Cet article vous explique qu’est ce que la lumière et les différentes grandeurs physiques données ou mesurées pour la lumière visible concernant une source lumineuse ou l’espace autour de cette source, généralement regroupées sous le terme de photométrie.
Historiquement la lumière fut décrite dans un premier temps par un phénomène d’onde. L’onde est une onde électromagnétique, c’est à dire que les grandeurs physiques qui varient dans le temps et dans l’espace lors de la propagation de cette onde sont les champs électriques et magnétiques. Les ondes électromagnétiques peuvent se propager sans milieu matériel (contrairement aux ondes mécaniques, par exemple le son). Par conséquent les ondes électromagnétiques se propagent aussi dans le vide et l’espace sidéral. La lumière émise par le Soleil met 8 minutes à parvenir jusqu à la Terre.
Les lois qui décrivent la propagation des ondes électromagnétiques sont décrites par les équations de Maxwell.
Ces équations ont une certaine complexité, nous ne rentrons pas dans les détails. En résumé, ce qu’il faut retenir:
Les solutions classiques de propagation des ondes sont de type fonction sinusoïdale (sinus ou cosinus). c’est aussi le cas pour les ondes électromagnétiques. Le champ électrique E (V/m) illustré en bleu sur la figure ci-après peut ainsi s’écrire:
E=E0.cos(2π.f.t – 2π/λ.z)
avec comme :
Le spectre en fréquence des ondes électromagnétiques est très étendu (cf schéma ci-dessous). Il couvre une gamme en fréquence de 18 ordres de grandeur. Les plus grandes ondes (λ∼1 km) sont utilisées pour la radio (AM / FM), puis une partie est utilisée pour les communications ( 2G – 3G – 4G – 5G), arrive la gamme de l’infrarouge (capteur thermique – caméra IR) et la partie du spectre qui nous intéresse, la lumière visible. Au delà du visible les longueurs d’onde plus petites, la gamme ultraviolet (lumière du soleil – lampe à mercure – LED UV), puis les rayons X (radiographie) et enfin les rayons gamma (réaction nucléaire ou phénomène cosmique)
La lumière est la partie du spectre des ondes électromagnétiques visible par l’œil humain. la gamme s’étend du rouge – f=384THz – λ=780nm au bleu – f=789THz – λ 380nm.
Une onde lumineuse qui possède une unique fréquence donc une unique longueur d’onde est appelée onde monochromatique (une seule couleur). Le cerveau perçoit chaque fréquence par une couleur différente grâce aux photorécepteurs (cônes et bâtonnets) distribués sur la rétine de l’œil et dont le signal est envoyé au cerveau par le nerf optique.
Une source de lumière dite blanche (soleil, ampoule fluocompacte, LED…) possèdent un ensemble de fréquences (polychromatique) qui se combinent pour donner une lumière dite « blanche » qui a d’autres propriétés (température de couleur, IRC… cf articles).
La physique quantique développée au début du 19 siècle a révolutionné et complété la description que nous avons de la lumière. Chaque particule élémentaire du modèle standard de la physique est décrite par la dualité onde – corpuscule. Ainsi la lumière doit aussi est décrite en terme de corpuscule, le photon.
Le photon est en quelque sorte un « grain » de lumière. Il est émis quand un électron perd de l’énergie (par exemple lors d’une transition d’un électron dans un atome d’une orbitale vers une orbitale de plus basse énergie) et par conséquent le photon a une énergie E quantifiée :
E=h.f=h.c/λ
h est la constante de Planck, f et λ respectivement la fréquence et la longueur de l’onde associée au photon. c est une autre constante de la physique, la vitesse de la lumière. c’est un abus de langage, on devrait l’appeler vitesse de l’onde électromagnétique car elle reste constante pour tout le spectre électromagnétique.
Cette vitesse de la lumière (ou célérité c = 300 000 km/s ou 3.108m/s) a été postulée dans une autre théorie physique de la relativité restreinte (Einstein) comme la vitesse maximale de déplacement dans l’univers (espace-temps) et comme identique dans tous les référentiels galiléens.
La photométrie est la science des mesures du rayonnement lumineux tel qu’il est ressenti par la vision humaine autrement dit la lumière, et, l’étude quantitative de la transmission de ce rayonnement.
La radiométrie étudie tout le spectre du rayonnement électromagnétique. La photométrie se concentre sur la partie du spectre visible par notre œil et dont nous avons une perception sensorielle.
