Photographie/Rayonnements électromagnétiques/Luminescence
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Bibliographie
■ préface - SOMMAIRE COMPLET ■ notions fondamentales et conseils pour les débutants ■ aspects esthétiques, thèmes photographiques ■ références scientifiques ■ photométrie, colorimétrie, optique ■ appareils, objectifs, éclairage, accessoires, entretien ■ procédés chimiques ■ procédés numériques ■ caractéristiques physiques des images, densité, netteté ■ compléments techniques et pratiques ■ photographie et vie sociale, histoire, enseignement,institutions, droit... | ||||||
Généralités
modifierLe terme luminescence s'applique aux rayonnements dont l'origine n'est pas purement thermique. Il y a à coup sûr luminescence si, pour une même longueur d'onde et une même température absolue, le rayonnement est plus intense que celui du corps noir. Les émissions lumineuses pouvant avoir lieu à température ambiante, on parle parfois de « lumière froide », par opposition à la nécessité de porter à haute température les objets destinés à l'éclairage à incandescence.
Comme nous l'avons vu, l'intensité et la composition du rayonnement des sources à incandescence dépendent essentiellement de la température des surfaces émettrices et très peu de leur nature ; en revanche, la lumière émise par luminescence dépend étroitement de la nature des substances émettrices car elle trouve son origine au cœur même des atomes et des molécules qui les constituent. Ces atomes et ces molécules absorbent de l'énergie provenant de sources extérieures, sous une forme autre que thermique, et passent dans un état « excité » avant de revenir à leur état initial en réémettant une partie plus ou moins grande de cette énergie sous la forme d'un rayonnement lumineux. Cette émission de lumière peut être le fait d'organismes vivants comme les vers luisants, les lucioles ou de nombreux organismes marins. Elle peut également provenir d'objets dits fluorescents, phosphorescents ou encore de composants électroniques, les diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais, pour light-emitting diodes).
Les spectres émis par luminescence sont le plus souvent formés de raies ou de bandes plus ou moins larges, caractéristiques des atomes, des molécules ou des mélanges excités. Un fond continu d'origine thermique peut éventuellement se superposer aux bandes et aux raies. Il est généralement impossible de parler de température de couleur pour toutes ces sources mais on peut donner dans certains cas une équivalence pour l'œil ou pour certaines couches sensibles.
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Spectre d'émission d'un tube fluorescent de type « blanc chaud » : on y trouve à la fois des raies spectrales bien marquées et une partie continue, en raison de la superposition de phénomènes différents
De nombreuses sources luminescentes peuvent avoir, directement ou indirectement, des applications intéressantes en photographie ou lors de l'utilisation de techniques connexes.
Les physiciens ont coutume de classer les divers types de luminescence selon le processus d'excitation des matériaux, donc selon la manière dont se fait l'apport d'énergie. Il est en effet possible de provoquer la luminescence par l'action de la lumière, de l'électricité, de produits chimiques, de processus biologiques, du frottement ou des vibrations. On parle alors de photoluminescence, d'électroluminescence, de chimiluminescence, de bioluminescence, de triboluminescence, de sonoluminescence, etc.
Photoluminescence, fluorescence et phosphorescence
modifierLa photoluminescence est le mécanisme par lequel une substance est capable d'absorber un rayonnement électromagnétique et d'en réémettre un autre de moindre énergie, donc décalé du côté des plus grandes longueurs d'ondes, sauf dans de rares cas de résonance où ce décalage est nul.
Ces phénomènes longtemps restés mystérieux sont connus depuis l'antiquité ; ils concernent non seulement la lumière visible, mais aussi l'ultraviolet ou encore les rayons X. La loi de Stokes, énoncée par le physicien britannique George Gabriel Stokes dans les années 1850, permet de quantifier les choses. On appelle déplacement de Stokes la différence entre les longueurs d'onde qui correspondent au maximum d'absorption et au maximum d'émission. Pour la fluorescéine, par exemple, le maximum d'absorption se situe vers 495 nm et le maximum d'émission vers 521 nm. Le déplacement est donc de 26 nm vers les grandes longueurs d'onde.
On a coutume de distinguer deux formes de photoluminescence, la fluorescence et la phosphorescence ; la distinction entre les deux est assez subtile. On a longtemps parlé de fluorescence à propos des phénomènes d'émission qui cessent en même temps que l'excitation, et de phosphorescence pour ceux qui perdurent lorsque l'excitation a cessé. En réalité l'extinction des radiations émises par fluorescence est très rapide mais jamais instantanée, tandis que les émissions par phosphorescence peuvent perdurer pendant plusieurs heures aussi bien que cesser au bout d'une fraction de seconde. Les physiciens font actuellement une autre distinction : sans entrer dans le détail, disons que lors d'une émission lumineuse par fluorescence, le retour des atomes à la position d'équilibre initiale se fait directement, tandis que dans le cas de la phosphorescence il existe un stade intermédiaire entre l'état excité et l'état de repos.
