Les mécanisme d'absorption -réflexion d'une onde électromagnétisme
peuvent s'expliquer par les lois de la mécanique classique (celle des
ondes électromagnétiques) ou les lois de la mécanique
quantique. Attardons nous un instant sur cette dernière approche qui
permet de donner une bonne intuition du phénomène. Une onde
électromagnétique de longueur d'onde peut d'un point de vue
quantique, se voir comme la propagation d'un ensemble de photons
d'énergie
, où
est la constante de plank.
Lorsqu'un photon heurte un électron il y transmet son énergie et
l'électron passe d'un état au repos à un état excité. L'ensemble des
électrons susceptible de changer d'état et la quantité d'énergie que
peut absorber chaque électron dans un milieu donné caractérise les
longueurs d'ondes du champ électromagnétique incident qui seront
absorbées et donc la couleur du milieu.
Le calcul exact du spectre réfléchi requiert donc une connaissance extrêmement précise des caractéristiques du milieu qui est rarement disponible. De plus comme nous l'avons rapidement abordé dans le paragraphe précédent le spectre réfléchie dépend de la géométrie de l'objet qui est souvent connue que d'un point de vue macroscopique quand elle n'est pas totalement inconnue (le plan infini est une abstraction mathématique).
Du fait de ces limitations de nombreux modèles ont été établis afin de rendre compte ne fusse que de façon approximative (voir empirique) des phénomènes de réfraction - absorption.
Il est relativement clair que de nombreux matériaux réfléchissent la lumière de façon très différente. Un pot de céramique et de cuivre auront par exemple des propriétés optiques très différentes. Ces différents types de réflexions seront donc caractérisés par différents modèles décrivant différent types de matériaux. On distingue notamment [Sha85,Hea89,Hun75] :
Notez que les points 1 et 2 indiquent si le phénomène de réflexion est un phénomène de surface. Les points 3 et 4 décomposent les matériaux en fonction des phénomènes optiques se produisant à l'intérieur de ceux ci.
Un autre paramètre important d'une surface est sa rugosité. Ainsi, des matériaux homogènes et parfaitement lisses réfléchissent la lumière dans une direction symétrique au rayon incident par rapport à la normale. Ce phénomène est appelé une réflexion spéculaire. Inversement des matériaux homogènes plus rugueux diffusent la lumière autour de la réflexion spéculaire. L'ensemble des rayons réfléchis est appelé le lobe spéculaire.
L'électromagnétisme permet de décrire les propriétés optiques d'un
matériau à l'aide des constantes ,
et
décrivant
respectivement la perméabilité magnétique, la permittivité électrique
et la conductivité du matériau (Table 2.1). Les
propriétés optiques d'un matériau peuvent également être résumées à
l'aide d'une seule variable appelée l'indice complexe de
réfraction et noté
où
et
sont deux réels. La
constante
est appelée la part réfractive de
. Dans des
matériaux n'atténuant pas le signal (
), la constante
est
égale au rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et dans
le matériau. La constante
est directement impliquée dans
l'atténuation de l'onde électromagnétique dans le matériau. En effet
l'irradiance d'une onde planaire de fréquence
de direction
qui heurte le plan
est égale à :
Cette atténuation de l'énergie de l'onde incidente ce fait au bénéfice
de l'apparition d'un courant appelé courant de surface. La
profondeur
est appelé la profondeur de peau du
matériau. Les constantes
et
peuvent être calculée en
fonction de
et
en utilisant les lois de
Maxwell [SH81] :
Un dernier paramètre fondamental dans la description de la réflexion
d'une onde électromagnétique est le Coefficient de
Fresnel qui décrit la fraction de
l'onde incidente réfléchie par la surface d'un matériau. Dans le cas
d'un matériau isotropique et homogène, la réflexion d'une onde non
polarisée heurtant une surface lisse avec un angle produit un
coefficient de Fresnel égal à :
Les termes
et
peuvent se déduire de la
théorie des ondes électromagnétiques. Toutefois la forme explicite de
ces termes n'étant pas utile pour la suite de ce document nous nous
contenterons de noter que
et
peuvent
s'exprimer sous forme d'une fraction de termes dépendant de
,
et
.