Pecha Kucha - Sténopé

Préjury du 23 décembre 2016 - Présentation Pecha Kucha

In the end

   Au début du semestre, en voyant la présentation de cet atelier, la physique m'a bien fait intéressé et je ne suis pas arrivé à imaginer ce que l'on pourrait archiver à la fin. La lumière était toujours un des éléments fondamentaux dans l'architecture, et aussi la photographie, c'est la raison qui m'a motivé de faire des recherches sur les phénomènes optiques.

   Petit à petit, en étant submergé de la physique, j'ai découvert énormément de choses pas juste sur la lumière, mais aussi des connaissances des phénomènes des autres groupes grâce à ce blog avec des échanges dans l'atelier. Les surpris sont venues non-stop après chaque expérience, j'ai appris les principes d'une appareil de photos, donc la caméra obscura, ceux qui peuvent être crées à partir d'un tout petit trou dans une chambre obscure. Bien que, hors des études d'architecture, je sois en train de travailler en tant qu'un photographe, je n'ai jamais vraiment regarder jusqu'au bout comment ça marche la caméra, comment tous les éléments comme le diamètre du trou, le focal, le focus travaillent ensemble,etc. Cet atelier m'a donné une opportunité à tous les découvrir.

   Il y avait des moments découragés où on s'est perdu, on s'est bloqué en essayant de trouver le bon chemin, un équilibre entre l'architecture et la phénomène physique. Avec l'aide des profs, qui ont toujours essayer de nous pousser et nous guider pour aller plus loin, "think out of box", On pense que finalement on est arrivé à réaliser un projet mélangé tout ce que l'on a appris depuis le début. 

   Enfin, la pédagogie de l'atelier est différente par rapport à ceux que j'ai pris les semestre précédentes avec des possibilités de liberté et d'orientation du travail. Il reste dans mon souvenir comme une bonne et unique expérience. 

   

Projet du préjury : à la croisée de l'architecture et de la physique

Notre pavillon serait un endroit où l'on irait contempler et observer des ambiances extérieures sous un autre regard. Notre volonté de réaliser une camera obscura à grande échelle arrive au bout à la croisée de nos explorations formelles et théoriques.

Le pavillon peut s'implanter dans n'importe quel paysage. Le cadrage étant l'unique lien entre l'environnement extérieur et intérieur, nous avons voulu avoir trois vues : Une orientée Est, une autre Ouest et une sur la toiture vers le ciel. Ces trois ambiances seront dans trois pièces distinctes :
- Une regard principalement pour le lever du soleil : l'image serait plus floue, plus vibrante.
- Une regard infini l'aprés-midi : le ciel couvrirait l'ensemble de la pièce.
- Une regard principlament pour le coucher du soleil : l'image serait nette, précise et plus propice à la méditation.

 

Après le retour du jury, nous avons décider de nous orienter vers la production de sténopés et nous concentrer sur comment réellement montrer un regard qui redécouvre la réalité.

Création de sténopé : partie 2

Pour chacune des boites, nous avons dimensionné les ouvertures des trous, ainsi que la focale en fonction de la formule de L. Rayleigh et la formule accuentuée de M. Young. c-à-d :

f = s²/ λ

Sténopé 1: Notre premier sténopé de la série

Matériel: Carton recyclé, feuilles blanches, carton e= 0.5mm pour le trou.
Hypothèse: L'intérieur du carton est entièrement blanc. L'image perçue à l'intérieur de la boite serait moins nette.
Intuition: Parceque la boite est blanche, la lumière ne sera pas absorbée et elle risque de rendre l'image floue et moins visible à cause de la propriété de reflexion de la couleur blanche (voir fin de l'expérience)
Expérience: Faire un trou sur un côté, fermer le carton et laisser une ouverture pour voir dedans. Sortir dehors et observer.
Observation: Les images sont peu nettes et floues. Pour une journée nuageuse, nous percevons bien le monde extérieure, l'image est partout, sur toutes les parois.
Conclusion: La couleur blanche réfléchit en effet la lumière et rend moins visible l'image qui se trouve sur la face parallèle à celle du trou.