La fluorescence
modifierLes phénomènes de fluorescence sont assez courants. Tout le monde ou presque connaît la fluorescence du Nylon frappé par le proche ultraviolet (lumière noire). On utilise beaucoup en radiophotographie des écrans de platinocyanure de baryum (fluorescence jaune) ou de tungstate de calcium (fluorescence violette). Ces écrans s'illuminent sous l'effet des rayons X et de l'ultraviolet. Les molécules dotées de cette propriété sont appelées fluorophores ou fluorochromes.
Les objets et composés chimiques fluorescents ou phosphorescents présentent sous l'effet du rayonnement ultraviolet des aspects très éloignés de ceux qui sont les leurs sous les éclairages habituels. Ceci permet par exemple de distinguer rapidement deux minéraux apparemment identiques à la lumière du jour, de déceler des retouches faites à un tableau, etc. Les scientifiques, les experts en art, les archéologues, la police scientifique, font grand usage de cette propriété.
La photographie dans l'ultraviolet nécessite des techniques particulières décrites dans une page consacrée à ce sujet. Les lumières visibles réémises par fluorescence ou phosphorescence peuvent en revanche être enregistrées sur des surfaces sensibles classiques, films ou capteurs, et certains photographes habiles en font un usage artistique fort intéressant.
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Deux lampes à lumière noire : la grande est utilisée pour provoquer la luminescence d'objets tels que des panneaux publicitaires, la seconde pour la détection de traces d'urine sur les sols ou sur le mobilier (émission dans le proche ultraviolet, vers 350 - 370 nm) -
Fluorescence d'un billet de 50 € soumis au proche ultraviolet, on distingue de nombreux motifs invisibles sous un éclairage normal -
Champignon fluorescent éclairé en lumière visible -
Fluorescence du même champignon éclairé en lumière ultraviolette -
Fluorescence de divers minéraux sous l'effet de rayonnements ultraviolets -
Fluorescence de cristaux de fluorite -
Fluorescence de cristaux d'autunite -
Photographie sous ultraviolet d'un modèle maquillé à l'aide de pigments fluorescents -
Remise du Prix Nobel de Chimie en 2008 ; le Professeur Gunnar von Heijne montre la fluorescence d'une protéine soumise au rayonnement ultraviolet
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Les azurants optiques sont des produits fluorescents très répandus mais peu connus, largement utilisés pour les textiles et les papiers. Ces matériaux ont tendance à jaunir avec le temps, en absorbant une fraction croissante du bleu. Les azurants optiques absorbent l'ultraviolet et le violet et réémettent du bleu, ce qui compense l'effet du jaunissement ; ainsi, les textiles et les papiers paraissent d'un blanc plus éclatant, « plus blanc que blanc » au sens propre du terme, selon une publicité bien connue et pas trop mensongère. Les lessives et les tissus imprégnés d'azurants optiques présentent donc, comme on peut facilement s'y attendre, une forte fluorescence dans la bande violet-bleu sous l'effet des radiations ultraviolettes.
Les papiers utilisés pour le tirage argentique ou l'impression de fichiers numériques contiennent presque tous des azurants optiques destinés à rendre les images plus lumineuses.
La phosphorescence
modifierD'une manière générale, malgré la distinction faite plus haut, on parle communément de phosphorescence pour les substances capables de réémettre de la lumière pendant un laps de temps significatif après une excitation par la lumière. Le sulfure de zinc, par exemple, après qu'il a été éclairé, émet par phosphorescence une lumière jaune-vert qui décroît progressivement.
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Phosphorescence d'un cadran de montre, persistant plusieurs heures après l'exposition à la lumière -
Signal de sécurité phosphorescent assurant la sécurité des personnes en cas de coupure de courant
L'électroluminescence et les tubes à décharge
modifierLe passage d'une décharge électrique dans les gaz ou les vapeurs métalliques sous faible pression fournit un spectre de raies caractéristiques des atomes : rose pour le néon des enseignes lumineuses et des voyants électriques, lavande pour le krypton, bleu ciel pour le xénon, etc. La vapeur de sodium émet un doublet de raies particulièrement intenses pour λ = 589 et 589,6 nm ; elle trouve des applications pour l'éclairage public et les lanternes de sûreté des laboratoires photographiques. La vapeur de mercure fournit des raies visibles et des raies ultraviolettes, elle sert aussi pour l'éclairage public et intervient dans les lampes-éclair des flashes électroniques, associée à du krypton ou à du xénon.
