Photométrie -Photometria

Photometria est un livre sur la mesure de la lumière de Johann Heinrich Lambert publié en 1760. Il établit un système complet de grandeurs et de principes photométriques ; les utiliser pour mesurer les propriétés optiques des matériaux, quantifier les aspects de la vision et calculer l'éclairage.

Page de titre de la photométrie de Lambert

Contenu de Photométrie

Écrit en latin, le titre du livre est un mot Lambert dérivé du grec : φῶς, φωτος (translittéré phôs, photos) = lumière et μετρια (translittéré metria) = mesure. Le mot de Lambert a trouvé sa place dans les langues européennes comme photométrie, photométrie, fotometria. Photometria a été le premier ouvrage à identifier avec précision les concepts photométriques les plus fondamentaux, à les assembler en un système cohérent de quantités photométriques, à définir ces quantités avec une précision suffisante pour un énoncé mathématique et à construire à partir d'eux un système de principes photométriques. Ces concepts, quantités et principes sont encore utilisés aujourd'hui.

Lambert a commencé avec deux axiomes simples : la lumière voyage en ligne droite dans un milieu uniforme et les rayons qui se croisent n'interagissent pas. Comme Kepler avant lui, il a reconnu que les « lois » de la photométrie ne sont que des conséquences et découlent directement de ces deux hypothèses. De cette façon, Photometria a démontré (plutôt que supposé) que

  1. L'éclairement varie en raison inverse du carré de la distance à une source lumineuse ponctuelle,
  2. L'éclairement sur une surface varie comme le cosinus de l'angle d'incidence mesuré à partir de la perpendiculaire à la surface, et
  3. La lumière décroît de façon exponentielle dans un milieu absorbant.

De plus, Lambert a postulé une surface qui émet de la lumière (soit sous forme de source, soit par réflexion) d'une manière telle que la densité de lumière émise (intensité lumineuse) varie comme le cosinus de l'angle mesuré à partir de la perpendiculaire à la surface. Dans le cas d'une surface réfléchissante, cette forme d'émission est supposée être le cas, quelle que soit la direction incidente de la lumière. De telles surfaces sont maintenant appelées « parfaitement diffuses » ou « lambertiennes ». Voir: réflectance lambertienne , émetteur Lambertian

Lambert a démontré ces principes de la seule manière disponible à l'époque : en concevant des arrangements optiques souvent ingénieux qui pouvaient faire apparaître deux champs lumineux immédiatement adjacents également brillants (ce qui ne pouvait être déterminé que par observation visuelle), lorsque deux quantités physiques qui produisaient les deux les champs étaient inégaux d'une certaine quantité (des choses qui pouvaient être mesurées directement, comme l'angle ou la distance). De cette façon, Lambert a quantifié des propriétés purement visuelles (telles que la puissance lumineuse, l'éclairage, la transparence, la réflectivité) en les reliant à des paramètres physiques (tels que la distance, l'angle, la puissance de rayonnement et la couleur). Aujourd'hui, c'est ce qu'on appelle la « photométrie visuelle ». Lambert a été parmi les premiers à accompagner les mesures expérimentales d'estimations d'incertitudes basées sur une théorie des erreurs et ce qu'il a déterminé expérimentalement comme les limites de l'évaluation visuelle.

Bien que les ouvriers précédents aient prononcé les lois photométriques 1 et 3, Lambert a établi la seconde et a ajouté le concept de surfaces parfaitement diffuses. Mais plus important encore, comme l'a souligné Anding dans sa traduction allemande de Photometria , « Lambert avait des idées incomparablement plus claires sur la photométrie » et a établi avec elles un système complet de quantités photométriques. Sur la base des trois lois de la photométrie et de la supposition de surfaces parfaitement diffuses, Photometria a développé et démontré ce qui suit :

