Transcript Éclairage, photométrie et colorimétrie

Agrégation de Génie Civil
SIP
CPAT
Georges Zissis
CPAT - U. Toulouse III
Le rayonnement EM et la lumière
SIP
CPAT
Quelques relations
fondamentales
Radar
c   
FM
Visible
Courant
de réseau
TV
UHF
VHF
Rayons 
UV
OC
Radiodiffusioçn
Radiodiff
IInfra rouge
Rayons X
10
10
-12
22
10
10
-10
20
10
10
380 nm
-8
18
Chaufage HF
10
10
-6
16
10
10
-4
14
10
10
-2
12
10
1
10
10
10
8
2
760 nm
10
10
4
6
10
4
10
2
10
6
10
8
1
1
10
10
Fréquence
en Hz
Longueur
d'onde en cm
Bande
1
2
3
4
5
6
7
8
hc
E  h  

Couleur
Violet Foncé
Violet
Bleu
Bleu-vert
Vert
Jaune
Orange
Rouge
Limites (nm)
380 - 420
420 - 440
440 - 460
460 - 510
510 - 560
560 - 610
610 - 660
760 - 760
Que signifie "Voir" ?
SIP
CPAT
Voir : Utiliser un photorécepteur
photorécepteur afin de détecter, localiser et identifier un
objet éclairé par une source de lumière
Photorécepteur
 Luminosité
 "Couleur"
Source de lumière
 Puissance émise (Flux)
 Spectre
Objet
 Couleur
 Forme
Le photo-récepteur
SIP
CPAT
Fovéa
Cônes &
bâtonnets
L’œil humain est comparable à un appareil photographique
On ne peut pas détecter la réaction du cerveau à un seul photon
Cellules
Horizontales
Bipolaires, Amacrines
Ganglionnaires
La réponse du photorécepteur
1. Luminosité
SIP
CPAT
 L ’œil présente un maximum de sensibilité vers 555 nm
dans les conditions de vision photopique
1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm)
Autour de cette longueur d ’onde la sensibilité décroît
et s’annule vers 380nm et 760nm.
1.0
Très nombreux (~125 millions)
Très sensibles (1 bâtonnet
Insensibles à la couleur
Lents à l’adaptation
V()
peut réagir à 1 seul photon,
mais le h quantique n’est que
de 50%)
Quoi -ckJP
Ti EG
me ™
d éc
Ph ot
so et
nt un
re qu
i s om
po urpr es
vi sse
uaurli s er
ce t te im ag e.
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
400
450
500
550
600
650
700
 (nm)
De la cornée à la rétine (exclue) la courbe de transmission spectrale couvre une gamme de 300 nm à 1400 nm.
Le cristallin porte la limite inférieure globale à 380 nm au lieu de 300 nm
La réponse du photorécepteur
2. Couleur
SIP
CPAT
Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas
que celui d’un cône !
Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois
plus grande que celle des bâtonnets (100 ms).
Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive,
qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi.
En petit nombre (~ 5 millions/œil)
Sensibilité moyenne
Grande vitesse de réponse
Sensibles à la couleur
L'œil perçoit des longueurs d'onde
et le cerveau "voit" des couleurs
Un objet semble être coloré car il absorbe
sélectivement certaines longueurs d'onde
de la lumière incidente
Les grandeurs et les unités
1. Le flux
SIP
CPAT
Equivalent
Energie émise
(W)
Filtre V()
F 
760nm
 P()V()d
380nm
  683 lm /W
Flux lumineux
(lm)
Flux
Débit
Les grandeurs et les unités
2. L'intensité lumineuse
SIP
CPAT
Equivalent
Source lumineuse
ponctuelle
O
X
q
X'
Unité : le candela (cd)
1 cd = 1 lm/sr
Flux dans
une direction
Débit dans
une direction
Les grandeurs et les unités
3. L'éclairement
Source lumineuse
Objet
E = ∆Fabs/∆S
Unité : lx ou lm/m2
CPAT
L'angle solide (sr)
O
X
SIP
Les grandeurs et les unités
4. L'excitance
SIP
CPAT
F sur 2π sr
Source lumineuse
non-ponctuelle
M = ∆Femis/∆Ssource
Unité lm/m2
S source
Les grandeurs et les unités
5. La luminance
SIP
CPAT
Illustration
I
q
Surface apparente
A
q
q
I
I
L1 
A
L1 « L2
I
L2 
a
Lq = Iq/Sapp
Unité cd/m2 ou lm/sr.m2
Surface apparente
a
Les grandeurs et les unités
6. Synthèse
SIP
CPAT
Lois de base
1. Loi de l'inverse du carré de la distance
∆w
CPAT
F 
E

