Propagation des rayonnements

Un rayonnement qui se propage dans le vide ne subit aucune atténuation et conserve ses propriétés initiales, en luminance et en intensité spectriques, tout au long de son parcours. Par contre, dans tout autre milieu (atmosphère, eau, fibre optique,...), ses propriétés spectrales, spatiales et temporelles se dégradent en cours de propagation, à cause de deux interactions avec le mileu : la diffusion et l'absorption.

On peut interpréter la diffusion dans un milieu comme provenant des collisions des photons avec les constituants du milieu (grosses particules pour la diffusion de Mie, petites particules et molécules pour celle de Rayleigh) ; lors de ces collisions, une fraction des photons se trouve dirigée dans d'autres directions que celle de départ et, par conséquent, le flux qui poursuit son chemin dans l'axe initial se réduit. Quant à l'absorption, elle provient du transfert, dans le milieu, d'une fraction de l'énergie du faisceau, aux fréquences proches de celles de résonance des électrons, des atomes, et des molécules du milieu.

Les deux paramètres qui permettent de caractériser, à chaque longueur d'onde, le milieu en un point (figure 11) sont le coefficient spectral linéique de diffusion, et celui d'absorption, , ou pourcentages respectifs de flux diffusés et absorbés à la longueur d'onde considérée, par unité de longueur du milieu.

Les caractéristiques spatio-temporelles d'un rayonnement peuvent être modifiées par les variations de l'indice de réfraction du milieu, qui agit sur la vitesse de propagation des ondes.

Par ailleurs, les fluctuations aléatoires de l'indice de réfraction provoquent une déformation des chemins optiques par rapport aux lois de l'optique géométrique, ce qui modifie la géométrie des scènes (mirages, turbulence atmosphérique). On se contente de mentionner ici ces phénomènes, mais on n'en tiendra pas compte dans le cadre de ce cours.

La fraction du flux initial qui continue à se propager dans l'axe, après avoir traversé la distance D (figure 11), est le facteur de transmission spectral du milieu sur la distance D.

Dans le cas d'un milieu dit «inhomogène»,  et β varient d'un point à un autre, et on a :

Si le milieu est homogène,  et β sont constants le long du trajet à longueur d'onde donnée, et la transmission spectrale du milieu sur la distance D est :

L'atténuation globale apportée par le milieu, sommation de ses effets en absorption et en diffusion, est spécifiée par le coefficient spectral d'atténuation (ou d'extinction) linéique du milieu  , avec :

La transmission spectrale du milieu de propagation sur une distance D est alors :

Du point de vue du capteur, la présence d'un milieu de propagation diffusant et/ou absorbant a pour premier effet néfaste d'atténuer les rayonnements utiles à son bon fonctionnement. En plus de cette atténuation, ce genre de milieu peut émettre des rayonnement, dit parasites, soit par émission thermique (c'est le cas de l'atmosphère dans l'infrarouge), soit par diffusion de la lumière ambiante (celles du soleil ou du ciel clair dans le visible et le proche infrarouge), ou les deux.

Si on se place, par exemple, dans le cas d'un capteur d'image qui observe une scène étendue dans un domaine spectral large, la luminance spectrique apparente d'un objet, c'est à dire celle qui est évaluée au niveau du capteur (on dira, par la suite, dans sa pupille d'entrée) est égale à la somme de sa luminance initiale, multipliée par la transmission spectrale Tm(λ,D) du milieu sur la distance D, et de la luminance parasite Lapp,m(λ,D) du milieu dans cette direction d'observation :