1. Juste des différences notables
Dans la première section de Photometria , Lambert a établi et démontré les lois de la photométrie. Il l'a fait avec la photométrie visuelle et pour établir les incertitudes impliquées, a décrit ses limites approximatives en déterminant la petite différence de luminosité que le système visuel pouvait déterminer.
Un exemple de photométrie visuelle de Photometria . L'écran vertical produit le champ EFDC éclairé par la seule bougie et le champ adjacent GFDB éclairé par deux bougies. Les distances des bougies sont modifiées jusqu'à ce que la luminosité de chaque côté de FD soit la même. Le pouvoir éclairant relatif peut alors être déterminé à partir des distances des bougies.
2. Réflectance et transmittance du verre et d'autres matériaux courants
À l'aide de la photométrie visuelle, Lambert a présenté les résultats de nombreuses déterminations expérimentales de la réflectance spéculaire et diffuse, ainsi que de la transmittance des vitres et des lentilles. L'une des expériences les plus ingénieuses qu'il a menées était celle de déterminer la réflectance de la surface intérieure d'une vitre.
3. Transfert radiatif lumineux entre les surfaces
En supposant des surfaces diffuses et les trois lois de la photométrie, Lambert a utilisé le calcul pour trouver le transfert de lumière entre des surfaces de différentes tailles, formes et orientations. Il est à l'origine du concept de transfert de flux par unité entre les surfaces et dans Photometria a montré la forme fermée pour de nombreuses intégrales doubles, triples et quadruples qui ont donné les équations pour de nombreux arrangements géométriques différents de surfaces. Aujourd'hui, ces quantités fondamentales sont appelées facteurs de vue, facteurs de forme ou facteurs de configuration et sont utilisées dans le transfert de chaleur radiative et dans l'infographie .
4. Luminosité et taille de la pupille
Lambert a mesuré son propre diamètre de pupille en le regardant dans un miroir. Il mesurait le changement de diamètre en observant une partie plus ou moins grande de la flamme d'une bougie. Il s'agit de la première tentative connue de quantification du réflexe pupillaire à la lumière .
5. Réfraction et absorption atmosphériques
Utilisant les lois de la photométrie et beaucoup de géométrie, Lambert a calculé les heures et les profondeurs du crépuscule.
6. Photométrie astronomique
En supposant que les planètes avaient des surfaces réfléchissantes de manière diffuse, Lambert a tenté de déterminer la quantité de leur réflectance, compte tenu de leur luminosité relative et de leur distance connue du soleil. Un siècle plus tard, Zöllner a étudié la photométrie et a repris là où Lambert s'était arrêté et a lancé le domaine de l'astrophysique.
7. Démonstration du mélange additif des couleurs et de la colorimétrie
Lambert a été le premier à enregistrer les résultats du mélange additif des couleurs . Par transmission et réflexion simultanées à partir d'une vitre, il superpose les images de deux plaques de papier de couleurs différentes et note la couleur additive résultante.
8. Calculs d'éclairage naturel
En supposant que le ciel était un dôme lumineux, Lambert a calculé l'éclairage par une lucarne à travers une fenêtre, et la lumière obstruée et réfléchie par les murs et les cloisons.

Nature de la photométrie

Le livre de Lambert est fondamentalement expérimental. Les quarante expériences décrites dans Photometria ont été menées par Lambert entre 1755 et 1760, après qu'il eut décidé d'écrire un traité sur la mesure de la lumière. Son intérêt pour l'acquisition de données expérimentales couvrait plusieurs domaines : l'optique, la thermométrie, la pyrométrie, l'hydrométrie et le magnétisme. Cet intérêt pour les données expérimentales et leur analyse, si évident dans Photometria , est également présent dans d'autres articles et livres produits par Lambert. Pour son travail d'optique, un équipement extrêmement limité suffit : quelques vitres, lentilles convexes et concaves, miroirs, prismes, papier et carton, pigments, bougies et moyens de mesurer distances et angles.

Le livre de Lambert est aussi mathématique. Même s'il savait que la nature physique de la lumière était inconnue (il faudrait 150 ans avant que la dualité onde-particule ne soit établie), il était certain que l'interaction de la lumière avec les matériaux et son effet sur la vision pouvaient être quantifiés. Les mathématiques étaient pour Lambert non seulement indispensables à cette quantification mais aussi le signe indiscutable de la rigueur. Il a largement utilisé l'algèbre linéaire et le calcul avec une confiance factuelle qui était rare dans les travaux optiques de l'époque. Sur cette base, Photometria n'est certainement pas caractéristique des œuvres du milieu du XVIIIe siècle.

Rédaction et publication de Photometria

Lambert a commencé à mener des expériences photométriques en 1755 et en août 1757, il disposait de suffisamment de matériel pour commencer à écrire. D'après les références de Photometria et le catalogue de sa bibliothèque vendu aux enchères après sa mort, il est clair que Lambert a consulté les œuvres optiques de Newton, Bouguer, Euler, Huygens, Smith et Kästner. Il termina Photometria à Augsbourg en février 1760 et l'imprimeur avait le livre disponible en juin 1760.

Maria Jakobina Klett (1709-1795) était propriétaire d'Eberhard Klett Verlag, l'un des plus importants « éditeurs protestants » d'Augsbourg. Elle a publié de nombreux ouvrages techniques, dont Lambert's Photometria , et 10 de ses autres ouvrages. Klett a utilisé Christoph Peter Detleffsen (1731-1774) pour imprimer Photometria . Sa première et unique impression était évidemment petite, et en 10 ans, les exemplaires étaient difficiles à obtenir. Dans l'étude d'optique de Joseph Priestley de 1772, « Lambert's Photometrie » figure dans la liste des livres non encore acquis. Priestley fait une référence spécifique à Photometria ; que c'était un livre important mais introuvable.

Une traduction allemande abrégée de Photometria est parue en 1892, une traduction française en 1997, et une traduction anglaise en 2000.