S  E  I
2
F 
d
I

w 
Source
Ponctuelle
I = ∆F/∆w
S1
S2
Conséquence
d1
L'éclairement diminue en s'éloignant de la source
d2
X
I
I
E1  2 » E2  2
d1
d2
SIP
Lois de base
2. Loi du cosinus
CPAT
Ia 
E  2 
3

I
cos
a
d
0
Ia  I0 cos a  E 
2
h

h  d cos a 

Source
Ponctuelle
d
Ia
a
h
O
Plan utile
SIP
Généralisation
a
Pour une source uniforme et
non-ponctuelle
P
cos 3 a i
E   Ei  I0 
2
h
i
i
i
Lois de base
3. Loi de Lambert
SIP
CPAT
Pour une surface parfaitement diffusante
q
L
L(q) = constante
I0
Iq
Iq = I0 cosq
P
Loi de Lambert
Réflexion - Transmission
SIP
CPAT
Cas idéal
Cas réel
Pin
Pin
Pr
Pr
Coef. de réflexion
r
Pth
Coef. de transmission
t
Pin = Pr + Pt
r+t=1
Pt
Pt
Pin = Pr + Pt + Pth
r + t+ a = 1
La température
augmente
Réflexion Spéculaire
Loi de Descartes
La vitesse de la lumière est constante
SIP
CPAT
b
La lumière se déplace sur le chemin le plus court
P'
entre deux points dans l'espace (ligne droite)
a
|| OP || = || OP' ||
a=b
(angle de départ = angle d'arrivée)
Les points POO' définissent un plan
perpendiculaire à la surface de réflexion
Surface
parfaitement lisse
O'
P
O
Réflexion Diffuse
SIP
CPAT
Pas de direction ni plan privilégiés
Etat microscopique
de la surface
Faisceau
incident
a
Surface réelle
Réflexions
O
Coefficients de réflexion
r
Réflexion diffuse : rd
Réflexion spéculaire rs
Réflexion totale
rtot = rs+ rd
Dans tous les cas rtot ≤ 1
et
rtot + t+ a = 1
Relations
Surface parfaitement diffusante
E
L  rd

