Galerie des Glaces

 

Localisation

Partie de	Château de Versailles
Style	Baroque, Classicisme
Architecte	Jules Hardouin-Mansart
Construction	1678-1684
Adresse	Versailles Versailles  France
Coordonnées	48° 48′ 17″ N, 2° 07′ 13″ E

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La galerie des Glaces ou Grande Galerie est une galerie de grand apparat de style baroque située dans le château de Versailles, dont elle est l'une des pièces emblématiques. Conçue et construite de 1678 à 1684 par l'architecte Jules Hardouin-Mansart, elle était alors destinée à illustrer le pouvoir du monarque absolu Louis XIV et à éblouir ses visiteurs, par son ornementation, par sa riche iconographie composée par Charles Le Brun et par ses dimensions inédites. Longue de 73 m, large de 10,50 m, la galerie est revêtue de 357 glaces, soit 21 glaces à chacune des 17 arches faisant face à 17 fenêtres. Située au premier étage du corps central du château, elle fait face, à l'ouest, aux jardins de Versailles, dont elle achève la perspective.

La construction

Plusieurs galeries ont pu servir de modèles : celle du château de Clagny de Madame de Montespan (favorite de Louis XIV) à Clagny-Glatigny (aujourd'hui un des huit quartiers de la ville de Versailles), construite par Jules Hardouin-Mansart, la Galerie dorée de l'hôtel de Toulouse ou celle du château de Saint-Cloud.

Le projet est présenté au roi Louis XIV par Hardouin-Mansart en 1679. Les travaux débutent l'année même à l'emplacement d'une terrasse, dont on peut encore voir les vestiges dans les combles au-dessus des voûtes, donnant sur la façade ouest du château de Louis XIII qui reliait les deux ailes (abritant les grands appartements) que Louis Le Vau fit construire au nord et au sud de celui-ci afin de l'envelopper. À la suite de la construction de cette galerie, plus aucune façade du vieux château ne donnera donc sur le parc ni le jardin. La galerie prend également la place, aux extrémités, de deux cabinets du Grand Appartement du Roi et deux cabinets du Grand Appartement de la Reine¹.

Le peintre et décorateur Charles Le Brun en débute la décoration en 1680. La Galerie est inaugurée en 1684.

Description

La galerie des Glaces est située dans l'alignement du Tapis vert, entre les salons de la Guerre et de la Paix, ces derniers donnant respectivement accès aux grands appartements du roi et de la reine.

Les glaces

Par ses dimensions exceptionnelles — 73 mètres de long, 13 mètres de large et 12,5 mètres de hauteur —, la profusion et la taille de ses 357 glaces, la galerie est un véritable événement au XVII^e siècle. On y affirme les capacités de la manufacture des Glaces créée par Colbert (qui deviendra plus tard Saint-Gobain) en 1665 pour combattre la prééminence de Venise dans cette technique. En un temps où le plus petit miroir coûte très cher, les ouvriers français parviennent à fabriquer des miroirs d'une dimension et d'une qualité exceptionnelles, permettant à Colbert d'interdire dès 1672 l'importation des produits vénitiens. Les glaces furent faites à La Glacerie, une fabrique de verre et de glace, située au sud de Cherbourg².

Les dix-sept fenêtres cintrées donnent naissance à autant d'arcades ornées de miroirs tenus par des baguettes et des cabochons de bronze ciselé. Les arcades sont surmontées alternativement par une tête d'Apollon et de la dépouille du lion de Némée.

« La galerie des Glaces est un coup de génie de Mansart. S'inspirant des cabinets de glaces, l'architecte en bouleverse l'échelle et les effets : les passants sont pris à se refléter alors que l'image des parterres et du jardin se multiplie autour d'eux, mille fois rendue par ces murs de miroirs de taille exceptionnelle. »

— Emmanuelle Lequeux, Le Jeu royal des illusions³.

Les peintures

Le plafond est décoré de près de 1 000 m² de peintures de l'atelier de Charles Le Brun illustrant les réalisations des vingt premières années du règne personnel de Louis XIV. Elles mettent en scène le roi lui-même en trente grandes compositions. La moitié de la surface se compose de toiles marouflées (c'est-à-dire collées sur la voûte après avoir été exécutées). Ces dernières concernent les scènes les plus prestigieuses et ont été peintes par Le Brun lui-même, âgé de 60 ans au début des travaux. L'autre moitié est peinte directement sur la voûte.

La grande peinture centrale représente le premier épisode : Louis XIV se détourne des plaisirs et des jeux pour commencer à exercer son pouvoir personnellement. Les autres peintures représentent les épisodes de la guerre de Hollande, représentée de manière à peu près chronologique dans les grands tableaux en partant du salon de la Guerre et, dans les médaillons, ceux de la guerre de Dévolution ainsi que les réformes entreprises par le roi¹.

Le mobilier et de nombreuses statues qui la décoraient à l'origine furent dispersés à la Révolution.

• Plafonds peints de la galerie des Glaces, par Charles Le Brun
• 

  Vue d'ensemble des peintures

• 

  Détail du plafond peint par Charles Le Brun: Le Roi gouverne par lui-même, 1661

• 

  Prise de la ville et de la citadelle de Gand en six jours, 1678

• 

  L'Ordre rétabli dans les finances, 1662

• 

  Paix conclue à Aix-la-Chapelle, 1668

• 

  Représentation de Louis XIV en roi soleil, avec sa devise (Nec Pluribus Impar : Non pareil à la multitude)

• 

  Sûreté de la ville de Paris.

• 

  Acquisition de Dunkerque.

Les sculptures

Les chapiteaux des pilastres de marbre de Rance sur fond de marbre blanc sont ornés d'une fleur de lys et de coqs gaulois qui rappellent l'ordre français imaginé par Le Brun¹. Les trophées en bronze doré, qui ornent les trumeaux en marbre vert de Campan, ont été ciselés par l'orfèvre Pierre Ladoyreau⁴.

Les huit bustes d'empereurs romains, en marbre et porphyre, accompagnaient huit statues, dont sept antiques, représentant Bacchus, Vénus (Vénus d'Arles et de Troas), la Pudicité⁵, Hermès, Uranie, Némésis et Diane de Versailles. Cette dernière, déplacée au Louvre en 1798, était remplacée par une Diane sculptée par Frémin pour les jardins du château de Marly jusqu'à la restauration de la galerie des Glaces de 2004-2007 où elle est à son tour remplacée par un moulage de la Diane de Versailles en marbre reconstitué^6,7.

La galerie des Glaces, lieu d'histoire

Durant le règne de Louis XIV, la galerie est essentiellement un lieu de passage, le roi préférant recevoir les invités de marque dans les salons des grands appartements. Plusieurs audiences y ont été cependant accordées, dont celle au doge de Gênes en 1685, aux ambassadeurs du Siam en 1686 et à ceux du shah de Perse en 1715. Louis XV y reçut également l'ambassade du roi Mahmud I^er de Turquie en 1742. Anecdotiquement, la galerie vit l'arrestation du Grand aumônier de France l'imprudent Cardinal de Rohan en 1785, avant son incarcération à la Bastille (épilogue de l'affaire du collier de la reine).

La galerie des Glaces a été également le cadre de grandes festivités comme le mariage du dauphin futur Louis XVI avec Marie-Antoinette d'Autriche en 1770, la réception par le général De Gaulle du Président John Fitzgerald Kennedy et de son épouse, celle donnée en l'honneur du dernier Shah d'Iran Mohammad Reza Pahlavi par Valéry Giscard d'Estaing en 1974 ou l'invitation des représentants du « G7 » par le Président François Mitterrand du 4 au 6 juin 1982.

La revanche de l'Allemagne

C'est symboliquement dans la galerie des Glaces, en référence aux guerres et annexions menées par Louis XIV en Allemagne qu'illustrent les décors peints (notamment le passage du Rhin, 1672), que fut proclamée la création de l'Empire allemand après la défaite française de la guerre franco-prussienne de 1870. L'accession au nouveau trône impérial de son premier empereur, Guillaume I^er a lieu le 18 janvier 1871, devant l'assemblée des princes allemands et le chancelier Otto von Bismarck véritable architecte politique de l'Empire.

La nouvelle Allemagne annexe l'Alsace et une partie de la Lorraine et va dominer le continent pour trente ans. La chute de Napoléon III va précipiter le soulèvement de la Commune de Paris, son écrasement dans la Semaine sanglante et l’avènement des conservateurs de la Troisième République. L'humiliation de cette défaite va exacerber le militarisme et le patriotisme français jusqu'à la Première Guerre mondiale, qui sonnera l'heure de la revanche pour la France.

La deuxième revanche

Dans cet esprit de revanche, c'est donc dans la galerie des Glaces que fut signé entre les Alliés et les représentants de la toute jeune démocratie allemande, le traité de Versailles mettant fin à la Première Guerre mondiale, et redessinant les frontières de l'Europe et des colonies, le 28 juin 1919⁸. C'est l'humiliation du « diktat de Versailles », qui fut l'un des outils politiques d'Adolf Hitler pour sa montée au pouvoir contre les démocrates de la république de Weimar, et le réarmement de l'Allemagne nazie pour écraser la France en 1940.