Influence ultérieure

La photométrie présentait des avancées significatives et c'est peut-être pour cette raison même que son apparition fut accueillie avec l'indifférence générale. La question optique centrale au milieu du XVIIIe siècle était : quelle est la nature de la lumière ? Le travail de Lambert n'était pas du tout lié à cette question et Photometria n'a donc reçu aucune évaluation systématique immédiate et n'a pas été incorporée dans le courant dominant de la science optique. La première évaluation de Photometria est apparue en 1776 dans la traduction allemande de Georg Klügel de l'étude d'optique de Priestley de 1772. Un remaniement et une annotation élaborés sont apparus en 1777. La photométrie n'a été sérieusement évaluée et utilisée que près d'un siècle après sa publication, lorsque la science de l'astronomie et le commerce de l'éclairage au gaz ont eu besoin de photométrie. Cinquante ans plus tard, Illuminating Engineering a utilisé les résultats de Lambert comme base pour les calculs d'éclairage qui ont accompagné la grande étendue de l'éclairage au début du 20e siècle. Cinquante ans plus tard, l'infographie a repris les résultats de Lambert comme base des calculs de radiosité nécessaires pour produire des rendus architecturaux. Photometria a eu une influence significative, bien que longtemps différée, sur la technologie et le commerce une fois que la révolution industrielle était bien engagée, et c'est la raison pour laquelle c'était l'un des livres répertoriés dans Printing and the Mind of Man .

Voir également

Les références

  1. ^ Lambert, Johann Heinrich, Photometria, sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae , Augsbourg : Eberhard Klett, 1760.
  2. ^ Mach, E., Les principes de l'optique physique : un traitement historique et philosophique , trad. JS Anderson et AFA Young, Dutton, New York, 1926.
  3. ^ Sheynin, OB, "Le travail de JH Lambert sur la probabilité," Archive for History of Exact Sciences, vol. 7, 1971, p. 244-256.
  4. ^ Gal, O. et Chen-Morris, R., "L'archéologie de la loi carrée inverse", History Science , Vol 43, décembre 2005 pp. 391-414.
  5. ^ Ariotti, PE et Marcolongo, FJ, "La loi de l'illumination avant Bouguer (1720)", Annals of Science , Vol. 33, n°4, pp 331-340.
  6. ^ a b Anding, E., Lambert's Photometrie , No. 31, 32, 33 of Ostwald's Klassiker der Exakten Wissenschaften , Engelmann, Leipzig, 1892.
  7. ^ Zöllner, JCF, Photometrische Untersuchungen mit Besonderer Rücksicht auf die Physische Beschaffenheit der Himmelskörper, Leipzig, 1865.
  8. ^ Rood ON, Modern Chromatics , Appleton, New York, 1879, pp. 109-139.
  9. ^ Lambert, JH, Pyrometrie oder vom Maaße des Feuers und der Wärme , Berlin, 1779.
  10. ^ Buchwald, JZ, The Rise of the Wave Theory of Light , Chicago, 1989, p. 3
  11. ^ Bopp, K., "Johann Heinrich Lamberts Monatsbuch," Abhandlungen der Königlich Bayerischen Akademie der Wissenshaften, Mathematisch-physikalische Klasse, XXVII. Bande 6. Munich, 1916.
  12. ^ Verzeichniß der Bücher und Instrumente, weich der verstorbene Köinig. Ober Baurath et professeur Herr Heinrich Lambert hinterlassen hat, und die den Weistbiethenden sollen verkauft werden. Berlin, 1778.
  13. ^ Priestly, J., L'histoire et l'état actuel des découvertes relatives à la vision, la lumière et les couleurs , Londres, 1772
  14. ^ Boye, J., J. Couty, et M. Saillard, Photométrie ou de la Mesure et de la Gradation de la lumière, des couleurs et de l'Ombre , L'Harmattan, Paris, 1997.
  15. ^ DiLaura, DL , Photométrie, ou, Sur la mesure et les gradations de la lumière, des couleurs et de l'ombre , Traduit du latin par David L. DiLaura. New York, Illuminating Engineering Society, 2001.
  16. ^ Klügel, GS, Geschichte und gegenwärtiger zustand der Optik nach der Englischen Priestelys bearbeitet , Leipzig, 1776, pp. 312-327.
  17. ^ Karsten, WJG, Lehrbegrif der gesamten Mathématiques; Der Achte Theil, Die Photometrie, Greifswald, 1777.
  18. ^ DiLaura, DL, « Mesure de la lumière : une histoire de la photométrie industrielle jusqu'en 1909 », LEUKOS , janvier 2005, vol 1, n° 3, pp. 75-149.
  19. ^ Yamauti, Z., « Étude approfondie du calcul géométrique de l'éclairage dû à la lumière provenant de sources de surface lumineuses de forme simple », Recherches du laboratoire électrotechnique , n° 194, Tokyo, 1927, n. 1, p. 3.

Liens externes