Surface parfaitement réfléchissante
Lout  rs Lin
SIP
CPAT
La couleur
1. Le rôle de cônes
SIP
CPAT
Il existe 3 types de cônes
Bâtonnets
Trois "couleurs" principales : Rouge, Vert, Bleu
La couleur
2. L'œil perçoit des longueurs d'onde
et le cerveau "voit" des couleurs
SIP
CPAT
Synthèse additive
Synthèse soustractive
En moyenne, notre œil est capable de discerner
plus de 350 000 couleurs différentes
Mais très peu de personnes ont une perception
correcte des couleurs
La couleur
3. Représentation RVB
r
r  v b
v
v' 
rvb
b
b' 
rvb
Couleur "a"
[r,v,b]
Cyan
[0,1,1]
[0,0,1]
Magenta
[1,0,1]
Noir
[0,0,0]
Base : R= 700 nm, V = 546,1 nm, B = 435,8 nm
LR = 1 cd/m2, LV = 4,59 cd/m2, LB = 0,06 cd/m2
Coordonnées du blanc (W) : 1/3 - 1/3 - 1/3
Blanc
[1,1,1]
[0,1,0]
[1,0,0]
Jaune
[1,1,0]
R
CPAT
r' 
Le système RVB
B
SIP
V
En réalité beaucoup de couleurs ne peuvent pas
entrer dans cette représentation !
La couleur
4. Le triangle de couleurs
R
Plan r'+v'+b'=1
Lieux de couleurs
du spectre
B
Projection (x, y)
V
Cette représentation n'est valable que pour la lumière
émise par un source ("lumières d'orifice")
SIP
CPAT
La couleur
5. Approche visuelle
SIP
CPAT
L'espace de Munsell
et sa représentation simplifiée
T = teinte
S = saturation
L = luminosité
La couleur des objets
SIP
CPAT
Sources de lumière
Quelques ordres de grandeur
Sources primaires
Soleil
Lampe à incandescence 100 claire
Lampe à incandescence 100 dépolie
Lampe fluorescente 40W (T12)
Bougie stéarique
SIP
CPAT
Luminance (cd/m2)
165 000 x104
600 x104
125 x103
7 x103
5 x103
Sources secondaires
Lune
Papier banc (r=0,8)
Papier gris (r=0,4)
Papier noir (r=0,04)
2,5 - 3 x103
100
50
5
Eclairées avec une lampe de 100 W équipé d'un diffuseur en verre opalin (Ø38)
Eclairement 400 lx
La luminance minimum
susceptible d'impressionner
l'œil est de :
10-9 cd/cm2
Comment produire de la lumière
sans électricité
FROID
CHAUD
Incandescence
Luminescence
LUMIERE
Je dois trouver
beaucoup de
lucioles
 Feu
 Torches
 Chandelles
 Lampes à huile
 Bio-luminescence
 Phosphorescence
 Tribo-luminescence
 Thermo-luminescence
 Foudre
SIP
CPAT
Comment produire de la lumière
avec électricité
Arc Electrique
Incandescence
Arc au charbon
Humphry Davy &
Michael Faraday
1812
Filament au charbon
Thomas Edison
1878
SIP
CPAT
La famille des lampes
électriques
SIP
CPAT
Pression
opérationnelle
Agrégats
Filtre
sélectif
Type de spectre
d'émission
Mode
d'excitation
Halogène
L.E.D
Classique
Filament de W
Décharge
électrique
Incandescence
Luminescence
Electroluminescence
Production de la lumière
SIP
CPAT
Méthode "chaude"
Milieu Dense
Interactions Fortes
Filament
métallique
chaud
Méthode "froide"
Spectre Continu
Milieu dilué
Interactions Faibles
Atomes
Molécules
Spectre de raies
SIP
CPAT
Les lampes sont partout !
SIP
CPAT
Eclairage des
Monuments
Applications
Industrielles
Eclairage
Intérieur
Eclairage Public
Véhicules &
Transport
Panneaux
d'affichage
Quelques chiffres
SIP
CPAT
30 milliards de lampes fonctionnent chaque jour sur terre
10 milliards de nouvelles lampes sont produites chaque année
1 000 TWh d'énergie électrique sont consommées par an
41 TWh pour la France en 1999
10% de la production mondiale de l'électricité
 11,5 % pour la France
 21% pour les USA
 34% pour la Tunisie
40 GWh pour Toulouse (1995)
Public
10%
Tertiaire
60%
RŽ
s identiel
30%
En 1979 : 5 TWh
En 1999 : 14 TWh
1000 millions de tonnes de CO2 sont
injectées dans l'atmosphère par an
80 tonnes de déchets contaminés au Hg
sont collectées chaque année en France
La question:
SIP
CPAT
Quelques définitions
(le photorécepteur)
SIP
CPAT
1.0
Quoi -ckJP
Ti EG
me ™
d éc
Ph ot
so et
nt un
re qu
i s om
po urpr es
vi sse
uaurli s er
ce t te im ag e.
V()
0.8
0.6
L'œil perçoit des longueurs d'onde
et le cerveau "voit" des couleurs
0.4
0.2
0.0
400
450
500
550
600
650
700
 (nm)
1 watt (W) émit à 555 nm
vaut 683 lumens (lm)
Un objet semble être coloré car il absorbe
sélectivement certaines longueurs d'onde
de la lumière incidente
Un exemple de "Couleur"
SIP
CPAT
Original
Sodium
Basse pression
Mercure
Haute
Pression
Sodium
Haute
Pression
Quelques définitions
(la source de lumière)
Puissance émise
Pr ()