Les restaurations de la galerie

La galerie des Glaces a fait l'objet de nombreuses restaurations. Elle a été laissée à l'abandon peu après la Révolution française, se dégradant rapidement. Louis XVIII la remet en état à partir de 1814-1815. Les miroirs sont repolis et réétamés en 1820. Les peintures sont nettoyées et restaurées entre 1825 et 1832, puis une nouvelle fois entre 1949 et 1952. En 1980, la galerie est remeublée.

Un nouveau programme de restauration de la galerie des Glaces, commencé en juillet 2004 sous la direction de Frédéric Didier, architecte en chef des monuments historiques, s'est achevé en juin 2007. Il s'agit du plus vaste projet pour ce site. Son coût, de l'ordre de 12 millions d'euros, fut pris en charge financièrement par le Groupe Vinci qui utilisa à cette occasion les ressources techniques de certaines de ses filiales :

• Les marbres sont consolidés, leurs trous rebouchés et retouchés, l'ensemble est repoli après restauration.
• Les plafonds, consolidés et décrassés, voient leurs peintures retouchées.
• Les miroirs, déposés et renforcés, sont remplacés par d'autres miroirs au mercure de réemploi lorsque leur état le nécessite.
• Les boiseries, bronzes et éclairages sont rénovés.
• Le plancher, soumis à usure prononcée par le passage des visiteurs, est déposé par travées et restauré. Lors de sa dépose, les réseaux électriques rénovés sont encastrés dans son support.
• Le mobilier et la statuaire (pour partie en dépôt du musée du Louvre) sont remis en place.
• Les lustres ont été dotés d'ampoules spéciales donnant l'apparence d'une flamme de bougie.
• Un éclairage d'appoint a été également mis en place pour mettre en valeur l'ensemble de la voûte.

70 % des miroirs sont d'époque, 30 % mal restaurés au XIX^e siècle ont été remplacés par des miroirs anciens⁹.

Notes et références

• Lemoine 2016, p. 74.
• Cette fabrique fut créée en 1655 dans le cadre de la manufacture royale de glaces de miroirs dans la vallée du Trottebec, au cœur de la forêt de Brix, à quelques kilomètres au sud-est de Cherbourg, profitant du bois à profusion. Un village dit des Verriers se forma autour. La fabrique ferma en 1834 et les bâtiments furent détruits par les bombardements alliés durant la Seconde Guerre mondiale.
• Beaux-Arts n^o 261, mars 2006.
• La Galerie des glaces, de sa création à sa restauration, ouvrage collectif, préface de Jacques Thuillier, édition Faton, 2007.
• Sandro Lorenzatti, De Benghazi à Versailles : histoire et réception d’une statue (XVII^e-XX^e), dans Archeologia Classica, 64, n.s. II, 3, 2013, pp. 677-718.
• « Diane de Versailles » [archive], sur www.photo.rmn.fr, rmn agence photographique (consulté le 21 octobre 2011).
• Selon Lemoine 2016, p. 74, cinq statues sont antiques (Bacchus, La Pudicité, une Vestale, La Vénus de Troas et Uranie) et trois autres sont des moulages de statues déplacées au Louvre (Diane chasseresse, Marcellus et la Vénus d'Arles).
• Gary Sheffield, La première Guerre mondiale en 100 objets : Ces objets qui ont écrit l'histoire de la grande guerre, Paris, Elcy éditions, 2013, 256 p. (ISBN 978 2 753 20832 2), p. 242-243

Voir aussi

Bibliographie

• Collectif, La Galerie des Glaces : histoire & restauration, Éditions Faton, 2007 (ISBN 2878440870).
• Stéphane Castelluccio, Les Fastes de la galerie des Glaces, Paris, Payot, 189 p..
• Valérie d'Anglejan, Versailles et la galerie des Glaces à la loupe, Paris, coédition Seuil-Le Funambule, 64 p.
• Jacques Thuillier, La Galerie des Glaces, chef-d'œuvre retrouvé, Paris, Découvertes/Gallimard, 128 p.
• Versailles retrouvé - La Renaissance de la galerie des Glaces, Le Figaro hors-série, 2007.
• Florence Vuilleumier Laurens, Pierre Laurens, « La découverte et le déchiffrement des inscriptions latines de la galerie des Glaces à Versailles », dans Monuments et mémoires de la Fondation Eugène Piot, 2007, n^o 86, p. 57-164 (lire en ligne) [archive].
• Lucien Bély (dir.), Dictionnaire Louis XIV, Paris, éditions Robert Laffont, coll. « Bouquins », 2015, 1405 p. (ISBN 978-2-221-12482-6).
• Pierre Lemoine et al., Versailles : château, domaine, collections, Château de Versailles, éditions Artlys, 2016

Articles connexes

• Grands appartements du château de Versailles
• Manufacture royale de glaces de miroirs
• Galerie d'Apollon
• Galerie dorée

Liens externes

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Four solaire

 

Un four solaire est une installation capable de capturer et de concentrer des rayonnements émis par le Soleil, puis d'utiliser cette chaleur pour faire chauffer ou fondre des matériaux (fours expérimentaux et industriels) ou des aliments.

Il en existe un grand nombre de taille et de forme. La plupart ne nécessitent ni énergie électrique, ni fossile et sont donc susceptibles de diminuer la consommation de gaz naturel, de charbon ou d'électricité¹.

Classification

Les fours solaires captent et concentrent le rayonnement solaire pour élever la température d'une cible. En raison de tailles, coûts, enjeux et technologies très différentes, on distingue d'une part les très grands fours, qui peuvent être destinés à la métallurgie et à la science (ex. : four solaire de Mont-Louis), ou constituer des éléments de centrale solaire thermodynamique (ex. : Thémis), et d'autre part les cuiseurs solaires, utilisés pour la cuisson des aliments².

Fours solaires industriels

Principe de fonctionnement

Le principe utilisé est celui de la concentration des rayons par des miroirs réfléchissants.

Les rayons solaires sont captés par une première série de miroirs orientables situés sur la pente, puis envoyés vers une deuxième série de miroirs (les « concentrateurs »), disposés en parabole. De là ils convergent vers une cible circulaire au sommet d'une tour centrale ; cette cible a, à peine, 40 cm de diamètre.

Four solaire d'Odeillo

Le four solaire d'Odeillo, dans les Pyrénées-Orientales, concentre l'énergie solaire pour obtenir l'équivalent de « 10 000 soleils³ » et une puissance de 1 000 kilowatts, ce qui permet d'atteindre des températures supérieures à 3 500 °C. C'est une installation du CNRS qui abrite le laboratoire PROMES⁴. Ses principaux axes de recherches sont les matériaux et conditions extrêmes ainsi que la conversion, le stockage et le transport de l'énergie. Il est possible pour le public de visiter une exposition dans l'établissement, qui expose des principes simples sur les énergies renouvelables et l'environnement, le principe de fonctionnement d'un four solaire, et d'y visionner un film rendant compte des recherches actuellement conduites au sein du laboratoire PROMES.

Four solaire de Mont-Louis

Four solaire Thémis

Cuiseurs solaires

Un cuiseur solaire est un système captant et concentrant le rayonnement infrarouge du Soleil pour sécher, chauffer, cuire, torréfier ou pasteuriser des boissons et autres aliments². Il en existe de nombreux modèles : des modèles low-tech, auto-construits et bon marché (parfois aussi puissants que leurs équivalent électriques ou à bois, gaz ou charbon)⁶ aux modèles coûteux et sophistiqués atteignant des rendements solaires dépassant 90 % et pouvant nourrir des milliers de personnes chaque jour. Ainsi du bol solaire d'Auroville en Inde, qui fait deux repas par jour pour 1 000 personnes⁷, ou de modèles en Inde qui préparent 38 500 repas par jour⁸.

Notes et références

• « Application pour les pays développés » [archive], sur eco-malin.com, 2012 (consulté le 4 novembre 2014).
• R. Guillo, « Le cuiseur solaire, utilisation domestique du four solaire » [archive], sur ecosources.info (consulté le 4 novembre 2014).
• Énergie solaire [archive], Centre national de la recherche scientifique, (consulté le 21 janvier 2018).
• PROMES [archive], CNRS.
• /@41.5653401,2.0075023,70m/data=!3m1!1e3!4m5!3m4!1s0x12a492bf8ef1d175:0x439f5fd09f4e6a95!8m2!3d41.5651041!4d2.0074621" rel="nofollow" class="external text">Emplacement de la parabole Scheffler pour visites [archive], Museo Nacional de la Ciencia y la Técnica de Cataluña (MNACTEC).
• « Solar Cookers: Types and Styles » [archive], sur www.solarcooker-at-cantinawest.com (consulté le 18 avril 2022).
• « Le bol solaire » [web/20141222040320/http://archive.auroville.org/research/ren_energy/solar_bowl.htm archive du 22 décembre 2014], sur archive.org, 22 décembre 2014

Voir aussi

Articles connexes

• Centrale solaire thermodynamique
• Cuiseur solaire.
• Distillation par four solaire
• Énergie solaire
• Thémis (centrale solaire)
• Four solaire d'Odeillo
• Four solaire de Mont-Louis
• Miroir ardent

Liens externes

• Plans pour fabriquer un four solaire [archive]
• Autre Plan d'un four solaire (type boite) [archive]

• Portail des énergies renouvelables
• Alimentation et gastronomie

Lumière

 

Dans son sens le plus habituel, la lumière est le phénomène à l'origine d'une sensation visuelle. La physique montre qu'il s'agit d'ondes électromagnétiques. Le spectre visible est la zone du spectre électromagnétique à laquelle est sensible l'espèce humaine ; il inclut — comme pour les autres espèces animales — la longueur d'onde où l'éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la Terre, par un effet d'adaptation à l'environnement. Il s'étend autour d'une longueur d'onde de 550 nm, plus ou moins un tiers.