Sténopé 2: "Loeil" d'Aristote

Matériel: Boite de dimensions 15x20x30cm, intérieur peint en noir sauf la parois sur laquelle l'image est projetée, carton e= 0.5mm pour le trou.
Hypothèse: L'image sera plus nette parce que la chambre noire sera plus obscure
Intuition: Le fait de peindre l'intérieur sauf l'écran, les parois noires vont absorber toute la lumière et laisser à l'oeil une meilleure netteté sur l'écran
Expérience: Faire un trou sur un côté, laisser une ouverture pour observer sur l'écran blanc.
Observation: L'image est beaucoup plus nette. Elle est délimitée sur l'écran blanc. à contre champ du soleil, l'image montre plus de détails et de couleurs, du côté du soleil, on perçoit l'image plus nette mais on ne voit pas assez bien les couleurs, mais plutôt les silhouettes des objets environnants.
Conclusion: Comme au cinéma, concentrer l'image sur un seul mur ou écran demande que celui-ci soit réceptif à la lumière ou comportant des propriétés de réflexions élevées (carton blanc)

Sténopé 3 : "L'écran" de Da Vinci

Matériel: Boite de dimensions 14x19x45 cm, intérieur peint en noir, rajout d'un papier calque à 13cm du trou (écran), carton e= 0.5mm pour le trou, calque.
Hypothèse: L'image sur un calque serait nette parce que la boite est entièrement obscure
Intuition: Le calque est très fin. L'image perçue par l'observateur placé à l'opposé du trou devrait percevoir une image optimale.
Expérience: Faire un trou sur un côté, coller un calque à 13 cm, couper une ouverture pour les yeux du côté opposé.
Observation: L'image est nette, très nette quand le soleil surgit du ciel. Les couleurs sont présents, c'est le sténopé qu'on a le plus réussi jusqu'ici.
Conclusion: Un écran fin peut permettre une image visible et nette pour un observateur situé derrière.

Sténopé 4 : Notre sténopé miniature du début (en plus développé)

Matériel: Petite boite qui s'incruste dans une autre. 10x10x10 (+5)cm, aluminium, trou d'épingle, calque.
Hypothèse: Une petite focale signifie petite image. Utiliser le trou d'épingle pour une optimisation totale de l'image. L'aluminium étant très fin (0.02 mm), entre la limite de la réfraction, permettra une image encore plus nette que le carton 0.5 mm.
Intuition: Le trou d'épingle va projeter une image nette mais qui risque de disparaître et devenir plus floue en éloignant la focale (le calque sur lequel l'image sera projetée).
Expérience: Sur la première partie de la boite, mettre le trou d'épingle sur l'aluminium, sur l'autre, mettre le calque et emboîter les deux parties. Déplacer l'un dans l'autre pour avoir un effet de zoom et observer.
Observation: L'image est très nette mais très petite. Plus on éloigne la focale, plus l'objet grandit et plus il devient flou et obscure.
Conclusion: L'épaisseur de l'aluminium a optimisé la qualité de l'image mais pour une petite focale, donc une petite image.

Sténopé 5 : "Le cache" de Ibn Al Haitham

Matériel: Boite de dimensions 30x40x50 cm, intérieur peint en noir, au fond, du polystyrène translucide qui permet une diffusion à la lumière.
Hypothèse: Étant donné la géométrie de la boite, elle est grande, la lumière risque de ne pas bien y pénétrer. Néanmoins, le trou cette fois ci sera 1/100 de la focale (plus grand)
Intuition: L'image sera nette et précise, étant donné qu'on applique le même principe.
Expérience: Un trou sur une parois, une ouverture pour les yeux sur le même côté, observer l'image derrière sur l'écran au fond de la boite qui est en réalité l'image des objets dérrière nous.
Observation: L'image apparaît mais pas assez nette. Les objets sont plus obscurs mais une fois que le soleil est apparu, on aperçoit beaucoup mieux. L'image est grande.
Conclusion: Pour un plus grand sténopé, l'oeil aura une plus grande image, mais elle perd en netteté et en luminosité. Néanmoins, on peut arriver à de bons résultats en optimisant les paramètres nécessaires à l'optimisation de la netteté.

Sténopé 6 : un ensemble de plusieurs expérimentations : (lentille, faille, plusieurs trous à la fois,...)