La composition spectrale des rayonnements est caractéristique de l'élément excité, elle se traduit par des couleurs différentes de la lumière émise.
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Raies spectrales de l'hélium ; leur présence simultanée dans un rayonnement lumineux caractérise la présence de cet élément -
Luminescence de l'hélium -
Luminescence de l'argon (le symbole est A, pas Ar) -
Luminescence du krypton -
Luminescence du néon -
Luminescence du xénon -
Arc électrique au voisinage de l'électrode centrale d'une lampe à plasma -
Décharge électrique dans une lampe à plasma
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Les lampes à vapeur de sodium
modifierCes lampes mettent à profit la présence de deux raies spectrales très intenses dans le jaune, pas très loin du vert-jaune dont on sait qu'il est perçu comme la couleur la plus lumineuse du spectre visible. Comme ces deux raies concentrent l'essentiel du rayonnement, il s'ensuit que le rendement lumineux est excellent, d'où l'utilisation à grande échelle de ces lampes pour l'éclairage public.
Les lampes au sodium à basse pression n'émettent pratiquement que du jaune, elles ne permettent absolument pas de distinguer les couleurs puisque les objets éclairés non fluorescents ne peuvent renvoyer que ce qu'ils reçoivent. Lorsque la pression du gaz n'est plus négligeable, la matière devient davantage condensée, les niveaux d'énergie au sein des couches électroniques s'écartent de la valeur moyenne, les raies spectrales s'élargissent et deviennent des bandes. Le rendu des couleurs des objets éclairés par ces sources devient moins mauvais.
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Spectre d'une lampe au sodium à basse pression. On distingue deux raies particulièrement intenses, la plus lumineuse correspond en fait au doublet à 589 et 589,6 nm -
Lampe au sodium à haute pression -
Spectre d'une lampe à vapeur de sodium à haute pression, pour deux régimes de fonctionnement. Noter (x) l'auto-absorption d'une des raies caractéristiques. -
Le même en couleurs, mais inversé droite-gauche ! -
Éclairage d'une rue par des lampes à vapeur de sodium
Les lampes à vapeur de mercure
modifierL'élément luminescent est un tube de quartz contenant de la vapeur de mercure et un peu d'argon, le tout sous pression. L'émission comporte trois raies visibles, une très intense dans le vert et deux plus faibles dans le bleu et le rouge. La lumière émise présente donc une forte dominante dans les tons verts-bleus, et naturellement les couleurs apparaissent très déformées, moins cependant qu'avec les lampes au sodium.
Une partie très importante de la lumière est émise dans le domaine de l'ultra-violet. Il s'agit là d'une perte d'énergie importante, mais comme ce rayonnement est nocif pour l'homme et pour les animaux, il faut l'arrêter. La seconde enveloppe de l'ampoule est normalement constituée d'un verre opaque à l'ultraviolet mais bien entendu transparent pour la lumière visible.
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Lampe à vapeur de mercure à haute pression -
Spectre visible d'une lampe à vapeur de mercure à haute pression -
Le même en couleurs, mais inversé droite-gauche ! -
Spectre discontinu d'une lampe à vapeur de mercure dans l'ultraviolet et le violet
Les tubes fluorescents
modifierIl ne faut pas confondre les tubes au néon, dont nous avons parlé plus haut et qui émettent une lumière rose-orangée, avec les tubes fluorescents et les ampoules à basse consommation utilisés pour l'éclairage.
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Différents tubes fluorescents -
Lampe fluorescente dite « à basse consommation » -
Lampe « flood » fluorescente
Les tubes fluorescents contiennent de la vapeur de mercure sous très faible pression qui émet un spectre de raies visibles et ultraviolettes sous l'effet du passage du courant électrique. Les premières traversent la paroi du tube tandis que les secondes sont absorbées par diverses poudres déposées sur le verre et chargées de réémettre de la lumière visible par fluorescence. Ces poudres sont choisies de façon que leur rayonnement complète le spectre visible du mercure pour donner une impression de lumière plus ou moins blanche.
Les diodes électroluminescentes
modifierCe sont des composants électroniques capable de transformer directement l'énergie électrique en énergie rayonnante, par électroluminescence. Lors de la recombinaison d'un électron et d'un trou dans un semiconducteur, il peut y avoir émission d'un photon. Cette transformation s'opère avec un excellent rendement et depuis quelques années on sait réaliser des sources relativement puissantes.