L'optique est la discipline qui étudie la lumière. Comme les lois de la propagation de la lumière sont largement semblables à celles des autres rayonnements électromagnétiques, d'autant plus que leurs longueurs d'onde sont proches du spectre visible, l'optique s'étend souvent à d'autres ondes électromagnétiques situées dans les domaines infrarouge et ultraviolet ; c'est ainsi qu'on parle de lumière noire, de lumière ultraviolette ou de lumière infrarouge, ce qui pousse parfois à utiliser le terme de lumière visible pour éviter toute ambiguïté. La lumière, y compris ces rayonnements invisibles, transporte une grande partie de l'énergie solaire jusqu'à la surface de la terre et maintient l'équilibre de l'environnement naturel, avec la régénération de l'oxygène par la chlorophylle des plantes.

Pour l’être humain, la lumière indispensable à la vision tient une part importante du bien-être et de la vie sociale. L'éclairage est une spécialité artistique et industrielle qui fait l'objet de normes légales. L'optique physiologique étudie plus particulièrement la perception de la lumière par les êtres humains. La photométrie relie les mesures physiques des rayonnements électromagnétiques à la vision humaine ; la colorimétrie les relie à la perception des couleurs.

La lumière a une forte valeur symbolique; permettant de percevoir les objets avant de les toucher, elle s'associe, dans toutes les cultures humaines, à la connaissance.

Propagation et perception

La lumière se déplace en ligne droite dans le vide à une vitesse strictement fixe. Dans les autres milieux, la propagation, toujours plus lente, peut dépendre de la longueur d'onde ; on parle alors de milieu dispersif. La lumière est un peu plus lente dans l'air que dans le vide, et notablement plus lente dans l'eau.

La présence de particules entraîne la diffusion des ondes lumineuses. Quand ce phénomène est négligeable à l'échelle où on l'étudie, on parle de milieu homogène. La diffusion des ondes par l'air, cause de la couleur du ciel, est négligeable à l'échelle d'un instrument d'optique.

La lumière peut changer de trajectoire lors du passage d'un milieu à un autre. Le principe de Fermat ou les lois de Descartes relient les changements de trajectoire de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à l'autre à sa vitesse dans chacun des milieux. Quand le milieu est dispersif, la trajectoire varie selon la longueur d'onde, et le faisceau lumineux se trouve décomposé selon la longueur d'onde. Ce phénomène se rencontre dans la nature avec l'arc-en-ciel.

La lumière n'est perçue par un récepteur que si elle va directement dans sa direction.

La perception de la lumière est qualitativement différente selon son intensité et son incidence sur l'œil. Quand la lumière est faible, ou qu'elle atteint une région périphérique de la rétine, l'être humain n'en perçoit que l'intensité : c'est une vision en « noir et blanc » et gris intermédiaires. Quand l'éclairement se trouve dans le domaine de vision de jour, une partie centrale de la rétine, la fovéa, analyse grossièrement le spectre lumineux en trois bandes, ce qui permet la vision des couleurs.

Limites du spectre visible

La physique caractérise les ondes électromagnétiques par leur longueur d'onde ou leur fréquence. La fréquence d'un rayonnement ne change pas, mais sa longueur d'onde est proportionnelle à la vitesse de la lumière dans le milieu où il se propage. Quand on parle de longueur d'onde pour la lumière sans autre précision, c'est dans le vide. Cette longueur d'onde est peu différente de celle dans l'air.

Les limites du spectre visible sont imprécises, car la sensibilité visuelle diminue progressivement en s'éloignant d'un maximum autour de 550 nm dans le domaine de vision diurne, 510 nm quand la lumière est faible. Cette sensibilité varie selon les espèces, dont les relations avec leur environnement déterminent l'importance pour la survie de telle ou telle région du spectre¹, tout en correspondant toujours approximativement à celle où l'énergie du rayonnement solaire est la plus forte à la surface de la Terre². Elle décroît progressivement autour du maximum ; les limites qu'on lui donne dépendent donc du seuil qu'on lui fixe³.

La lumière visible se situe à une fréquence de 540 ± 200 THz (longueur d'onde dans le vide 550 ± 120 nm). Il est parfois intéressant de considérer l'énergie photonique, vers 2,2 ± 0,7 électron-volts.

Limites du rayonnement lumineux

La physique étudie l'environnement en essayant de s'affranchir des incertitudes de la perception humaine, mais son développement historique en a dépendu étroitement. Avant que les physiciens considèrent la lumière comme une partie du rayonnement électromagnétique, l'optique a établi des méthodes à partir de la lumière visible. La photographie a montré que les lois de l'optique s'appliquaient à des rayons invisibles. Si l'on définit la lumière par « rayonnement qui s'étudie par des systèmes optiques », on peut étendre énormément son champ. Un radiotélescope les applique dans ses antennes. Ce sont les points communs de ces rayonnements qui les font assimiler à la lumière :

• les ondes sont incohérentes, c'est-à-dire qu'on ne peut prévoir la phase — ni même en général, la fréquence — en un point et à un instant donné, mais seulement mesurer une énergie moyenne ;
• les rayonnements sont peu pénétrants, ce qui permet d'appliquer les lois de la réflexion.

Photométrie

Du point de vue physique, il est tout à fait indifférent qu'un rayonnement soit visible ou non. L'évaluation de l'effet d'un rayonnement électromagnétique sur l'éclairement est l'objet de la photométrie. Ces études, entreprises depuis le XVII^e siècle, ont abouti à l'établissement de courbes ou de tables d'efficacité lumineuse spectrale. On peut ainsi, connaissant la puissance d'un rayonnement pour chaque longueur d'onde, calculer son effet lumineux. Plus pratiquement, avec un capteur muni d'un filtre (optique) approprié, on peut mesurer un flux lumineux ou un éclairement lumineux⁴.

Couleur

Lorsque le niveau lumineux est suffisant (vision photopique), l'être humain distingue des couleurs, correspondant à la répartition spectrale des lumières qui lui parviennent. La vision est une perception complexe, une activité cognitive dans laquelle plusieurs aires cérébrales collaborent, comparant les sensations à celles enregistrées dans la mémoire, avec plusieurs effets en retour. En particulier, la vision des couleurs s'adapte à l'éclairage ambiant, de façon à attribuer aux objets une couleur, même si, du fait d'une variation de la lumière, la rétine reçoit des rayonnements différents⁵.

L'être humain est trichromate, son œil comporte trois types de récepteurs, dont la sensibilité spectrale est différente ; les différences entre leurs réponses est à la base de la perception des couleurs. Par conséquent, deux lumières de composition spectrale très différente peuvent être perçues comme étant de la même couleur, si leur influence sur les trois types de récepteurs est égale. On dit alors que les lumières sont métamères. C'est cette particularité que l'on exploite dans la photographie et l'impression en couleurs, ainsi que dans les écrans de télévision et d'ordinateur. Avec trois couleurs bien choisies, dites couleurs primaires, on peut créer, soit par synthèse additive, soit par synthèse soustractive, la perception de très nombreuses couleurs. L'étude de la perception des couleurs, selon les caractéristiques physiques du rayonnement lumineux, est l'objet de la colorimétrie⁶.

Description physique de la lumière

Ondes et corpuscules

Divers phénomènes physiques mettent en évidence parfois l'aspect corpusculaire, parfois l'aspect ondulatoire de la lumière. Selon les cas, la lumière présente des propriétés soit propres à une onde, sans localisation — diffraction, polarisation, etc., soit propres à un objet localisé, un corpuscule — effet photoélectrique, spectre d'émission des matériaux, chimie des colorants, etc..

L'approche corpusculaire est inévitable lorsque les énergies en jeu sont si faibles qu'on ne peut rien en prélever pour la mesure sans perturber le système. L'approche ondulatoire sert en optique et dans les cas qui concernent des puissances incomparablement plus grandes que celle des photons. Ses modèles supposent que les phénomènes sont mesurables sur une échelle continue.

Vitesse

La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (comme célérité), est une constante de la physique. Cette propriété a été induite de l'expérience d'interférométrie de Michelson et Morley et a été clairement énoncée par Albert Einstein en 1905.

La vitesse de la lumière dans le vide est la vitesse maximale possible pour tout déplacement d'énergie.

Addition des vitesses et célérité

La loi d'addition des vitesses v' = V+v est à peu près vraie pour des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière. Du point de vue de la physique classique, un voyageur marchant dans un train a, par rapport au sol, une vitesse égale à celle du train plus (vectoriellement) sa propre vitesse de marche dans le train. Et l'on écrit d = (V+v) t = Vt+vt, soit la distance parcourue par le train plus la distance parcourue dans le train est la distance parcourue par le voyageur par rapport au sol dans le temps t qui est classiquement le même dans le train et au sol, ce qui implique la loi classique d'addition des vitesses. Cette approximation devient de moins en moins précise à mesure que la vitesse v considérée augmente.