CONCLUSION

Nous pensons que pour faire un pavillon contemplatif, il sera nécessaire de dimensionner la pièce au minimum en fonction de l'endroit le plus illuminé de l'extérieur : Si on veut l'image du ciel sur le sol, il serait possible pour une hauteur de 3m d'avoir une image assez nette même à une journée nuageuse car le ciel dégage toujours un flux lumineux direct important. Par contre, pour les autres façades, il serait plus difficile. Soit il faudrait travailler avec des lumières comme les strobo lampes qui possèdent un grand flux/seconde afin d'avoir des images qui parviendraient au fond du pavillon, soit il faudrait réduire la distance entre le trou et l'écran, à ce moment là, nous utiliserons des écrans transparents les plus fins possible (moins de diffusion), alors il serait possible de réaliser le pavillon.

Création de sténopé : partie 1

Revenons à la physique 2 : La limite de diffraction et l'optique géométrique

Tout d'abord, la lumière se propage en ligne droite. Lorsque la lumière atteint la limite entre deux milieux, une partie est transmise, une autre absorbée, le reste est réfléchi.

Ces rayons réfléchis n'ont pas de direction commune, lorsqu'ils croisent un corps qui présente une rugosité à une échelle des de distances nettement supérieure à la longueur d'onde de la lumière.

Quand il n'y a pas de trous, tout corps n'a pas d'image inversée. Sur un écran, chaque point de sa surface reçoit des rayons lumineux issus des objets alentours. Ces rayons se mélangent, se combinent. C'est le principe de la synthèse additive. L'écran apparaît blanc.
En restreignant la lumière extérieure à un milieu obscur (sténopé) de façon à ce que les rayons lumineux n'entrent que par un seul point, l'écran qui intercepte cette lumière ne recevra, en chacun des points précis de sa surface, que les rayons en ligne droite issus d'en face. On verra se former une image inversée renversée du décor extérieur.


Matt young (1773-1829), médecin et physicien anglais, stipule dans sa thèse "The phisics Teacher" 1989 que pour tout sténopé, il existe une limite optique entre deux phénomènes qui rentrent en jeu :

- La diffraction : est le comportement particulier des ondes électromagnétiques lorsqu'elles rencontrent un obstacle (ouverture, faille). La lumière est déviée et la densité de l'onde n'est pas conservée contrairement aux lois de l'optique géométriques.
-L'optique géométrique: est la tranche de l'optique qui étudie la lumière selon le modèle ondulatoire des rayons lumineux.

Le dispositif d'images de la caméra sténopé est un trou perforé à travers un matériau opaque. L'image du point éloigné est simplement l'ombre du trou, ou plutôt l'ombre du matériau autour du trou. C'est ainsi: l'image est un point lumineux sur un fond sombre. Lorsque le trou est grand, l'image du point éloigné est grande et affiche un diamètre égal à celui du sténopé.

Un objet étendu est une collection de points, son image est donc une collection de taches. Plus les taches sont petites, plus le détail peut être distingué. Par conséquent, à bien des égards, le meilleur trou d'épingle est celui qui produit la plus petite image d'un point.

Si nous faisons le trou d'épingle très petit dans un effort pour améliorer la résolution, alors le trou est si petit que le modèle de lumière sur la surface de projection est un disque aéré: le "fraunhofer", le champ lointain ou encore le diagramme de diffraction du sténopé. Dans cette région, plus le trou est petit, plus la tâche de l'image est grande. Évidemment, le trou d'épingle qui donne la plus petite tache se trouve entre la région d'optique géométrique et la diffraction de champ lointain : c'est la limite.

Voici un graphique du rayon de la lumière perçue de l'image en fonction du rayon de l'ouverture du sténopé. Lorsque le trou d'épingle est très petit, le rayon de l'image r est le rayon du disque aéré. Sa formule est : 0,61λf /s, où s est le rayon de l'ouverture du sténopé et λ est la longueur d'onde de la lumière. Cette égalité est représentée par l'hyperbole.
D'autre part, lorsque le sténopé est grand, le rayon de l'image r est égal au rayon s de l'ouverture du sténopé, tel que représenté par la ligne.
La courbe coupe la droite à la région où 0.61fλ/s = s où f = s²/y

Où ni l'hyperbole ni la ligne ne représentent fidèlement la réalité dans cette région, mais c'est la région qui nous intéresse le plus, car la caméra sténopé donne l'image la plus nette. C'est la région entre le champ proche et la diffraction de champ lointain.

références:

Matt Young, http://inside.mines.edu/~mmyoung/
Joseph Kane,  Morton Sternheim, Physique, éditons Dunod, Paris, 2004, pg 593 à 617

Revenons à la physique : Le flux lumineux

Nous avons compris que pour réaliser une camera obscura dans de grandes constructions, il fallait tenir compte d'un autre paramètre. Celui de l'intensité lumineuse.

