TPE : La Photographie !
Dans le monde scientifique :
En sciences, les avancées sont permanentes, et se perfectionnent jours après jours. Ainsi, le domaine de la photographie, après avoir offert tant de nouvelles possibilités à sa découverte, en offre aujourd'hui de nouvelles ! Du très grand au tout petit, du thermique ou de l'aquatique, on peut photographier de plus en plus de choses. Mais quelles sont les avancées techniques derrière tout ça ? C'est ce que nous allons maintenant tenter d'expliquer !
Changements d'ergonomie et nouvelles possibilités d'utilisation :
pour aller toujours plus loin
Afin de photographier des éléments dans des conditions toujours plus difficiles, ou pas forcément visibles à l'oeil nu, il faut perfectionner les appareils ! Le changement des matériaux utilisés pour l'enveloppe externe permet ces nouvelles possibilités.
Un appareil est généralement composé de plastique, de verre et d'acier. En effet, leurs propriétés physiques permettent un poids réduit, et des capacités optimales, même si la résistance n'est pas toujours présente.
Voyons donc ensemble les propriétés physiques du plastique !
Le plastique, maintenant utilisé partout et fabriqué synthétiquement (généralement à base de pétrole), est un matériau composite qui a l'avantage d'être très résistant aux chocs, mais aussi d'avoir la possibilité d'être transparent. Sa densité est plus faible que celle des métaux, sa production est moins coûteuse, et son élasticité est plus importante, ce qui offre plusieurs avantages. Cependant, il reste globalement plus sensible aux fortes températures que la majorité des métaux. Pour plus de résistance, certains constructeurs ajoutent des fibres de carbone à leur matériau plastique.
(Les fibres de carbone de l'ordre de 5 à 15 micromètres, sont majoritairement constituées d'atomes de carbone. Elles possèdent une très faible densité (environ 1.9), ainsi qu'une grande résistance et fléxibilité.)
Les métaux :
Quand il est nécessaire d'utiliser un constituant plus résistant, les constructeurs utilisent généralement des métaux.
Ils ont la caractéristique d'être durs, très résistants, et denses. Ce sont aussi des conducteurs, c'est à dire qu'ils permettent un "échange d'énergie". Dans ce cas, c'est sa capacité à laisser un courant électrique circuler qui nous intérresse.
(la conductivité d'un matériau se mesure en siemens par mètre)
Le verre :
Comme vu précédemment, les lentilles permettent la convergence des rayons lumineux vers le capteur afin d'obtenir une image.
Elles se composent de matériaux optiques (notament le verre optique) qui, à la différence du verre utilisé pour les vitres, possèdent des additifs rendant possibles les phénomènes optiques souhaités (comme la réfraction).
Le verre (utilisé pour les vitres...) se compose généralement de silicium, phosphore, germanium ou de bore la plupart du temps sous forme d'oxydes. Afin d'obtenir un verre optique aux caractéristiques désirées, on ajoute des matériaux, comme des métaux alcalins, des terres rares... Il faut parfois de nombreux ajouts pour obtenir du verre optique les propriétés désirées.
Définitions :
-Un additif est une substance ajoutée à un matériau dans le but d'en améliorer certaines propriétés avantageuses.
-Un alliage est un métal mélangé à un autre élément chimique (comme l'acier).
-La densité d'un matériau correspond au rapport entre sa masse volumique et la masse volumique de l'eau (sans unité).
Conclusion :
Tous ces matériaux ont été sélectionnés pour leurs caractéristiques physiques avantageuses : ils sont plus légers, plus performants et résistants, et permettent une amélioration de l'ergonomie. Et certains alliages sont aussi mis au point afin d'améliorer ces performances ! (nous allons aussi parler du carbure de silicium, un substitut du diamant aux propriétés incroyables, utilisé pour la mission Gaïa évoquée plus bas).
De nouvelles pistes pour l'avenir :
Les objectifs sont maintenant de voir toujours plus loin, toujours plus grand, des objets parfois imperceptibles à l'oeil nu et dans des conditions toujours plus extrèmes.
La photographie commence d'ailleurs à tracer son chemin dans le domaine de la médecine et de l'astronomie. Et les objectifs photos sont de plus en plus performants !
Quels sont ces nouveaux objectifs de plus en plus puissants ?
Nous nous pencherons pour notre part principalement sur le domaine de l'astronomie pour développer cette partie.
