Réfraction optique

La réfraction optique est le changement de direction d’un rayon lumineux lorsqu’il franchit obliquement l’interface entre deux milieux où la lumière ne se propage pas à la même vitesse. Dans un aquarium, elle modifie la position et les dimensions apparentes d’un poisson observé à travers les interfaces eau–paroi–air et doit être prise en compte lors des mesures sur image.

Principe physique

L’indice de réfraction d’un milieu relie la vitesse de la lumière dans le vide à sa vitesse dans ce milieu. À une interface plane, la loi de Snell-Descartes s’écrit n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂, les angles étant mesurés par rapport à la normale. Un rayon arrivant exactement selon cette normale n’est pas dévié. Aux autres incidences, sa direction dépend des deux indices et de l’angle d’arrivée.

La réfraction ne doit pas être confondue avec la réflexion, qui renvoie une partie de la lumière dans le milieu d’origine, ni avec la diffraction, associée à la propagation au voisinage d’un obstacle ou d’une ouverture. Les indices variant avec la longueur d’onde, la réfraction peut aussi s’accompagner de dispersion chromatique.

Observation des poissons

Depuis l’air, un objet immergé peut paraître déplacé ou plus proche de l’interface. À travers une glace plane, le trajet comporte plusieurs changements de milieu. L’épaisseur de la paroi, son parallélisme, l’angle de prise de vue, la profondeur de l’animal et les mouvements de surface influencent alors la géométrie apparente.

Ces effets ne constituent pas une modification anatomique du poisson. Ils deviennent une source d’aberration optique ou d’erreur lorsqu’une image est interprétée au moyen d’un modèle qui ignore les interfaces.

Mesure et précautions

Pour la photogrammétrie, le suivi de trajectoire ou la mesure morphométrique en aquarium, l’étalonnage doit reproduire l’eau, la paroi et la position des caméras. Une calibration réalisée uniquement dans l’air ne corrige pas nécessairement les décalages réfractifs. Une prise de vue proche de la normale réduit certains effets, sans supprimer les erreurs dues à une paroi courbe, non parallèle ou mal caractérisée.

Référence

• Maas H.-G. (2015). « On the Accuracy Potential in Underwater/Multimedia Photogrammetry ». Sensors, 15(8), 18140-18152. 10.3390/s150818140