En effet, il ne suffit pas d'avoir un dimensionnement optimale entre l'ouverture du trou et la distance focale, ainsi qu'une bonne épaisseur de la parois contenant l'ouverture et rendre la chambre le plus obscur possible; il faut aussi que la lumière puisse rentrer jusqu'au fond du mur sur lequel l'image est projetée.

En effet, si on veut construire une pavillon qui contient une pièce de 3m de longueur et largeur, 9m², en tenant compte de la formule de Rayleigh, l'ouverture doit être de l'ordre de 8cm de diamètre pour une résolution optimale de l'image perçue. Malheureusement, la lumière extérieure étant variable, le soleil ne transmet pas le même flux d'énergie en fonction de sa position et des saisons
Ci-dessus, j'ai repris quelques valeurs connus du flux du soleil en lux.
Pour qu'une image soit nettement perçue, il faut un minimum de flux, c-à-d, un lux. (=1 lumen/m²)
Mais comment faire pour faire rentrer cette quantité de flux de lumière dans un trou de diamètre de 8 cm ? En calculant, 1lumen = 1 lux / 1m² => 1 = x / 0.005m² (surface de l'ouverture)
=> Cela donne 40000 lux pour une chambre de cette taille. Autant dire que c'est impossible d'avoir une image très nette, sans lentille, rien qu'avec le soleil, surtout en Belgique.

Donc, nous avons commencé à se dire que la géométrie de la chambre dépendrait fortement de la lumière extérieure.

Explorations spatiales : suite

Dans la volonté de créer un pavillon, nous avons continué nos recherches spatiales.

L'idée est d'imaginer un parcours dans lequel s’insèrent différents ambiances lumineuses à base de la physique du sténopé.

Le pavillon serait composé de :

Parcours serpentin : les visiteurs se promènent, tout en voyant des images du décor extérieur. Ils peuvent s'asseoir, méditer, réagir avec ce qu'il se passe à l'extérieur.

Volumes adjacents : Un cylindre, un cylindre tronqué, un parallélépipède rectangle et un prisme.

Les quatre volumes contiennent des ambiances différentes et adaptées en fonction de la lumière extérieure de la journée :

-Le prisme contient une faille : Orientée à l'Est, l'ouverture donne un aperçu flou et mélangé du mouvement extérieur

-Le cylindre tronqué : Un trou sur la toiture qui permet au visiteur de marcher sur le ciel. L'image perçue sera optimale pendant l'aprés midi

-Le cylindre : Le soir, le soleil se couche, les visiteurs peuvent avoir un aperçu des images de plusieurs cadrages composant un panorama. Un espace plus propice à la méditation

- Le parallélépipède rectangle : Le soir, la multitude d'ouverture donnerait l'impression d'un ciel étoilé. les lumières directes des lampadaires viendraient pénétrer l'espace et créerait un effet d'un ciel artificiel intérieur.

Croisée de la physique et de l'architecture 04-12

Nous avons fabriqué une camera obscura 1/10, cette fois-ci avec plusieurs trous afin de pouvoir vérifier les effets.

Nous avons constaté que ce n'était pas facile. L'image n'est pas nette. Il faut que l'intérieur soit absolument obscur et que l'extérieur soit très lumineux.

Nous pensons qu'il faut combler ce manque par deux axes qui seront la suite de notre projet :

a) Penser à fabriquer un objet qui apporterait ce manque de lumière

b) Penser à fabriquer une lentille

c) Continuer à expérimenter pour une meilleure optimisation de la formule de Rayleigh

Recherches 02-12

Une parois en tissu, ou en plastique,

trés fine,

permettant à un maximum de lumière de rentrer,

dessus, viennent s'adosser des calques,

permettant de montrer l'ambiance extérieure,

ils sont disposés les uns à côté des autres,

ils forment un panorama, patchwork d'images,

Au début, les effets visent ce qu'il se passe au niveau du sol,

les habitants, les animaux, la rue,

puis, le regard portera sur un autre niveau,

celui des batiments, des arbres, du skyline,

Ensuite, c'est le ciel,

l'infini.