L'infiniment grand : l' Astrophotographie
L'astrophotographie est la photographie, dans le domaine de l'astronomie, d'objets célestes très éloignés. Elle nécessite quelques techniques particulières puisque pour réaliser une astrophotographie, il faut un temps de pose, et une sensibilité plus importante, ainsi qu'une amplification de la lumière. Plusieurs dizaines de secondes (parfois plus) sont souvent nécessaires à sa réalisation : il s'agit de capter le plus de lumière possible puisque le sujet se trouve loin et que peu de lumière parvient jusqu'à nous.
Pour ce qui est du matériel utilisé, on pense principalement aux télescopes, munis de capteurs CCD même si les plaques photographiques Kodak ont longtemps été utilisées.
Certains se trouvent sur Terre, mais d'autres peuvent aussi être en orbite terrestre comme le télescope spatial Hubble. Les supports des appareils photographiques ne sont donc pas les mêmes et en orbite les conditions auxquelles ils seront soumis apportent de nombreuses contraintes.
En parlant de ces appareils photos du "futur" on pense forcément à l'oeil de Gaïa qui est un très bon exemple de ces progrès que les scientifiques continuent de réaliser !
Il s'agit du plus grand appareil photo numérique jamais réalisé à nos jours, et ayant été créé dans le but d'être envoyé dans l'espace. Il a la caractéristique d'être composé de près d'un milliard de pixels et permet de cartographier la Voie lactée tout en résistant aux conditions difficiles que l'on rencontre dans l'espace. Une grande partie de ce satellite et des capteurs qui le composent (appelés DCC) sont donc construits à partir de carbure de silicium (composé de silicium et de carbone). Ce composant a la particularité d'être extrêmement léger et résistant, même dans des conditions thermiques très exigeantes (-110°C) et est donc un composé idéal pour ce type de projet !
L'infiniment petit : Photographie dans la recherche bio-médicale et la physique :
La lecture de magazines scientifiques comme Science&Vie nous fait réaliser les incroyables performances en matière de photographie de l'infiniment petit. Il nous est maintenant possible de photographier des neurones, des cellules saines ou malades, des virus... !
Un article de mars 2012 explique que des chercheurs américains ont conçu une caméra capable de capturer 1000 milliards d'images/sec ! Une vitesse telle que l'on peut voir des particules de lumière (photons) issues d'impulsions lasers, avancer au ralenti. L'appareil parvient à prendre des photos avec une durée d'exposition de seulement une picoseconde (le temps que met un photon pour avancer de 3,3 mm !!)
La technique reste complexe, il faut multiplier les prises de vues pour reconstituer la vidéo finale en 2D. Mais cela permet d'observer la dispersion de la lumière sur des objets solides. Andreas Velten, l'un des scientifiques ayant participé à cette expérience, explique : "On peut savoir quelle part de lumière est absorbée et donc en déduire de quoi ces objets sont composés."
Dans quelques années, le développement de cette technique devrait permettre d'analyser des tissus humains en imagerie médicale.
Ensemble, nous avons étudié l'implication de la lumière dans la formation d'une image et la manière dont les appareils photos avaient évolué afin de capter celle-ci. Nous avons remarqué certains comportements de la lumière et relevé certaines relations mathématiques. Pour finir, nous avons vu que la photographie s'ouvrait sur bien des domaines, et que ses capacités continuaient d'évoluer. Ainsi, la photographie a bel et bien eu un impact dans le domaine des sciences. De ces améliorations a résulté une meilleure compréhension des phénomènes optiques qui a permis de mieux appréhender différents champs d'exploration scientifique.
Toutes ces avancées ont finalement rendu la photographie accessible à tous (pour notre plus grand plaisir), et permis une meilleure compréhension du rôle de la lumière dans la formation d'une image.
La photographie tient donc une place importante dans le domaine des sciences. Elle permet de capter l'image d'objets parfois imperceptibles à l'oeil nu, aussi bien au niveau de l'infiniment grand qu'au niveau de l'infiniment petit.
Nous avons mis en avant le domaine de l'astronomie avec l'exemple de Gaïa, mais il faut rappeler que tous les jours, des milliers d'images réalisées par des satellites en orbites sont reçues par les scientifiques. Elles permettent de cartographier le ciel, et de mieux connaître les astres. Cela ne serait pas possible sans les récents progrès ergonomiques et techniques.
Par ailleurs, dans les domaines de la chimie, de la physique, et de la recherche bio-médicale, le fait de pouvoir désormais compter sur des images aussi précises a considérablement changé les perspectives des chercheurs dans ces différents domaines.
Des progrès qui continuent d'être faits, et qui laissent présager de nouvelles avancées dans les années à venir.