 P ( )d
r
0
Pin
Puissance électrique
Pin
Efficacité lumineuse (lm/W) : :
700
 P ( )V
r
h  k 400
ph
Pin
( )d
CPAT
Spectre
I
Efficacité électrique (%) :

SIP
Indice Rendu Couleurs
IRC
Temp. de couleur
Tc
Continu
Raies (ou bandes)
Mixte
Une première réponse
SIP
CPAT
La qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'application
pour laquelle a été réalisée
h
Sodium
Basse Pression
Bon
Éclairage
routier
Sodium
Haute Pression
Mercure
Haute Pression
Moyen
200 lm/W
IRC~0
MHL
(quartz)
MHL
(céramique)
Sodium
Haute Pression
"White"
Éclairage
intérieur
incandescence
12 lm/W
IRC~100
Faible
0
100
IRC
SIP
CPAT
Histoire du développement
des lampes
SIP
(1e Période)
Incandescence
remplie avec du gaz
CPAT
Systèmes à arc
expérimentaux
LPS
Filament au
tungstène
Néon
Lampe
Fluorescente
(T12)
Incandescence
(filament spiralé)
MHP
HPS
Fluorescente
Forte intensité
(T8)
Halogène
LED
MHL
Incandescence
(filament axial)
1897-1913
1930-1938
(J. Waymouth, LS:5, 1989)
1955-1965
Histoire du développement
des lampes
(2e Période)
SIP
CPAT
1970-1989
Fluorescent
compact (CFL)
MHL
miniature
Ballast
électronique
Incandescence
(filtre sélectif)
(J. Waymouth, LS:5, 1989)
1990-…
?
Évolution de l'efficacité lumineuse
des sources
Evolution de l'efficacité
Lampe au Soufre
Fluo Compacte (CFL)
Na Haute Pression (SON)
Na HP blanche
Fluorescent
Na Basse pression (LPS)
HID/MHL
Incandescence
L'industrie des lampes a-t-elle atteint
quelque limite thermodynamique ?
(J . Waymouth, ALITE-95)
SIP
CPAT
La limite théorique pour
la lumière blanche
SIP
CPAT
800
6 83 l m /W
600
Vp ho t( (lm W -1)
-2
-1
0.3xLBB
CN (Wm nm )
400
200
0
400
450
500
550
600
 (n m)
(J . Waymouth, ALITE-95)
650
700
750
Histoire du développement
des lampes
SIP
(3e Période)
CPAT
1970-1989
Fluorescentes
Lampe
Sans électrodes
(T5 et
Sans mercure
HF/RF
sans mercure)
(Zinc)
Fluorescent
compact (CFL)
Agrégats
MHL
miniature
Ballast
électronique
Hg-UHP
Excimer
Contrôle
de la couleur
Soufre HP
Configurations 2-D
Incandescence
(filtre sélectif)
LED forte
Intensité
Et
LED UV
1990-…
La lampe n'est qu'un élément
d'un système complexe
Energétique
Architecture...
Environnement
Récepteur
Lampe
Source de
puissance
h
Réseau
Génie électrique
Electronique...
Phys. plasmas
Chimie
Matériaux...
Physiologie
Ergonomie
Psychologie...
SIP
CPAT
Les "10 commandements"
d'une bonne lampe
SIP
CPAT
 Produit le maximum de
lumière avec le minimum
de l'énergie électrique
 Ne pollue pas
 Produit une "bonne"
lumière

Soit recyclable

Soit légère et
compacte
 Spectre
 IRC
 Température de couleur
 Produit une lumière stable


sans fluctuations
constante sur toute ta vie




Chaleur
UV
Interférences EM
Matériaux toxiques
 Ait une longue vie
 Produit toute
 Soit interchangeable  Ne coûte pas cher
avec d'autres lampes
ta lumière
instantanément
Dans un monde sans lampes...
SIP
CPAT
… tous les chats sont gris !