Thèse soutenue

Interréflexions lumineuses sur surface structurée : influence de la structure de surface, du matériau et de l’éclairage sur la couleur

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Auteur / Autrice : Dorian Saint-Pierre
Direction : Mathieu HébertLionel Simonot
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Optique, Photonique
Date : Soutenance le 19/11/2020
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
Jury : Président / Présidente : Stéphane Jacquemoud
Examinateurs / Examinatrices : Christine Andraud
Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Zerrad, Daniel Méneveaux

Résumé

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Les interréflexions lumineuses sont un phénomène optique relativement peu étudié, qui se produit sur les surfaces non-planes, plus précisément dans leurs concavités petites ou grandes, et qui affecte de manière sensible leur apparence colorée : chaque point éclairé dans une concavité de la surface rééclaire à son tour les autres points de la cavité. Ce processus d'éclairage mutuel peut se produire indéfiniment si la surface est diffusante. Il est crucial de prendre en compte un très grand nombre de réflexions successives pour correctement prédire l’apparence de matériaux structurés, par exemple dans le cas de l’impression 3D. Nous proposons des modèles permettant de décrire ces interréflexions avec des résolutions quasi-analytiques, moyennant l’hypothèse forte d’une surface striée périodique, formée de cavités en V infiniment longues, identiques et parallèles, faite d’un matériau opaque. Trois types de modèle d’interréflexions ont été étudiés : matériaux Lambertiens, spéculaires, et Lambertiens interfacé. Les résultats des modèles ont permis d’analyser en profondeur l’influence de la forme, de la géométrie d’éclairage, et du matériau sur la couleur et la luminosité perçue. Le modèle Lambertien met en évidence un gain de luminance et de chroma dans le cas de matériau diffusants hautement réfléchissants, qui peut cependant disparaitre selon le type d’éclairage considéré. Le modèle spéculaire met en évidence la saturation de la couleur en fonction du nombre de réflexions, et l’influence du changement de polarisation sur cette même couleur perçue. Le modèle Lambertien avec interface propose une approche pour des matériaux plus réalistes et montre une différence modeste avec les prédictions du modèle Lambertien pur. Ces modèles forment une boite à outil très utile pour se faire une idée des paramètres influant sur la couleur, a quelle évolution de couleur s'attendre, dans quelle mesure leur influence est significative, et de savoir expliquer les raisons physiques de ces évolutions. Les évolutions décrites peuvent, elles, se généraliser à des structures surfaces plus complexes que celles que nous avons effectivement étudiées.