Images de la
polarisation de la lumière
avec un appareil photographique numérique
Multispectral
polarimetry with a DSLR
English summary: This page presents an example of multispectral polarimetric analysis of a scene. The images, acquired with three polarization angle at 120°, are combined under Iris. The degree of polarization is calculated for the three colors channel red, green and blue, which produces a multispectral image of polarization. The instrument is a simple Digital SLR Canon E0S 5D equipped with a Canon zoom 28-80 mm f2.8-4L. The polarizing filter is a Hoya. Among the applications we have quote remote sensing and astronomy (measure of dust density in the interstellar medium, magnetic field detection, texture of surface planet...). The page is completer by an infrared observation of the same scene with the same setup.
La polarisation est une caractéristique de la lumière souvent discrète, mais révélatrice de phénomènes dont sont par exemple friand les spécialistes de la télédétection spatiale, qui y trouve moyen d'évaluer l'état de santé d'un couvert végétal ou de repérer la présence d'aérosol dans l'atmosphère. Les astronomes s'intéressent aussi à la polarisation. Sa mesure permet d'évaluer par exemple la quantité de poussières dans le milieu interstellaire ou la chevelure d'une comète, d'estimer le champ magnétique (les poussières s'orientent dans un tel champ) ou encore, d'analyser à distance la texture du sol d'une lointaine planète.
Les appareils photographiques numériques permettent aujourd'hui d'enregistrer relativement facilement et avec précision les phénomènes polarimétriques. Qui plus est, ces appareils capturant simultanément l'information spectrale sous la forme de canaux rouge, vert et bleu, on dispose d'un système compact d'analyse extraordinairement performant de toutes les propriétés de la lumière (analyse polarimétrique multispectrale).
La polarisation est bien connue des photographes, qui l'utilisent pour assombrir le ciel ou éliminer des reflets parasites sur une surface vitrée. On montre dans cette page une exploitation des appareils photographes numériques pour extraire les caractéristiques spectrales de la polarisation sur une scène de la vie courante : un simple paysage. C'est déjà là une application avancée, qu'il est remarquable de pouvoir mener avec un matériel commercial aujourd'hui si commun.
Le reflex numérique est un Canon EOS 5D. L'objectif est un zoom Canon 28-80 mm f/2.8-4L. Le filtre polarisant linéaire, monté devant l'objectif, est de marque Hoya. Trois prises de vue sont réalisées successivement en tournant entre chacune d'elle le filtre polarisant de 120°. L'appareil est monté sur un trépied et le déclenchement est réalisé avec une commande électrique pour éviter de décaler les images entre les vues. Malgré ces précautions, pour un travail de haute précision, il demeure nécessaire de recentrer les trois images en post-traitement à une fraction de pixel près. On a utilisé le logiciel Iris pour cela (les décalages entre images constatés ne sont que de quelques dixièmes de pixels).
Pour la prise de vue il est important qu'entre les images le signal relatif de la scène enregistré soit respecté. Cela signifie qu'il faut travailler à vitesse constante et diaphragme constant, c'est à dire en mode Manuel. Il est aussi impératif de travailler en mode RAW pour avoir une relation linéaire entre le signal entrant et le signal enregistré.
Les images ci-après montrent, à gauche, la vue normale en couleur, à droite, l'image polarimétrique. Plus l'intensité est importante dans cette dernière, plus la lumière reçue est polarisée. Si on outre un détail apparaît en rouge dans cette carte de la polarisation, cela signifie que la polarisation affecte les photons rouges au détriment des photons verts et bleus.
On remarque la très forte polarisation du ciel et des nuages, surtout dans la partie rouge-jaune du spectre. Le contraste des nuages est considérablement accentué. Les murs de facades ont en revanche un taux de polarisation quasi nul : ils apparaissent noir. Les vitrages polarisent en revanche fortement la scène qui s'y reflète. La peinture des volets, en bas à gauche, polarise de manière marquée la partie bleu du spectre. C'est sûrement une propriété des pigments de la peinture utilisée ; propriété qui passe totalement inaperçu dans une image normale. Un soleil très voilé éclairé cette scène de droite à gauche.
Voici un détail de l'image précédente :
Le saule pleureur à gauche
polarise fortement la lumière dans le bleu, alors que le cyprée, à droite du
centre, polarise la lumière plutôt dans le rouge. On peut noter encore les
caractéristiques polarimétriques du bitume de la route et de la peinture des
poteaux d'éclairages.
Annexe : comment calculer l'image de la polarisation ?
Il faut tout d'abord acquérir trois images en tournant chaque fois le polariseur de 120° dans sa monture circulaire :
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On traite ensuite les couches rouge, vert et bleu individuellement. Ces couches sont séparées sous Iris en utilisant par exemple la commande SPLIT_RGB. Par exemple, si P0, P120 et P240 sont les 3 images couleur de départ, on fait :
>LOAD P0
>SPLIT_RGB R1 V1 B1
>LOAD
P120
>SPLIT_RGB R2 V2 B2
>LOAD P0
>SPLIT_RGB R2 V2 B2
Voici par exemple ci-après les images R1, R2,
R3 à partir desquelles on va calculer le taux de polarisation dans la bande
rouge du spectre :
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Pour obtenir l'image du taux de polarisation dans la bande rouge, on utilise la commande POLAR de Iris (pour plus de détail, cliquer ici) :
>POLAR R1 R2 R3 PR AR 1000
L'image PR contient le taux de polarisation, l'image AR contient l'angle de polarisation (non utilisé ici) et le facteur 1000 permet d'ajuster l'échelle d'intensité de la carte du taux.
On fait de même pour les canaux vert et bleu :
>POLAR V1 V2 V3 PV AV 1000
>POLAR
B1 B2 B3 PB AB 1000
Voici le résultat :
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Finalement, on combine les images PR, PV et PB pour obtenir une image couleur de la polarisation :
>TRICHRO PR PV PB
Image
polarimétrique multispectrale.
Complément : image infrarouge
En complément voici la même scène observée en infrarouge dans les mêmes conditions. L'image infrarouge proprement dit est réalisée en disposant une gélatine Wratten 87 à l'arrière de l'objectif. La pose est de 30 secondes à 1000 ISO et f/5.6. Pour synthétiser la vue infrarouge ci-dessous, on remplace la couche R d'une vue normale par l'image infrarouge (IR).
La forte réflectivité de végétaux dans l'infrarouge est particulièrement bien mise en évidence.