Un photon va à la même vitesse c que ce soit par rapport au sol ou par rapport au train ! La loi d'addition des vitesses n'est qu'une approximation de la loi dite de transformation sur les vitesses de Lorentz (appelée parfois d'addition des vitesses, ou plus correctement loi de composition des vitesses). Ce résultat est l'une des caractéristiques de la relativité restreinte ; la loi de composition des vitesses issue des transformations mathématiques de Lorentz donne à la limite des faibles vitesses (par rapport à la vitesse c) les mêmes résultats que les transformations de Galilée.

Dans les matériaux

La vitesse de la lumière n'est pas toujours la même dans tous les milieux et dans toutes les conditions. Les écarts de vitesse observés entre deux milieux sont liés à l'indice de réfraction, qui caractérise les réponses des milieux à la traversée d'une onde électromagnétique.

L'écart entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans l'air est très faible (moins de 1 %), ce qui a permis de parler en général de vitesse de la lumière au lieu de vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, dans la matière condensée, une onde lumineuse peut être considérablement ralentie (par exemple, de 25 % dans l'eau^a. Les physiciens sont même parvenus à ralentir la propagation lumineuse par transparence induite électromagnétiquement jusqu'à une vitesse de quelques mètres par seconde dans des cas extrêmes⁷.

Dans le Système International (SI)

Actuellement, la plupart des unités du Système international sont définies à partir de la célérité de la lumière. Une vitesse étant le quotient d'une longueur par une durée, on peut définir une distance comme étant le produit d'une durée par une vitesse (en l'occurrence c), ou une durée comme la division d'une distance par c.

La seconde est définie dans le Système International par un phénomène lumineux : c'est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyper-fins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

Le mètre, unité du Système International de longueur. De nos jours, il est défini comme la distance parcourue par la lumière, dans le vide, en ¹⁄_{299 792 458} seconde. Il s'agit là d'une définition conventionnelle, car toute évolution dans la définition de la seconde aurait une incidence directe sur la longueur du mètre. Avec la définition actuelle de la seconde, le mètre est donc égal à :

9 192 631 770 299 792 458 {\displaystyle {\frac {9\;192\;631\;770}{299\;792\;458}}} fois la longueur d'onde de la radiation choisie.

On peut également dire que la vitesse de la lumière dans le vide est précisément 299 792 458 m/s : il n'y a pas d'incertitude sur cette valeur⁸.

Année-lumière

En astronomie, on emploie, surtout en vulgarisation, une unité qui donne une idée de l'énormité des distances qui séparent les astres. Une année-lumière est la distance que parcourt la lumière en un an. Elle vaut un peu moins de 9,5 pétamètres — 9,5 millions de millions de kilomètres. L'étoile la plus proche du système solaire s'en trouve à 4,22 années-lumière. Les communications scientifiques préfèrent souvent le parsec ou l'unité astronomique. La mesure des distances en astronomie limite l'usage de chaque unité à une plage de distances appropriée.

Histoire de l'étude de la lumière

Les premières études expérimentales sur la lumière remontent à l'Antiquité. La propagation en ligne droite, la loi de la réflexion sont connues à l’époque de Aristote⁹.

Cependant la philosophie hésite quant à la nature de la lumière. L'expérience humaine ordinaire ne permet pas de décider si un objet est visible lorsque personne ne le voit. On peut, comme les philosophes de la Grèce antique, interroger la notion de lumière. La théorie de l'extramission considère la vision comme un sens proche du toucher, dans lequel des rayons rectilignes, impalpables, sortent de l'œil pour aller palper les objets. Cette théorie ne fait pas obstacle au développement de la perspective ni à celle des miroirs. Les cultures considèrent les astres, qu'on ne peut toucher, comme des êtres surnaturels. Le doute sur la nature de la vision, et par conséquent de la lumière, va se maintenir jusqu'à la Renaissance, et bien plus tard en ce qui concerne les couleurs, dont le rapport à l'expérience physique est plus distant. Ces notions seront à la base des résistances aux théories scientifiques de la lumière.

Autour de l'An mille, le savant perse Ibn Al Haytham (965 - 1039), de son nom latinisé Alhazen, rédige à Bagdad son Traité d'optique. Il est le premier à penser que la lumière se déplace à vitesse finie et en particulier que cette vitesse est plus élevée dans les milieux de faible densité⁹. La traduction latine d'une partie de son œuvre alimente la science occidentale, quelques siècles plus tard.

L’optique bascule brutalement avec la découverte fortuite des lentilles par des artisans italiens vers la fin du XIII^e siècle. L’Allemand Johannes Kepler résume l’ensemble des connaissances de l’optique dans son ouvrage Dioptrice, après avoir vérifié les travaux de Galilée. L'étude de la lumière se confond alors avec celle des instruments permettant de voir les objets lointains ou minuscules. Au XVII^e siècle, Snell, Fermat et Descartes abordent la lumière par l'optique géométrique. Fermat est parmi les premiers à affirmer que la vitesse de la lumière est finie. En 1676, Rømer la calcule pour la première fois à partir des décalages de l'orbite de Io par rapport aux prévisions. Huygens montre en 1677 que les lois de Snell-Descartes sont conservées si l'on suppose une propagation de la lumière sous la forme d'ondes¹⁰.

Newton publie en 1704 son Opticks qui interprète les phénomènes lumineux de manière corpusculaire : les faisceaux lumineux qui se propagent dans l’éther sont une succession de grains de lumière dont la taille est reliée à la couleur. Le prestige de l'auteur paralyse pendant près d’un siècle les suppositions selon lesquelles la lumière pouvait être une onde⁹. Ses travaux sur la décomposition de la lumière blanche transforment radicalement la conception de la couleur : la lumière blanche qui était supposée primordiale s'avère la composition de rayonnements colorés. Ce changement rencontre pendant plus d'un siècle des résistances fondées sur les failles réelles du raisonnement de Newton, aussi bien que sur des expériences de perception et la défense des arguments traditionnels¹¹.

Au XIX^e siècle, Hippolyte Fizeau puis Léon Foucault mesurent la vitesse de la lumière avec un faisceau qu'une roue dentée divise en impulsions réfléchies par des miroirs. Thomas Young étudie expérimentalement la diffraction et les interférences de la lumière, qui soutiennent la théorie ondulatoire. Augustin Fresnel énonce que cette conception est seule capable d’expliquer de façon convaincante tous les phénomènes de polarisation.

En 1873, James Clerk Maxwell interprète la lumière comme étant un phénomène électromagnétique¹⁰. Les recherches de la physique sont dès lors entièrement détachées de la lumière visible. Les équations de Maxwell permettent de développer une théorie générale de l'électromagnétisme. Elles s'apliquent aussi bien la propagation de la lumière qu'au fonctionnement d'un électroaimant — on démontre que les lois de l'optique géométrique en sont un cas particulier. Cette description classique est la plus utilisée.

En 1905, Albert Einstein publie sa théorie de la relativité restreinte où il étudie les conséquences mathématiques du principe physique selon lequel la vitesse de la lumière a la même valeur dans tous les référentiels galiléens. Après les travaux de Ludwig Boltzmann et Max Planck, Einstein reprend l'idée que la lumière peut avoir une nature corpusculaire. L'étude de l'interaction rayonnement-matière donne naissance à la mécanique quantique, et au concept de dualité onde-corpuscule pour ces rayonnements¹².

La révolution industrielle crée, au cours du XIX^e siècle, de nouveaux procédés d'éclairage, dont la comparaison suscite des études sur la perception de la lumière. La photométrie se dégage de la comparaison entre éclairage au gaz et éclairage électrique. Le développement de la photographie oblige à préciser ce qu'est la lumière visible par rapport au rayonnement en général : des rayonnements invisibles comme les ultraviolets marquent la surface sensible, tandis que des rayonnements visibles, correspondant au rouge, ne s'y impriment pas et donnent du noir, jusqu'au perfectionnement de la pellicule panchromatique. On distingue l'intensité énergétique de l'intensité lumineuse du rayonnement.

Énergie lumineuse et vie

Biologie

Même si certaines formes de vies au fond des océans peuvent s'en passer, la lumière du Soleil est la première source d'énergie des écosystèmes terrestres, par la photosynthèse. Elle contrôle les cycles écogéobiologiques et le stockage du carbone tels qu'ils existent depuis 3,7 milliards d'années. Elle joue aussi un rôle important en entretenant la couche d'ozone et en limitant la pullulation des microbes sensibles aux ultraviolets et/ou à l'infrarouge. Cette sensibilité est utilisée par certaines techniques de stérilisation^b.

Inversement, elle contribue à certaines formes de pollution dites « photochimiques » (ozone troposphérique, oxydes d'azote) et inversement à dégrader (photodégradation) certains polluants de l'air, du sol superficiel ou de l'eau (certains pesticides présents dans l'air) par exemple. La lumière corrige les horloges biologiques animales, par la production de mélatonine qui est une hormone uniquement produite la nuit, chez la plupart des animaux et chez d'autres espèces. Chez la plupart des espèces la lumière naturelle est vitale au bon accomplissement des cycles biologiques. Chez l'humain, l'exposition aux ultraviolets de la lumière solaire sont nécessaires à la synthèse de la vitamine D^{[réf. souhaitée]}.

Les plantes possèdent des protéines sensibles à la lumière sous différentes longueurs d'onde.

Les phytochromes peuvent passer de la forme inactive, Pr, à la conformation active, Pfr, sous la lumière rouge. Le processus est thermodynamiquement réversible sous l'effet des infrarouges proches (710 à 850 nm). Les phytochromes actifs peuvent induire la germination des graines ou inhiber la croissance de la tige ; ils contrecarrent ainsi les protéines PIFs impliquées dans l'expression des gènes en empêchant leur action. Les phytochromes jouent aussi un rôle dans l'évitement de l'ombre et la rectification de l'horloge circadienne en cas de changement de la durée du jour^{[réf. souhaitée]}.

Les cryptochromes peuvent agir de concert avec les phytochromes, mais sont sensibles à la lumière bleue. Ils sont capables d'inhiber la croissance de la tige, de réguler l'horloge circadienne et d'induire la floraison et la croissance des cotylédons. Chez les animaux elles jouent un rôle dans le cycle circadien.

Les ultraviolets B activent les protéines UVR8 (en) qui provoquent la production de flavonoïdes qui filtrent les rayonnements. Associé à la réparation d'ADN, l'UVR8 peut induire une acclimatation ainsi qu'une élongation de la tige. Une exposition trop intense aux UV-B peut conduire à la mort de la plante^{[réf. souhaitée]}.

La durée du jour est essentielle pour contrôler l'apparition des bourgeons, feuilles, fleurs, ou l'ouverture et la fermeture de fleurs. La présence de lumière artificielle dans l'environnement nocturne peut altérer le comportement ou les fonctions de certaines espèces ou des écosystèmes^{[réf. nécessaire]} ; ce phénomène est généralement décrit sous le nom de « pollution lumineuse »^{[réf. souhaitée]}.

Vision

De nombreuses espèces animales possèdent un sens visuel, permettant de réagir à des objets distants. Un bon nombre de ces espèces réagissent différemment aux objets selon le spectre de la lumière qu'ils émettent ou réfléchissent, exhibant ainsi les caractères d'une forme de vision des couleurs. Les organismes sont généralement sensibles aux parties du spectre électromagnétique issu du rayonnement solaire sont les plus puissantes dans leur environnement. La vision humaine définit celle qu'on appelle spectre visible, dont les fréquences supérieures produisent une perception de couleur violette et les fréquences inférieures correspondent au rouge. La limite du spectre visible est arbitraire ; la sensibilité de l'œil diminue progressivement, et la limite en fréquence dépend du niveau que l'on considère comme négligeable (1 %, 0,1 % de la meilleure sensibilité, par exemple)¹⁴. On donne en général les valeurs de longueur d'onde de 400 à 700 nanomètres (nm), des valeurs simples à retenir, allant jusqu'à une sensibilité de moins de 1 % du maximum. Les tables photométriques vont de 360 à 830 nm ; les longueurs d'onde inférieures à 450 nm se perçoivent comme des couleurs bleu-violet profond très peu différentes de teinte, mais de plus en plus sombres, tandis que toutes les longueurs d'onde supérieures à 630 nm donnent, de même, la même impression visuelle rouge, si on en augmente suffisamment l'intensité. La largeur de bande de la lumière visible par les animaux peut varier quelque peu par rapport aux capacités visuelles des êtres humains.

Dans la vision photopique, diurne, la transformation de la lumière en influx nerveux par les cônes permet la perception colorée. L'adaptation visuelle change les caractères de la perception pour la faire correspondre à l'éclairement de la scène vue, et aux rapports perçus entre les surfaces du champ visuel. La correspondance entre lumière définie physiquement et la perception est assez lâche en général. On attribue aux objets une couleur constante même si le rayonnement qui en parvient à l'œil varie. Les êtres vivants, en dehors d'un contexte technologique, n'ont aucun avantage à mesurer la lumière. La vision leur sert à identifier les objets à distance. Les animaux porteurs des caractères les plus à même de favoriser cette fonction ont gagné un avantage dans la sélection naturelle et les ont propagés¹⁵.

Cycle circadien

La lumière naturelle est pulsée par le rythme circadien, qui influe sur l'ensemble des fonctions vitales. Chez l'humain on peut produire ou soigner une dépression par l'absence ou la présence de lumière. Une étude sur des pensionnaires de maison de retraite été démontré en 2008 que la prise de mélatonine et l'exposition à la lumière naturelle améliorent les symptômes de troubles des cycles du sommeil ; la prise de mélatonine facilite l'endormissement (huit minutes plus tôt en moyenne) et allonge le sommeil de vingt-sept minutes en moyenne¹⁶. L'exposition à la lumière naturelle diminuerait aussi chez ces personnes âgées les symptômes de dépression (-19 %), les limitations fonctionnelles au quotidien (- 53 %) et la détérioration cognitive (- 5 %). L'association lumière + mélatonine a aussi diminué les comportements agressifs (- 9 %), les phases d'agitation et de réveils nocturnes.

Le D^r Albert Lachman (spécialiste des troubles du sommeil) estime qu'en améliorant le sommeil du malade, ses fonctions cognitives et l'humeur sont améliorées. Il conseille « de bien éclairer les pièces en journée, de laisser les rideaux ouverts et, à l'inverse, de diminuer les sources de lumière en soirée pour que l'organisme reçoive le signal que la nuit est là […] Malheureusement, dans certaines maisons de repos, pour des questions d'organisation, on fait plutôt l'inverse » ajoute-t-il¹⁷.

Il est apparu que des récepteurs situés dans les cellules ganglionnaires de la rétine, surtout sensibles à la lumière bleue présente dans la lumière du jour, participent à la régulation de mélatonine et du rythme circadien. Une précaution d'hygiène lumineuse doit faire éviter de perturber ce cycle par un éclairage artificiel « lumière du jour » la nuit¹⁸.

Sources lumineuses

Mesure

En matière de mesure de la lumière, il importe de bien définir de quoi on parle :

• l'unité de flux lumineux, ou puissance lumineuse est le lumen = candela.stéradian. Une ampoule électrique courante (15 watts basse consommation ou 75 watts à incandescence classique) produit environ 1500 lumens ;
• l'unité internationale d'intensité lumineuse est la candela.

La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques, caractérisées par la longueur d'onde dans le vide, correspondant à un niveau d'énergie, et l'intensité. La répartition des longueurs d'onde régit la perception de couleur de la lumière. Une onde électromagnétique constituée d'ondes de la même longueur d'onde — pour autant qu'on puisse le vérifier, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même polarisation, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser.

La mesure de la lumière est compliquée par le fait qu'on s'intéresse, en pratique, à la lumière visible, alors que la sensibilité humaine dépend de la longueur d'onde. Le rapport entre ces deux grandeurs, déterminé empiriquement, se trouve dans le tableau des valeurs d'efficacité lumineuse spectrale.

Sources naturelles de lumière

Le Soleil est le principal luminaire naturel. Les étoiles plus lointaines rayonnent suffisamment pour être visibles, mais pas assez pour éclairer. La lumière solaire est suffisamment puissante pour que la petite partie de son rayonnement diffusée par l'atmosphère terrestre et réfléchie par les objets de la surface suffise pour voir les parties qu'elle n'atteint pas directement.

La Lune réfléchit suffisamment de lumière solaire pour permettre la vision scotopique (nocturne), sans perception des couleurs, des objets que son rayonnement frappe directement.

Les autres petits corps célestes, planètes et leurs satellites, astéroïdes, comètes, etc.), produisent de même moins de rayonnement qu'ils n'en reçoivent, et leur rayonnement, comme celui des étoiles, est insuffisant pour éclairer à la surface de la Terre. Certaines planètes géantes (comme Jupiter ou Saturne) produisent un peu plus de rayonnement qu'elles n'en reçoivent, mais pas suffisamment pour être facilement visibles à l'œil nu depuis la Terre. Les étoiles filantes, quant à elles, sont échauffées par la friction avec l'air et finissent par y brûler. Ce phénomène est source d'une lumière également insuffisante pour éclairer.

Les objets chauds émettent un rayonnement électromagnétique dont l'énergie dépend de leur température ; un corps noir produirait une lumière de spectre lumineux à peu près semblable à celui du Soleil à une température d'environ 5 500 kelvins. Les combustions en milieu ouvert échauffent suffisamment de poussières pour que celles-ci produisent de la lumière.

Certains organismes vivants : poissons, mollusques, lucioles et vers luisants, produisent de la lumière par bioluminescence.

Sources de lumière artificielles

Les humains se sont d'abord éclairés par la lumière du feu. Le bitume et la poix renforcent l'éclat des torches. Les archéologues ont découvert des lampes à huile rudimentaires parmi des objets remontant au Néolithique. Les chandelles et bougies, de principe identique, présentent l'avantage pratique d'un combustible solide, qui ne se liquéfie que par la chaleur de la combustion.

Pour éclairer il faut des matières dont la combustion imparfaite produit des poussières, chauffées par la réaction de parties plus volatiles avec l'oxygène de l'air. La combustion du pétrole ou du gaz, bien réglée, est trop parfaite pour éclairer. On disposait les luminaires à pétrole ou à gaz de sorte qu'un excès de combustible produise les poussières nécessaires, jusqu'à ce que l'invention du manchon à incandescence à la fin du XIX^e siècle permette l'amélioration du rendement des lampes.

La lampe à incandescence électrique inventée à la fin du XIX^e siècle a révolutionné l'éclairage. Les lumières électriques sont depuis lors les sources les plus courantes de lumière artificielle. Des procédés plus économes en énergie ont rivalisé et souvent remplacé la lampe à incandescence : le tube fluorescent, la lampe électroluminescente

Législation

De nombreux équipements destinés à la signalisation, à la communication, à la publicité émettent de la lumière dans et hors des habitations. Ils peuvent, comme les appareils d'éclairages, être à l'origine de pollution lumineuse.

La lumière compte parmi les facteurs environnementaux dans la loi sur la protection des émissions. Les émissions lumineuses issues de systèmes d'éclairage artificiels peuvent perturber significativement le cycle du sommeil indispensable à l'humain et à la nature en empêchant la réalisation de certains processus naturels. Les règlements sur la lumière, particuliers à chaque pays, définissent l'éclairage normal de l'éclairage intérieur et le seuil d'éblouissement. Les lumières aux couleurs intenses et clignotantes peuvent s'avérer particulièrement perturbantes. L'État veille à la bonne application de la loi en la matière, incluse en France dans le Code de l'environnement. La lumière intéresse la sécurité en matière de transport : niveau et répartition de l'éclairage urbain, réglage des phares de voiture pour éviter l'éblouissement. Les effets néfastes de la lumière artificielle sur la faune sauvage (par exemple, sur les insectes nocturnes, la perturbation des oiseaux migrateurs), la pollution lumineuse nuisible à l'observation de l'espace motivent les limitations réglementaires.

Esthétique

L'importance de la lumière dans la peinture¹⁹, la spécialité technique et artistique de l'éclairage, qui produisent une lumière artistique, témoignent des valeurs esthétiques liées à la lumière, naturelle ou artificielle, dont Paul Souriau a tenté d'établir des caractères²⁰. « La beauté de la lumière ne se peut pas mesurer exactement au photomètre²¹ ».

Symbolisme

La lumière a une forte valeur symbolique; permettant de percevoir les objets avant de les toucher, elle s'associe, dans toutes les cultures humaines, à la connaissance, tandis que l'opposition entre lumière et ténèbres se relie à celles entre vie et mort et entre bien et mal. Dans de nombreuses religions, Dieu est associé à la lumière.

Le langage entretient, par des métaphores devenues des clichés, cette association. Ainsi, diverses religions expriment l'accession soudaine à un savoir mystique par le mot « illumination » ; tandis qu'en Europe, l'époque où se structure la méthode scientifique et où la connaissance du monde platonicienne se transforme en élaboration mathématique à partir de la mesure se désigne comme siècle des Lumières tandis que par la suite, la philosophie des Lumières diffuse ce nouveau genre de savoir, qui se présente comme supérieur à l'obscurantisme des religions instituées.

La propriété de la lumière de se transmettre à distance sans support matériel alimente une métaphore ancienne, qui l'associe aux idées. Vitellion, savant polonais du XIII^e siècle traducteur de l’Optique d'Alhazen, rapproche la lumière physique, manifestation de Dieu et la lumière divine, c'est-à-dire le sentiment de Dieu^{[réf. souhaitée]}. Pour Georges Duby, l'architecture des cathédrales de l'époque s'organise selon ce parallèle, dit théologie de la Lumière²².

Annexes

Bibliographie

• Richard Langton Gregory, L'œil et le cerveau : la psychologie de la vision [« Eye and Brain: The Psychology of Seeing »], De Boeck Université, 2000 (1^re éd. 1966)
• (en) Miles V. Klein et Thomas E. Furtac, Optics, New-York, John Wiley & Sons, coll. « Wiley Serie in Pure and Applied Optics », 1986, 660 p. (ISBN 0-471-87297-0), « The Nature of Light », p. 1-50
• Bernard Valeur, Lumière et luminescence : Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin, coll. « Pour la science », 2005, 207 p. (ISBN 978-2-7011-3603-5)
• Libero Zuppiroli, Marie-Noëlle Bussac et Christiane Grimm (photographies), Traité de la lumière, Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2009

Articles connexes

• Éclairage
• Lumière artistique
• Photosynthèse
• Photométrie 
• Pollution lumineuse

Liens externes

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  • Bibliothèque nationale de France (données)
  • Bibliothèque du Congrès
  • Gemeinsame Normdatei
  • Bibliothèque nationale de la Diète
  • Bibliothèque nationale d’Espagne
  • Bibliothèque nationale d’Israël
  • Bibliothèque nationale tchèque
• «Lumière, ondule ton corpuscule» [archive] La Méthode scientifique, France Culture, 24 octobre 2019
• Phénomènes lumineux [archive], sur le site colorimetrie.be
• Un dossier complet sur la vitesse de la lumière [archive] sur le site Culturesciences-Physique [archive] de l'ENS Lyon (un historique, les indices optiques, la relativité, l'effet Cherenkov...)
• Dossier sur la lumière et projet d'éclairage [archive], sur le site ergonomie.chups.jussieu.fr [PDF]
• « Lumière ! », une exposition en ligne sur l'histoire de la lumière [archive], sur la bibliothèque numérique en histoire des sciences IRIS - Université Lille-I

Notes et références

• Pour plus de précisions, voir l'article indice de réfraction

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• (en) Evan Thompson, Colour Vision : A Study in Cognitive Science and Philosophy of Science, Routledge, 1995 (présentation en ligne [archive]).
• Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam, 2009, p. 43.
• Richard Langton Gregory, L'œil et le cerveau : la psychologie de la vision [« Eye and Brain: The Psychology of Seeing »], De Boeck Université, 2000
• Jean Terrien et François Desvignes, La photométrie, Paris, PUF, coll. « Que-Sais-Je » (n^o 1167), 1972, 1^re éd., 128 p. ; Yves Le Grand, Optiqupour expliquer le phénomène ondulatoire : ile physiologique : Tome 2, Lumière et couleurs, Paris, Masson, 1972, 2^e éd..
• Gregory 2000, notamment chapitre « couleur ».
• Sève 2009.
• « Ralentissement de photons dans un condensat de Bose-Einstein » [archive], sur dossierpourlascience.fr.
• La mesure de la vitesse de la lumière [archive], Document pédagogique Cléa Académie de Nice.
• Klein et Furtac 1986.
• Michel Blay, « La lumière », Université de tous les savoirs, vol. 4, Éditions Odile Jacob, Paris, 2001, p. 603-620.
• Claude Romano, De la couleur : cours, Paris, Éditions de la Transparence, coll. « Philosophie », 2010
• Claude Cohen-Tannoudji, « Préface », dans Bernard Valeur, Lumière et luminescence, Paris, Belin, 2005.
• Pulsed-Light Inactivation of Food-Related Microorganisms, N. J. Rowan, J. S. J. Macgregor, 2 J. G. Anderson, 1 R. A. Fouracre, 2 L. Mcilvaney, 2 et O. Farish 2, Department of Bioscience & Biotechnology, Department of Electronic & Electrical Engineering, Université de Strathclyde, Glasgow, Scotland, 1998 (Test d'impact de la lumière UV sur Listeria monocytogenes, Escherichia coli, Salmonella enteritidis, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus cereus et Staphylococcus aureus. (lien vers le résumé de l'étude [archive]).
• Yves Le Grand, Optique physiologique : Tome 2, Lumière et couleurs, Paris, Masson, 1972, 2^e éd. ; Efficacité lumineuse spectrale indique les valeurs normalisées.
• Sève 2009, p. 16, 24 ; Gregory 2000, Chapitre 7 « Voir les couleurs ».
• (en) Riemersma-van der Lek et al., « Effect of bright light and melatonin on cognitive and non cognitive function of elderly residents of group care facilities. A randomized controlled trial », JAMA, n^o 299,‎ 2008, p. 2642-2655.
• Julie Luong, « Lumière et mélatonine contre la maladie d'Alzheimer » [archive], 2008 (consulté le 7 novembre 2008).
• Claude Gronfier, « Horloge circadienne et fonctions non visuelles : rôle de la lumière chez l’humain », Biologie aujourd'hui,‎ 2015 (lire en ligne [archive]).
• Pierre Pinchon, La lumière dans les arts européens 1800-1900, Paris, Hazan, 2011.
• Paul Souriau, Esthétique de la lumière, Paris, 1913 (lire en ligne [archive]).
• Souriau 1913, p. XI-XII.

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Miroir (optique)

 

Un miroir en optique est une surface réfléchissante. Les miroirs, par opposition aux éléments dits « réfractifs » tels que les dioptres, lentilles, etc. sont dits éléments « réflectifs ». Un miroir est le plus souvent un élément de verre de forme particulière dont une des faces est traitée de manière à réfléchir la lumière incidente mais peut aussi être une surface réfléchissante seule.

Les premiers miroirs [archive] étaient argentés à l'arrière, ou étamés. Désormais de multiples types de traitements réflectifs existent, par dépôt de multiples couches de diélectriques par exemple.

Outre les multiples formes de miroirs, sphériques, paraboliques, plans, etc. il existe aussi des miroirs dits semi-réfléchissants qui permettent de ne réfléchir qu'une partie d'un faisceau (par exemple les miroirs dichroïques), des miroirs segmentés qui avec l'émergence de l'optique adaptative ont permis d'agrandir encore plus les miroirs des télescopes.

Historique

On attribue à Shen Kuo (1031-1095) la découverte du phénomène de focalisation des rayons lumineux par un miroir concave, à la distance bien déterminée qu'est la focale¹.

Un miroir n'a longtemps été qu'une plaque de métal polie, généralement en cuivre ou en bronze². À la Renaissance, les premiers miroirs en verre apparaissent mais utilisent comme couche réflectrice un alliage de mercure qui est toxique. Ce n'est qu'en 1835 que le chimiste allemand Justus von Liebig parvient à réaliser pour la première fois un dépôt d'argent sur verre, permettant la fabrication de miroirs verre-argent³. En 1887, Nahrwold réalise le premier dépôt sous vide, permettant la fabrication des miroirs verre-aluminium⁴.

La première utilisation d'un miroir comme élément optique et non comme simple réflecteur revient probablement au premier télescope réflectif réalisé : le télescope de Newton. Celui-ci a été réalisé en 1668⁵.

Le physicien français Léon Foucault publie en 1858 des techniques de contrôle de forme des surfaces optiques⁶. Le fait de pouvoir détecter les défauts des surfaces permet la fabrication de miroirs de meilleure qualité.

Fabrication

Différentes technologies

On distingue plusieurs catégories de miroirs : les miroirs métalliques et les miroirs en verre avec une couche réfléchissante métallique ou un traitement multicouche.

Les miroirs métalliques

On les obtient par polissage d'un métal. En réduisant la rugosité on augmente la réflectivité. En effet, plus une surface est rugueuse, plus la réflexion sur celle-ci est diffuse (le rapport de l'amplitude du champ diffusé sur celle du champ réfléchi augmente avec la rugosité⁷). Cependant, aussi poli soit-il, un métal reste toujours assez rugueux (par rapport au verre, entre autres), ce qui limite le contraste sur ces miroirs.

On sait fabriquer de tels miroirs depuis l'Antiquité², bien que les techniques de polissage se soient améliorées depuis.

Un alliage composé de deux tiers de cuivre et un tiers d'étain a notamment été utilisé dans les premiers télescopes à miroir. On obtenait alors des réflectivités pouvant aller jusqu'à 70%⁸.

Les miroirs en verre

Le support est ici en verre, et est poli jusqu'à obtenir la forme souhaitée (plan, sphère, parabole, ...). On dépose ensuite une fine couche métallique réfléchissante. Le miroir ainsi fabriqué bénéficie de la faible rugosité du verre et de l'importante réflectivité du métal. Selon l'usage, on distingue deux procédés : les miroirs utilisés au quotidien sont réalisés par dépôt du métal sur la face arrière du miroir. Le verre protège ainsi la surface réfléchissante (contre l'oxydation par exemple), mais la lumière traverse la couche de verre. Il est courant d'ajouter une couche d'un autre métal derrière la couche réfléchissante afin de protéger celle-ci et rendre le miroir complètement opaque⁹.

Les miroirs utilisés en optique (astronomie, interférométrie) sont en général réalisés par dépôt du métal sur la face avant. Ainsi la lumière ne traverse pas le verre, qui ne sert que de support. Ceci permet d'éviter tout problème lié à la réfraction ou la dispersion¹⁰, la traversée du verre pouvant introduire des distorsions et des pertes d'énergie lumineuse¹¹.

Les miroirs multicouches

Au lieu de déposer une unique couche métallique, on peut également déposer une superposition de plusieurs couches minces^{[De quoi ?]} et modifier les propriétés réflectives de l'ensemble en jouant sur leurs épaisseurs et les matériaux utilisés.

Les miroirs dichroïques font partie de cette catégorie.

• Deux miroirs multicouches
• 

   
• 

   

Dépôt de la couche réfléchissante

On utilise principalement deux techniques de dépôt pour la couche réfléchissante. La première permet le dépôt d'une fine couche d'argent et se fait par réduction chimique en recouvrant le verre d'une solution de nitrate d'argent. La deuxième est un dépôt sous vide, permettant la réalisation d'une fine couche d'aluminium ou d'or.

Le dépôt d'argent par réduction chimique doit se faire sur une surface préalablement décapée, sans quoi l'argent n’adhérera pas suffisamment bien. La réaction mise en jeu est celle du réactif de Tollens avec un aldéhyde¹².

Le dépôt d'aluminium se fait dans une enceinte sous vide, c'est-à-dire à très basse pression. Le métal, chauffé, s'évapore et se dépose sur la surface froide du verre. Le vide permet de limiter au maximum les collisions entre les particules jusqu'à ce qu'elles arrivent au miroir. Pour cela, il faut descendre la pression à moins de 1 × 10⁻⁴ Torr (soit moins de 1 × 10⁻² Pa). L'épaisseur de la couche déposée est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres¹³.

Ébauchage et polissage du verre

L'ébauchage permet de donner au support du miroir la forme souhaitée. Le polissage permet de réduire la rugosité.

Réflectivité des métaux

Critères de qualité

La qualité d'un miroir dépend beaucoup de celle de la surface du support, généralement en verre. On attend de cette surface qu'elle soit la plus uniforme et la plus lisse possible. Un premier critère de qualité d'un miroir réside donc dans la forme (grande échelle spatiale) et dans les ondulations (moyenne échelle spatiale), c'est-à-dire l'écart à la forme souhaitée. Un trop gros défaut de forme ou de trop importantes ondulations donneront une image déformée, de mauvaise qualité, ou empêcheront de focaliser les rayons à l'endroit voulu, par exemple. Un deuxième critère est celui de la rugosité (faible échelle spatiale) : plus celle-ci est importante, moins la réflexion spéculaire est importante, une plus grande partie de la lumière étant réfléchie de manière diffuse.

Les attentes quant au respect de ces critères dépendent du domaine d'utilisation du miroir. Les miroirs utilisés en interférométrie devront avoir des défauts de forme très faibles, tandis qu'on tolérera un défaut non visible à l’œil nu pour un miroir domestique. Des domaines comme l'astronomie, où la qualité de l'image formée est primordiale, seront très exigeants en termes de rugosité¹⁴.

Techniques de contrôle mécaniques

Ces techniques utilisent un palpeur qui se déplace le long de la surface à contrôler. Les variations de hauteur du palpeur permettent de détecter les défauts et cartographier la surface.

La précision des profilomètres est limitée par la taille de leur palpeur, on ne peut détecter que des défauts plus grands que la pointe du palpeur¹⁵.

Déplacer le palpeur sur la totalité de la surface pouvant prendre beaucoup de temps, il est fréquent de se contenter de faire des mesures sur des axes ou uniquement sur une zone bien précise.

Ces techniques présentent un inconvénient majeur : le palpeur est au contact direct de la surface et peut, dans certains cas, la dégrader. Sur une surface fragile, il faudra donc préférer des techniques optiques.

Techniques de contrôle optiques

Les profilomètres optiques utilisent des techniques interférométriques. Les franges d'interférence représentent alors des lignes de niveaux de la surface étudiée par rapport à une surface de référence considérée parfaite. Contrairement aux techniques mécaniques, les techniques optiques permettent un contrôle de la surface sans aucun contact physique avec celle-ci. Elles permettent de repérer la présence et l'intensité des défauts, mais ne renseignent pas toujours sur leur forme¹⁶.

Formes de miroirs

On distingue les miroirs plans des miroirs courbes. Les miroirs courbes constituent la surface interne ou externe de toutes surface de révolution. Les principales surface de révolution concernées sont les sphères, les paraboloïdes, ellipsoïdes et les hyperboloïdes. Quand le miroir couvre la surface interne, on parle de miroir concave et quand il constitue la surface externe, on parle de miroir convexe¹⁷.

• 

  Un miroir concave fait converger les rayons.

• 

  Un miroir convexe fait diverger les rayons.

Tous les miroirs suivent les lois de la réflexion de Descartes, qui stipule que l'angle réfléchi est égal à l'angle d'incidence. Dans le cas d'un miroir courbe, on considère localement le plan tangent à l'endroit de l'impact du rayon sur le miroir, et on applique la loi de la réflexion à ce plan tangent^18,19.

Un faisceau lumineux provenant d'un objet placé à l'infini sur l'axe optique, c'est-à-dire un faisceau parallèle à l'axe optique, converge en un point appelé foyer image et un faisceau rejeté à l'infini par le miroir provient d'un point appelé foyer objet. Dans le cas des miroirs, les foyers objet et image sont confondus, on parle alors d'un seul foyer pour un miroir.

Miroir plan

Un miroir plan est une surface parfaitement plane réfléchissante. Il est un système optique rigoureusement stigmatique pour tout point de l'espace. L'image donnée par un miroir plan est une image virtuelle²⁰ symétrique de l'objet par rapport au plan du miroir. Le foyer d'un tel miroir est situé à l'infini.