Le flux lumineux Φv est la puissance lumineuse totale (dans toutes les directions) émise par une source lumineuse autrement dit la puissance totale perçue par notre œil. Son unité est le lumen (lm).
Pour le calculer il faut connaitre le flux énergétique (nombre de photon émis pour chaque longueur d’onde multiplier par l’énergie du photon, cad le spectre énergétique de la source) et intégrer celui-ci en le multipliant par la fonction d’efficacité lumineuse spectrale photopique et corriger avec l ‘efficacité spectrale maximale Km. L’efficacité énergétique (lm/W) de la source peut ainsi être déduite en divisant le flux lumineux par la puissance électrique (Watt) alimentant la source. (cf article sur l’efficacité énergétique)
L’ intensité lumineuse I est la puissance lumineuse émise dΦv contenu dans un angle solide dΩ pour une source lumineuse. Son unité est le candela (cd).
I=dΦv/dΩ
L’angle solide pour un calotte sphérique de surface dS et de rayon R est donné par dΩ=dS/R² ou si l’angle solide est formé par un cône qui intercepte un cercle dΩ=2π(1-cos(θ/2)) avec θ angle au sommet du cône. Son unité est la stéradian (sr). Un angle solide comprenant tout l’espace vaut 4π sr.
Les 2 types de sources particulières sont :
L’éclairement moyen est le flux lumineux Φv d’une source reçu par une surface S. Son unité est le lux (lx).
E=Φv/S
L’éclairement ponctuel est le flux lumineux dΦv par unité de surface reçu ponctuellement sur un surface infinitésimal dS de distance d à la source isotrope et dont l’angle d’incidence est α (angle par rapport à la normale de la surface). Son unité est également le lux (lx).
E=dΦv/dS=I/d² .cos(α)
L’éclairement ponctuel prend en compte le fait que la distance à la source varie selon chaque point d’une surface de réception contrairement à l’éclairement moyen.
Lorsque les dimensions d’une source lumineuse ne peuvent plus être négligées par rapport à la distance d’observation, la source n’est plus qualifiée de ponctuelle. On parle alors de source étendue. On considère alors que sa surface émettrice se comporte comme un ensemble de source ponctuelle d’intensité lumineuse I(α) pour quantifier la luminance L. Son unité est le candela par mètre carré (cd/m²).
L=I(α)/Surface apparente
La surface apparente de la source dépend de la forme de la surface étendue. Dans le cas particulier d’une source orthotrope de surface étendue rectangulaire, la surface apparente selon un angle α vs normale est Sapp=S.cos(α) soit:
L=I0.cos(α)/S.cos(α)=I0/S
La luminance dans ce cas particulier est constante quelque soit la direction d’observation. Ce type de source obéit à la loi de Lambert (source dite Lambertienne).
La synthèse des grandeurs photométriques dans la version corpusculaire de la lumière – c’est à dire un flux de photons de différentes couleurs (différentes énergie et longueurs d’onde) depuis la source lumineuse – est illustrée ci-dessous.
Un ordre de grandeurs des valeur photométriques est donné dans le tableau suivant pour les grandeurs discutées. Les valeurs dépendents des modèles, marques et conditions d’utilisation ou extérieures.
Un fabricant de luminaires doit pouvoir fournir toutes les grandeurs photométriques associés à ses luminaires. Une normalisation des mesures photométriques est regroupée dans un fichier .IES (Illuminating Engineering Society). Ce fichier peut être utilisé dans des logiciels de conception, calcul et rendu de lumière tel que DiaLux, LuxRender… pour la simulation d’espaces personnalisés.
Deux grandeurs sont présentées pour un luminaire de type panneau LED Lumeninside dans les graphes ci-dessous. On notera avec ces résultats de mesures que le panneau LED peut être considéré comme une source Lambertienne.
La lumière peut être décrite comme un phénomène physique de propagation d’onde électromagnétique (variation du champ électrique et magnétique) dans l’espace ainsi que l’émission d’un flux de photons (particules quantifiés en énergie) dans sa version corpusculaire.
La lumière est la partie visible par l’œil humain du spectre des ondes électromagnétiques. ce spectre visible s’étend du bleu au rouge (longueur d’onde 380nm à 780nm).
La photométrie est la science des grandeurs quantitatives liées à la lumière: le flux lumineux, l’intensité lumineuse, l’éclairement et la luminance.
Les fabricants de luminaires fournissent un fichier .IES qui regroupe les mesures des grandeurs photométriques associées au luminaire et peuvent être utiliser dans des logiciels de conception et rendu lumière pour des espaces simulés.