Mise en espace : Maquettes 01-12

Une structure en bois,

Les gens viendront se promener,

Entre deux murs à chaque fois,

Une image, une ambiance,

Une lumière apaisante dans l'obscurité,

Recherches formelles : explorations 28-11

Suite à notre synopsis, nous nous sommes mis à expérimenter et imaginer une forme à notre pavillon.

À partir du phénomène de la camera obscura, nous avons envie de faire découvrir aux visiteurs à travers une promenade qui part de l'extérieur jusqu'à l'intérieur tout un ensemble d'ambiances et d'effets de la chambre noire. Nous avons pensé à une forme organique. Une spirale contenue dans un cercle et qui, en fonction de là ou on se situe, montre une image et une ambiance différente.

Au delà du coucher du soleil : Le pavillon de la lumière

Je descends à mon habitude vers le Monts des arts,
Le coucher du soleil s'infiltre entre la basilique du sacré cœur et,
La tour de la grande place,
Un paysage paisible et mélancolique,
Le monde va et vient de partout,
Tel est ce noyau bruxellois déchaîné,

Le ciel est couleur rouge vive,
L'air frais me rappelle que c'est l'heure de rentrer,
J'arrive en haut des escaliers,
J'aperçois un pavillon,

Un objet mystérieux,
On dirait une sphère, une ellipse,
Il est discret, pas très haut,
On ne peut pas voir son intérieur,

Curieux, j'oublie soudainement tout,
Je me dirige vers l'entrée,
Soudain, je perçois plusieurs petites chambres,
Dans l'obscurité, le cœur bat plus fort,
Il nous pousse à avancer, à chercher la lumière,

Dans la première pièce,
Je perçois une ouverture, un trou,
un rayon y pénètre,
Et comme par magie, une image nette apparaît,
prés de moi, de beau paysage que je viens de quitter,
Seulement, il est vide. Il n y a personne,

J'avance dans la pièce suivante,
Je découvre plusieurs trous légèrement espacés,
Là, je découvre l'image de plusieurs arbres,
Je me rends compte que je ne l'avais pas vu en arrivant,
Il est représenté en plusieurs couleurs,
à différents saisons,
Cela me rappelle qu'il va bientôt neiger...

Continuant mon voyage,
Je découvre une faille, une illumination,
Nos yeux voient nettement la lumière,
Comme si elle avait été sculptée,
Elle semble si réelle,
Si pure,

Je quitte la pièce ébahi,
Quand soudain je tombe sur une autre,
Un ciel étoilé,
Dans l'obscurité totale,
Je découvre un espace silencieux,
J'observe toute cette quantité de lumière autour de moi,
Je me rappelle à quel point le ciel étoilé me manque,

Je sors du pavillon,
Le soleil s'est couché,
J'ai eu l'impression d'avoir voyagé d'un autre dimension,

Ce pavillon de lumière m'a évadé.

Expérience personnelle

   Bien que ce que je me souvienne le plus est le froid, j'avais passé une bonne semaine en essayant plusieurs nouvelles choses que je n'ai jamais dans ma vie fait avec notre atelier dans le "Superlab". 

   La première journée s'est passé tranquillement en explorant le nouveau "atelier" et cherchant des inspirations pour le projet, dont le pavillon à partir de la lumière. Avant, j'ai déjà fait des petits aventures dans les endroits ou les lieux abandonnés, mais j'ai jamais imaginé que je vais passer une nuit dans ce genre de bâtiment et dormir dans une tente. Les journées suivantes, suite à ce que l'on a fait en atelier, moi et Adnane, on a essayé de comprendre mieux le phénomène qui nous a intéressé depuis le début, la caméra obscura et l'effet donné par les œuvres d'art de Chris Fraser. 

