Qu'est-ce que la projection ? À travers la découverte des principes optiques qui permettent ce phénomène, nous verrons dans quelles conditions elle peut apparaître et comment elle traduit l'objet en une image.

Les corps visibles

Un corps est visible à partir du moment où il nous renvoie de la lumière. Il peut soit l’émettre, comme le soleil, une bougie ou une lampe, soit la réfléchir, comme la majorité des corps qui nous entourent. Les premiers sont dits "sources primaires" : ils consomment une énergie qu’ils transforment en une émission lumineuse, alors que les seconds sont dits "secondaires", car ils réagissent à une lumière déjà émise. Ces derniers sont plus ou moins opaques ou transparents. Les corps opaques renvoient plus de lumière qu’ils n’en laissent passer : une feuille, un livre, notre corps humain..., alors que les corps transparents laissent traverser cette lumière en modifiant ses caractéristiques. Mais chaque corps est à la fois opaque et transparent : il renvoie la lumière qu’il reçoit et en laissant passer une partie ; aucun corps n’est parfaitement opaque ou transparent. Si vous placez une lampe torche derrière votre doigt, vous pourrez constater que bien qu’opaque, il laisse passer une partie de cette lumière. Il la diffuse aussi, comme une feuille de papier-calque, à la fois transparente et diffusante.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, émission et réflexion de la lumièreÉclairement d’une sphère par source diffuse.

Rayons et objets

Pour que la vision d’un objet s’opère, notre œil doit recevoir les rayons émis ou renvoyés par l’objet. L’expérience quotidienne de la vision consiste majoritairement à regarder des objets opaques éclairés plutôt que les sources elles-mêmes. Les sources illuminent certaines faces des objets en générant des ombres sur eux-mêmes et sur les objets environnants. Les ombres de l’objet sur lui-même permettent de comprendre son volume à travers les passages du clair à l’obscur. Les ombres projetées sur les objets environnants permettent de situer les objets les uns par rapport aux autres.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, émission et réflexion de la lumière, phénomènes d'ombreÉclairement d’une pyramide posée au sol par une source ponctuelle

Les ombres projetées sont l’image projetée de l’objet éclairé sur les autres objets situés dans la trajectoire des rayons. On appelle cela une projection directe. Si la source est ponctuelle, l’image projetée sera nette ; si la source est étalée, l’image sera diffuse. Les dessinateurs perspectivistes de la Renaissance avaient à cœur de décrire cette projection directe des ombres qui génère ce sentiment de volume dans l’image.

Le flux lumineux

La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent et son trajet est identique quel que soit son sens de propagation : c’est ce que l’on nomme le principe de retour inverse. La trajectoire d’un rayon ne dépend pas de son sens. Le faisceau ou flux lumineux est un ensemble de rayons  ; il peut être divergent, parallèle ou convergent. Une source de lumière telle qu’une lampe ou une étoile émet un flux divergent puisque les rayons sont émis dans toutes les directions depuis la source.
Mais depuis notre point de vue de Terrien, les rayons du soleil nous semblent tous parallèles. Il s’agit d’une question d’échelle. À une distance très grande de la source, le flux de rayons semblera parallèle. À l’inverse, un flux convergent est un flux qui se focalise en un point : la loupe qui focalise les rayons du soleil est un exemple.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, émission et réflexion de la lumière, différents types de faisceaux lumineuxFaisceau divergent / faisceau parallèle / faisceau convergent.

Réflexion

La réflexion concerne donc les objets opaques qui vont nous renvoyer la lumière qu’ils reçoivent. Elle peut se faire de deux manières différentes : diffuse ou spéculaire.

Nous savons que chaque corps est à la fois opaque et transparent : une partie de la lumière reçue est réfléchie et une autre est transmise. Regardons dans le détail cette interaction entre lumière et objet pour découvrir les spécificités de la réflexion ou de la transmission.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la réflexion de la lumièreRéflexion diffuse / réflexion spéculaire.

La réflexion diffuse réfléchit les rayons incidents dans toutes les directions. Cela offre alors la même perception de l’objet, quel que soit le point de vue. 90 % des matériaux réagissent à lumière de cette manière, car leur surface présente des aspérités.

La réflexion spéculaire renvoie les rayons incidents avec un angle opposé. Cela entraîne une perception différente de l’objet suivant l'environnement qui le réfléchit. Le phénomène apparaît sur les surfaces bien polies, comme les miroirs, qui apparaissent différemment selon notre point de vue.

Miroir

Ce sont ces matériaux spéculaires qui vont particulièrement nous intéresser, car ils génèrent des phénomènes optiques particuliers. Les miroirs, qui peuvent être plats ou courbés, peuvent organiser le flux lumineux de manière divergente, parallèle ou convergente dans certaines conditions.

Par exemple, un miroir sphérique est constitué d’une portion de sphère réfléchissante dans sa partie intérieure. Si l’on place une source lumineuse en son centre, tous les rayons qui atteignent les parois sont réfléchis d’où ils proviennent, à la source, car ils arrivent perpendiculairement. Les rayons reviennent sur eux-mêmes et se reconcentrent au niveau du centre. Ainsi, une partie du flux émis divergent émis par la lampe redevient convergent.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la réflexion de la lumièreRéflexion d’une source lumineuse au foyer par un miroir sphérique

Autre exemple, un miroir parabolique est, lui, constitué d’un fragment d’une parabole miroitante, dont une des propriétés est d’admettre un centre où tous les rayons émis sont réfléchis dans une même direction.