On désigne souvent ces diodes par l'acronyme français DEL (diode électroluminescente) ou éventuellement par l'acronyme anglais LED (light emitting diode) [1].
Les diodes électroluminescentes émettent une lumière incohérente et ne doivent pas être confondues avec les diodes laser qui émettent une lumière cohérente. Leurs applications pratiques sont étudiées ici
Les DELs émettent des lumières dont la couleur dépend de la nature du semi-conducteur qui les constitue. Les premières que l'on a su fabriquer émettaient une lumière rouge mais on a ensuite réussi à émettre du jaune, du vert, du bleu et de l'ultraviolet. Une des solutions consiste à utiliser du nitrure d’indium et de gallium InGaN en association avec un luminophore ; le premier émet du bleu entre 400 et 500 nm et le second, excité par ce rayonnement, réémet une large bande de longueurs d'ondes centrée dans le jaune-vert autour de 550 nm. Comme pour les tubes fluorescents, cette association permet de couvrir l'essentiel du spectre visible et donc de donner une impression de lumière blanche. Les premières diodes utilisées pour les sources d'éclairage portatives, comme les lampes frontales, émettaient une lumière composée de bandes séparées par de fortes discontinuités, avec un rendu des couleurs qui était loin d'être parfait. Les productions actuelles bénéficient de caractéristiques nettement améliorées et leur spectre est désormais suffisamment complet pour des usages photographiques.
L’intérêt des DELs vient de leur faible consommation d’énergie, de leur robustesse et de leur remarquable longévité, couramment de 30 000 à 80 000 heures. Il s'agit manifestement là de sources lumineuses promises à un bel avenir ; nous les rencontrons d'ores et déjà un peu partout dans notre vie quotidienne, pour l'éclairage, la signalisation, les systèmes d'affichage, la décoration, etc.
On réalise depuis peu des diodes suffisamment puissantes pour remplacer les tubes à décharge dans les flashes des appareils numériques de bas de gamme et des téléphones mobiles. Toutefois, la lumière émise par ces diodes est globalement très différente de celle des flashes ordinaires et il faut alors procéder à un équilibrage spécifique de la balance des blancs.
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DEL rouges -
Trois DEL -
DELs diverses -
Structure d'une DEL -
DEL émettant dans l'ultraviolet -
La lumière des DELs est relativement dirigée -
Superposition des spectres de trois DELs -
Spectre de DELs et lumière blanche -
Affichage à DELs -
Affichage à DELs
Images en attente
modifierParmi les diverses causes qui peuvent provoquer des phénomènes de luminescence, nous pouvons retenir aussi :
- la chimiluminescence : la plupart des réactions chimiques produisent une émission lumineuse, en général ultraviolette. Nous connaissons un cas où de telles radiations, émises au sein même d'un révélateur photographique dans des fils de nylon faisant malencontreusement office de catalyseurs, avaient pour effet de voiler les surfaces sensibles, au grand désespoir du personnel du laboratoire pour qui ce phénomène était resté longtemps inexpliqué ...
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Réaction chimique provoquant un phénomène de chimi-luminescence -
Un ver luisant (Lampyris noctiluca) -
Flamme bleutée caractéristique de la combustion du gaz naturel -
Le luminol (C8H7N3O2) est un composé chimique qui présente une luminescence bleue en présence d'un agent oxydant. Il est de ce fait utilisé par la police scientifique pour détecter des traces de sang car il réagit avec le fer présent dans l'hémoglobine.
- la triboluminescence : le frottement ou les contraintes mécaniques provoquent parfois des émissions lumineuses. On le vérifiera facilement en faisant frotter dans le noir, après s'y être accoutumé, deux morceaux de sucre ou mieux de saccharine (édulcorant utilisé par les diabétiques), ou encore d'acide tartrique.
Notes
modifier- ↑ l'évolution de la langue française a vite remplacé digital par numérique, driver par pilote, NATO par OTAN, AIDS par SIDA, riding coat par redingote, packet boat par paquebot, etc. La suite de l'article utilise judicieusement la belle DEL et non la laide LED, laquelle ne figure désormais que dans des publicités de bas de gamme. Note de Jean-Pierre Bonneville, ingénieur chez Hewlett Packard puis Schneider Electric, durant plusieurs années responsable de traduction et adaptation aux pays européens, concepteur-rédacteur de catalogues, manuels techniques, documents publicitaires
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