Miroir sphérique

Un miroir sphérique est constitué d'une calotte sphérique, c'est-à-dire une sphère tronquée par un plan. L'ouverture du miroir est donc un cercle et l'axe du miroir est la droite normale à l'ouverture et passant par son centre.

• Tracés de rayons hors des conditions de Gauss
• 

  Miroir sphérique convexe hors Gauss.

• 

  Miroir sphérique concave hors Gauss.

Un tel miroir n'est rigoureusement stigmatique que pour son centre C ou son sommet S. Cependant, en se plaçant dans les conditions de Gauss on obtient un stigmatisme approché en tout point de l'espace du moment que les conditions paraxiales sont respectées²¹.

Le miroir est alors représenté par un segment avec des hachures comme pour le miroir plan, mais avec l'indication de sa courbure par un trait « rabattu » aux extrémités.

• Schéma optique de miroirs dans les conditions de Gauss
• 

  L'image est toujours plus petite.

• 

  L'image est agrandie.

• 

  L'image est plus petite et inversée.

Dans ces conditions, on peut déterminer la position de l'image d'un objet en appliquant les relations de conjugaisons²⁰ :

• Relation de Descartes au sommet : 1 S A ′ ¯ + 1 S A ¯ = 2 S C ¯ {\displaystyle {\frac {1}{\overline {SA'}}}+{\frac {1}{\overline {SA}}}={\frac {2}{\overline {SC}}}}
• Relation de Descartes au centre : 1 C A ′ ¯ + 1 C A ¯ = 2 C S ¯ {\displaystyle {\frac {1}{\overline {CA'}}}+{\frac {1}{\overline {CA}}}={\frac {2}{\overline {CS}}}}
• Relation de Newton : F A ¯ × F A ′ ¯ = f 2 {\displaystyle {\overline {FA}}\times {\overline {FA'}}=f^{2}}

Pour un objet situé à l'infini ( S A ¯ → ∞ ) {\displaystyle ({\overline {SA}}\rightarrow \infty )} , l'image se forme au foyer, la relation de Descartes montre donc que²¹ f = S C ¯ 2 {\displaystyle f={\frac {\overline {SC}}{2}}} .

Ainsi, la focale d'un miroir convexe est positive tandis que celle d'un miroir concave est négative.

Miroir parabolique

Un miroir parabolique est un miroir dont la forme est une portion de paraboloïde de révolution. Ils furent notamment étudiés par le mathématicien italien Ghetaldi^{[réf. souhaitée]}.

Les miroirs paraboliques concaves sont beaucoup utilisés soit pour produire des faisceaux de lumière parallèles, notamment dans des projecteurs et les collimateurs, soit pour recueillir la lumière provenant d'une source lointaine et la concentrer en son foyer, notamment dans des télescopes. Le principe est le même en vertu du principe du retour inverse de la lumière.

En effet, un faisceau parallèle à l'axe optique (provenant d'un point à l'infini sur l'axe) converge au foyer de la parabole après réflexion. Inversement une source placée au foyer donnera un faisceau parallèle après réflexion sur la parabole. Un tel miroir n'est d'ailleurs stigmatique que pour cette conjugaison^18,22.

La technique de miroir liquide permet d'obtenir des miroirs parfaitement paraboliques, et dont on peut régler la courbure selon l = g 2 ω 2 {\displaystyle l={\frac {g}{2\omega ^{2}}}} , où l {\displaystyle l} est la longueur focale, g {\displaystyle g} la constante gravitationnelle au lieu considéré et ω {\displaystyle \omega } la vitesse angulaire du miroir.

Miroir elliptique

Un miroir elliptique épouse la forme d'un ellipsoïde de révolution. On utilise des miroirs elliptiques concaves pour former un faisceau lumineux convergent, par exemple dans les lanternes de projecteurs de cinéma^{[réf. souhaitée]}.

En effet, un rayon partant d'un foyer de l'ellipse est réfléchi vers l'autre foyer — il s'agit là des foyers au sens géométrique, et non pas du foyer optique, conjugué d'un point à l'infini —, un tel miroir n'est d'ailleurs stigmatique que pour cette conjugaison^18,22.

Ainsi, on place la lampe à un des foyers et le centre optique de l'objectif à l'autre foyer, ce qui permet de concentrer le flux de lumière.

Miroir hyperbolique

Un miroir hyperbolique épouse la forme d'un hyperboloïde de révolution. Dans ce cas, un rayon partant d'un foyer de l'hyperbole est réfléchi de sorte qu'il semble provenir de l'autre foyer — il s'agit là des foyers au sens géométrique, et non pas du foyer optique, conjugué d'un point à l'infini —, un tel miroir n'est d'ailleurs stigmatique que pour cette conjugaison^18,22.

Miroir freeform

Applications

Astronomie

Télescope réflecteur

• 

  Télescope de Schmidt.

• 

  Télescope à miroirs multiples hexagonaux.

Les télescopes à miroirs ont permis de résoudre les problèmes liés aux aberrations chromatiques connus avec les télescopes à lentille²³. Ces télescopes sont également intéressants dans le sens où la grande taille des miroirs utilisés permet de collecter une grande quantité de lumière, et ainsi d'améliorer les images obtenues et d'observer des objets plus lointains²⁴.

On utilise en général un miroir primaire concave de grande taille, afin de collecter et focaliser la lumière incidente sur un miroir secondaire, plus petit, qui la redirigera vers l'observateur.

L'utilisation des miroirs dans ce domaine requiert une très bonne qualité du polissage, en particulier en ce qui concerne la rugosité. En effet, une rugosité trop importante à la surface du miroir favorise le phénomène de diffusion, ce qui engendre une perte de contraste²⁵.

On préfère utiliser un miroir primaire parabolique, puisqu'un tel miroir est stigmatique pour un objet à l'infini²⁶, ce qui est le cas lorsqu'on observe un astre très éloigné.

Optique adaptative

Lors d'une observation avec un télescope au sol, les turbulences atmosphériques perturbent le front d'onde de la lumière provenant de l'astre observé, ceci limite la résolution de l'instrument et la qualité de l'image. On peut s'affranchir de ce problème en corrigeant en temps réel le front d'onde à l'aide d'un miroir déformable²⁷.

Photographie

Les objectifs photographiques utilisant à la fois des lentilles et des miroirs, appelés objectifs catadioptriques sont apparus dès les années 1960²⁸.

Leurs principaux avantages sont²⁹ :

• correction des aberrations chromatiques
• compacité
• coût faible

Leurs principales limites sont :

• luminosité faible et non contrôlable (pas de diaphragme)

• 

  Objectif photographique à miroir.

Notes et références

• (en)A History of Chinese Science and Technology, Volume 1, publié par Yongxiang Lu sur Google Livres
• (en)http://journals.lww.com/optvissci/Fulltext/2006/10000/History_of_Mirrors_Dating_Back_8000_Years.17.aspx [archive]
• « Fabrication des miroirs : d'hier à aujourd'hui » [archive], sur Futura (consulté le 18 août 2020).
• (en)Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing sur Google Livres
• (en)Isaac Newton: adventurer in thought sur Google Livres
• Comptes rendus des séances de l'Académie des Sciences, Volume 18 ; Volume 47 sur Google Livres
• (en) Beckmann et Spizzichino, The scattering of electromagnetic waves from rough surfaces, New York, V. A. Fock and J. R. Wait, coll. « International Series of Monographs on Electromagnetic Waves », 1963, 503 p.
• (en)Electrodeposition of Alloys: Principles and Practice, par Abner Brenner sur Google Livres
• (en)http://www.mirrorlink.org/tech/manufacture.htm [archive]
• http://www.fsg.ulaval.ca/opus/physique534/complements/techFab.shtml [archive]
• (en)Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing sur Google Livres
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• http://serge.bertorello.free.fr/vide/vide.html [archive]
• http://aluminium.matter.org.uk/content/html/fre/default.asp?catid=105&pageid=2144416141 [archive]
• Metrologie des Surfaces sur Google Livres
• http://serge.bertorello.free.fr/plan/plan.html#controle [archive]
• Horst Stöcker, Francis Jundt, Georges Guillaume, "Toute la physique", Dunod, 1999
• (en)Geometry, par David A. Brannan, Matthew F. Esplen, Jeremy J. Gray sur Google Livres
• http://physique.merici.ca/ondes/chap5.pdf [archive]
• Dictionnaire de physique, par Mr Richard Taillet, Mr Pascal Febvre, Mr Loïc Villain sur Google Livres
• Chap.3 - Systèmes centrés - Miroirs sphériques sur Google Livres
• Optique géométrique, par Tamer Becherrawy sur Google Livres
• (en)The History of the Telescope sur Google Livres
• « Les différents types de télescopes » [archive], sur astrofiles.net, 5 juin 2019 (consulté le 18 août 2020).
• (en)Amateur Telescope Making, publié par Stephen Tonkin sur Google Livres
• http://www.optique-ingenieur.org/fr/cours/OPI_fr_M03_C01/co/Contenu_08.html [archive]
• Astronomie et astrophysique : cinq grandes idées pour explorer et comprendre ... Par Marc Séguin,Benoît Villeneuve sur Google Livres
• (en)Field & Stream sur Google Livres

Articles connexes

• Optique géométrique
• Stigmatisme

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