On peut ainsi générer un flux parallèle à partir d’un flux divergent. Cette propriété est particulièrement intéressante pour les dispositifs de projections qui nécessitent souvent d’organiser un flux parallèle.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la réflexion de la lumièreRéflexion d’une source lumineuse au foyer par un miroir parabolique

Réfraction

La réfraction concerne les objets transparents qui laissent passer la lumière qu’ils reçoivent. Comme pour la réflexion, les matériaux peuvent réagir de deux façons différentes : directe ou diffuse.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la réfraction de la lumièreRéfraction diffuse / réfraction parfaite.

La réfraction diffuse disperse les rayons transmis dans toutes les directions. Le phénomène est présent dans tous les matériaux de la nature.

La réfraction parfaite, que l’on désigne souvent uniquement par "réfraction", entraîne une déviation des rayons incidents dont l’angle varie suivant la nature des deux milieux. On voit apparaître ce phénomène si le second milieu transparent n’est pas diffusant, comme l’eau, le verre, le silicone, certains plastiques... Les lentilles, composantes primordiales des appareils de projection, jouent le rôle de réfracteur de lumière.

À partir des précédentes descriptions, on peut alors se représenter toutes les composantes de réflexion et de réfraction qui interviennent lors de l’interaction entre un faisceau et un objet. Chaque matériau réagira de manière différente, en privilégiant l’un des phénomènes, ce qui constituera ses propres qualités visuelles.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la réfraction de la lumièreRéflexions et réfractions des rayons au contact d’un second milieu

Prismes et lentilles

Une lentille est constituée d’un matériau transparent délimité par deux surfaces courbes ou planes. Lorsqu’un faisceau incident rencontre la surface de la lentille, l’essentiel traverse le verre et est réfracté à l’intérieur du verre. Ces rayons déviés changent une seconde fois d’orientation lorsqu’ils sortent du verre. Ainsi, entre l’entrée et la sortie du verre, ils changent deux fois de milieu ; ils sont donc réfractés deux fois. Sur le prisme ci-dessous, on peut observer les deux déviations subies par les rayons incidents.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la double réfraction de la lumièreDouble réfraction au passage air-verre et verre-air dans un prisme.

Si un rayon traverse un verre dont les deux faces sont parallèles, il est dévié une première fois au passage en l’entrée du verre et de manière inverse en ressortant dans l’air. Il n’est au final pas dévié, mais simplement légèrement décalé. Ces conditions sont celles d’un rayon qui traverse une vitre, ou bien le milieu d’une lentille, puisqu’en son centre les deux faces de la lentille sont parallèles.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la double réfraction de la lumièreDouble réfraction d’un rayon par un verre à face parallèle

Il existe des lentilles avec des courbures convexes ou concaves qui auront pour effet de faire converger ou diverger le flux lumineux incident.

Les lentilles convergentes possèdent des bords plus étroits que le centre. En raison de la courbure générée et des lois de la réfraction, elles dévient les rayons vers leur axe optique. Un flux lumineux arrivant parallèlement à l’axe optique converge vers un point que l’on appelle foyer. La distance entre le centre optique (approximativement le milieu de la lentille) et le foyer s’appelle la distance focale.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la convergence de la lumièreConvergence des rayons parallèles à l’axe optique

Les lentilles divergentes possèdent des bords plus larges que leur centre, ce qui a pour effet de faire diverger les rayons qui arrivent sur elles. Un flux lumineux parallèle à l’axe optique sera dispersé de façon à s’écarter de l’axe optique. Le foyer, virtuel cette fois, est le lieu où convergent les rayons du côté d'où ils proviennent. Contrairement aux lentilles convergentes, il s’agit d’un foyer virtuel : il permet de déterminer la déviation des rayons, mais ce n’est pas un lieu où se concentre réellement la lumière.

Comprendre les principes de la projection en optique, 1, la divergence de la lumièreDivergence de rayons parallèles à l’axe optique.

Conclusion

La réflexion et la réfraction permettent de comprendre comment les sources lumineuses et les objets peuvent interagir avec la lumière. Par la réflexion spéculaire ou la réfraction parfaite, les miroirs et les lentilles montrent des comportements très spécifiques à la lumière. C’est à partir de ces caractéristiques que l’on va pouvoir envisager la conception de projecteurs, car ces phénomènes permettent d’orienter le flux lumineux utile à la projection.

We Are Projectors !

WeAreProjectors vise à transmettre le plaisir de la photoprojection aux amateurs d’images. Cette pratique consiste à associer par la projection une image à un support afin de permettre l’expression d’une idée, un message, une représentation. La projection est un moyen extraordinaire de donner une visibilité aux images mais surtout, elle utilise les objets qui nous entourent comme écran potentiel. Tout en faisant apparaître les images, la projection porte le regard sur les objets qui l’ont constitué. Weareprojectors met en avant cette pratique et une culture au croisement de la photographie, du street-art et du hacking. La photographie, car comme la projection, elle est une écriture avec la lumière ; le street-art, car il est un mode d’action libre dans l’espace public ; et le hacking, car elle nécessite la fabrication d’outils adaptés qui s’inclut dans la culture de l’open source et du DIY.
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Clément Briend

Photographe de formation, je suis intéressé à la projection comme phénomène essentiel dans la perception et la formation des images. Ses publications 

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