coordonnées chromatiques propres au système de restitution de l'image. Ici, c'est l'écran vidéo d'un moniteur générique. En effet, nous ne savons pas sur quel écran vous regardez cette image et pas davantage comment il est réglé ou calibré...


NOTRE ANALYSE

La lecture de l'image

D'où vient la couleur de ces éléments ? Suivant la position des éléments dans la classification, leurs propriétés électroniques et cristallographiques varient. Le rôle des électrons les plus loin du noyau atomique, ceux qui sont par conséquent les moins liés, est déterminant. Les bons conducteurs de l'électricité (Au, Cu, Al, Ag...) sont aussi ceux qui mettent en mouvement de manière synchrone leurs électrons libres avec le plus de facilité.

Les électrons de conduction.

La densité numérique de ces derniers déterminera alors la "fréquence de plasma", caractéristique de l'élément, celle-là même qui conduit à la réflectivité. C'est pour cette raison qu'il faut très peu d'épaisseur de métal pour avoir une surface opaque. Pensez par exemple aux visières des casques d'astronautes, des pompiers, au placage des bijoux ou aux glaces sans tain (ce mot vient du nom même d'un élément, l'étain) ou encore aux couvertures de survie.

A l'inverse, les corps isolants ou diélectriques ne possèdent pas d'électrons libres. L'opacité qu'ils peuvent alors présenter provient d'un mécanisme d'absorption sélective ou non de la lumière combiné le plus souvent à de la diffusion multiple de la lumière dans l'épaisseur même des corps hétérogènes (peintures, plastiques par exemple), qui détermine également leur couleur. C'est fondamentalement différent de ce qui se passe pour les métaux.

Naturellement, certains éléments ne sont pas tout à fait des métaux mais pas non plus des isolants ; ce sont les semi-métaux qui sont "semi" pour bon nombre de leurs propriétés. Plus particulièrement on trouve là les semi-conducteurs comme le silicium, le germanium ou l'étain.

Imaginons maintenant avoir calculé l'aspect de certains éléments, mais séparément cette fois. Il nous serait alors très difficile de les replacer dans leur petite cellule du tableau. Particulièrement pour les "métaux gris" où les confusions seraient fréquentes. Les différences d'aspect sont manifestes dès lors que le calcul spectral est assez fin et que les éléments sont vus simultanément. La dernière ligne du tableau incomplet, comme nous l'avons dit, le manifeste assez bien avec ces "terres rares" que sont Gd, Tb, Dy, Ho notamment.

Conclusion

Ainsi, il est possible de voir ces éléments grâce à l'imagerie scientifique virtuelle. La matière éclairée y est représentée de manière plausible par un calcul de simulation. Une photographie de ces éléments, prise dans les mêmes conditions devrait donner une représentation similaire.
On comprend bien que cela n'est pas toujours possible et cet exemple l'aura montré en partie.
Finalement, quel est la plus virtuelle des deux classifications périodiques des éléments ?
Celle qui aligne les symboles chimiques des éléments sur une grille ou celle qui, bien qu'encore incomplète, les donne à voir ?