   On s'est demandé toujours :" Qu'est ce que l'on peut faire avec la caméra obscura pour que ça soit unique, différent de ce que les autres ont fait depuis 4 siècles"? Du coup on a expérimenté plusieurs choses avec les cartons, les liquides, les lampes,etc dans notre chambre noire afin de trouver une piste pour la suite. Mais on a avancé lentement, on s'est coincé avec la caméra obscura, on n'est pas arrivé à trouver une bonne idée pour le pavillon. Pour se détendre un peu, le skatepark, inattendu, était parfait pour moi, j'ai finalement appris à jouer au skate, c'est un sport que j'ai toujours voulu essayé mais pas encore de chance. Après, grâce à Victor, Denis, ils nous a aidé à se débloquer, à comprendre mieux ce qui s'est passé dans nos expériences et tous les éléments liés à la lumière comme la réflexion, réfraction, diffraction, les focales, la caustique, la loi de Lord Rayleigh. Je veux aussi dire merci à Michele, bien qu'il soit toujours occupé, il nous a beaucoup aidé au niveau de construire nos maquettes. Petit à petit, les expériences se déroulaient et notre objectif se précisait.  

   Ce workshop nous a permis de réaliser ce que l'on devra faire pour aller plus loin dans notre projet. En dehors de ça, l'ambiance générale était cool. Normalement, je reste chez moi presque tous les soirs, du coup je mange souvent tout seul, c'est pourquoi j'aime bien les moments quand on mangeait le dîner ensemble, on se discutait et regardait les projections de Victor.

        

Workshop J6

Dernier jour du workshop:

Dans le but de pouvoir créer un pavillon de la lumière : un pavillon qui se base sur le phénomène de la camera obscura, nous avons voulu comprendre le phénomène, ainsi que les différentes formules et paramètres.
Pendant toute la semaine, nous avons essayé et créer plusieurs chambres noires. Nous avons à chaque fois changé l'un ou l'autre paramètre ou matériau et avons essayé d'optimiser un maximum le résultat obtenu de la camera obscura.
Etant donné que nous voulons arriver à réaliser des phénomènes visibles et réalisables, nous avons eu comme ambition d'étudier de prés la camera obscura à l'échelle 1/1. Donc, nous avons fabriqué un cadre avec un filtre noir en plastique imperméable et on a placé le tout dans une chambre. Elle a une longueur fixe de 4m et la source de lumière extérieure varie en fonction du moment de la journée.

Donc pour ce dernier jour, nous avons essayé de théoriser, de chercher une formule adaptée pour nos hypothèses et conclusions constatées pendant l'ensemble de la semaine :

- La netteté de l'objet vu dans la camera obscura dépend de la taille du trou.
- La netteté de l'objet vu dans la camera obscura dépend de la distance entre le trou et la surface sur laquelle l'image extérieure est projetée.
- La netteté de l'image dépend de la nature du trou (vide, lentille, eau)
- Une lentille en verre permet de rendre l'image plus nette si la distance de la focale est égale à la distance entre le trou et la surface de projection.
-Une lentille aqueuse (verre contenant de l'eau par exemple) permet une précision optimale.
-Multiplier le nombre de trous signifie dupliquer par le même nombre l'image perçue sur la surface de projection.

En menant nos recherches, nous sommes tombés sur la formule suivante:
(voir http://idea.uwosh.edu/nick/rayleigh.pdf)

D = 2r + f . λ / r

D = diamètre de la lumière perçue
f = distance entre le trou et la surface sur laquelle l’image est refletée
λ = rayonnement éléctromagnétique visible
2r = le diamètre du trou d’ouverture

Cette formule explique que plus le rayon d'ouverture du trou est grand (2r), plus l'image perçue est moins nette car le diamètre de la lumière perçue D est grand. Par contre, cela signifie aussi que l'image est plus visible car il y a plus de lumière qui passe par le trou. (voir image 1)

En contre partie, plus le trou est petit, plus l'image est nette. Mais cette fois-ci, l'image est trés peu visible. (voir image 2)

image 1

image 2

Dans la formule D = 2r + f . λ / r:

- Si r > λ, alors D = 2r (le reste de la formule devient négligeable)
- Si r < λ, alors D = f . λ / r


Cela se justifie dans le graphique suivant :

Pour avoir une bonne image nette et visible, il faut trouver le point maximum qui correspond au point le plus bas de la parabole. Il faut qu'il y ait suffisamment de lumière et un trou assez petit.

A partir de ces résultats, nous avons donc continuer à expérimenter cela et avoir des calculs plus précis afin de rendre l'image plus nette, voici quelque uns de nos autres expérimentations: