Luminance

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En physique, la luminance est l'intensité d'une source étendue dans une direction donnée, divisée par l'aire apparente de cette source dans cette même direction.

La luminance est une grandeur photométrique, dépendante de la sensibilité de l'œil humain, au contraire de la luminance énergétique, qui concerne tous les rayonnements visibles ou non[1].

La grandeur correspondant à une seule longueur d'onde de rayonnement lumineux est la luminance énergétique monochromatique.

Définition et unités[modifier | modifier le code]

La luminance lumineuse est l'intensité lumineuse d'une source lumineuse étendue dans une direction donnée, divisée par l'aire apparente de cette source dans cette même direction.

L'unité de luminance lumineuse est la candela par mètre carré, symbole cd⋅m-2 ; elle remplace la précédente unité équivalente, le lumen[2] par mètre carré et par stéradian, symbole lm⋅m-2⋅sr-1).

Autres unités n'appartenant pas au Système international :

  • le nit, 1 nit = 1 cd⋅m-2 ;
  • le stilb (sb), 1 sb = 1 cd⋅cm-2 = 1 kcd⋅m-2 ;
  • l'apostilb ou blondel (asb), 1 asb = 1/π cd⋅m-20,3183 cd⋅m-2 ;
  • la candela per square inch, 1 cd⋅in-21 550 cd⋅m-2 ;
  • la candela per square foot, 1 cd⋅ft-210,764 cd⋅m-2 ;
  • le lambert (L), 1 L = 1/π cd⋅cm-23 183 cd⋅m-2 ;
  • le foot-lambert (fL ou flam), 1 fL = 1/π cd⋅ft-23,426 cd⋅m-2 ;
  • le skot, 1 skot = 1 masb0,3183 mcd⋅m-2.

L'unité de luminance énergétique (qui comprend tous les rayonnements visibles ou non) est le watt par mètre carré et par stéradian, symbole W/(m².sr).

L'unité de luminance énergétique monochromatique est le watt par mètre cube et par stéradian, symbole W/(m³.sr).

Luminance absolue[modifier | modifier le code]

Fonction d'efficacité lumineuse relative spectrale

La CIE a défini des systèmes colorimétriques correspondant à la vision de l'observateur de référence, moyenne d'un groupe d'observateurs dénués de défauts de vision. Pour ce faire elle a placé chacun de ceux-ci devant un coin réfléchissant, une lumière de couleur pure (en pratique une lumière quasi-monochromatique) étant envoyée de chaque côté. L'observateur devait alors comparer leurs intensités subjectives.

Dans une première phase la comparaison de couleurs du spectre lumineux prises deux à deux a permis de classer les différentes couleurs selon l'intensité ressentie. Ceci a conduit à la détermination de la couleur qui a l'intensité subjective la plus forte ; c'est un vert-jaune situé vers le milieu du spectre de longueur d'onde proche de 555 nm.

Dans une seconde phase l'observateur a dû ajuster l'intensité de chaque couleur pure pour que celle-ci lui paraisse identique à celle d'une lumière vert-jaune d'intensité choisie comme unité. Cela a abouti à une courbe d'efficacité lumineuse spectrale en fonction de la longueur d'onde. Cette fonction vaut zéro aux deux extrémités du spectre visible et présente un maximum dont la valeur est arbitrairement normalisée à un.

Cette fonction de la longueur d'onde \scriptstyle \lambda, notée \scriptstyle V(\lambda), relie la luminance, intensité subjective d'une lumière, à son intensité objective.

Dans le cas d'un spectre continu, les intensités individuelles sont infiniment petites. Ceci conduit à considérer la luminance énergétique spectrale \scriptstyle S(\lambda), densité d'énergie dans un intervalle infiniment petit \scriptstyle \mathrm d\lambda, exprimée en W.sr-1.m-2.m-1. En fonction de celle-ci, la luminance en cd.m-2 se calcule par

\displaystyle L =K.\int\limits_{380~nm}^{780~nm} S(\lambda).V(\lambda). \mathrm d\lambda,

K étant égal à 683 lm.W-1 selon la définition de la candela.

Cette formule relie l'énergie lumineuse (visible) à l'énergie radiante.

Luminance relative[modifier | modifier le code]

Lorsqu'un utilisateur travaille devant son écran, par exemple pour traiter une photographie numérique, la notion de luminance absolue définie précédemment est de peu d'utilité on parle alors de luminance relative (en). Les couleurs sont généralement représentées dans le système RVB Truecolor 24 bits. Chacune des primaires codée sur 8 bits possède des intensités allant de 0 à 255. Par cohérence la luminance doit également être codée de 0 à 255. La formule de transformation dépend du système RVB choisi. Pour sRGB elle s'écrit :

Y=0.2126 R + 0.7152 V + 0.0722 B

Ainsi la luminance maximale ne concerne que le blanc.

Perception visuelle de la luminance[modifier | modifier le code]

Principalement en raison de la sensibilité des récepteurs de la rétine, la sensibilité de l'œil humain n'est pas la même sur l'ensemble du spectre de couleurs. Celui-ci s'étend du rouge (780 nm) au violet (400 nm) avec le jaune-vert au centre. Pour cette raison, le jaune-vert est la couleur la plus représentative du spectre lumineux. De plus, la couleur à laquelle l'œil est le plus sensible se déplace vers le bleu lorsque la luminosité ambiante diminue : c'est l'effet Purkinje.

Par ailleurs, la plupart des couleurs du spectre lumineux peuvent être recréées à partir de trois couleurs fondamentales en synthèse additive : le rouge, le vert et le bleu ou RVB (ou Red Green Blue en anglais ou RGB).

Synthèse additive des couleurs.
Synthèse additive de la luminance des couleurs.

Les lumières blanches analogues à celle du soleil sont composées de :

  • 30 % de rouge (680 nm)
  • 59 % de vert (545 nm)
  • 11 % de bleu (440 nm)

En réalité, l'œil perçoit comme blanches des lumières de compositions très différentes, après un certain temps d'accoutumance, à condition que ces lumières contiennent à peu près toutes les longueurs d'onde du spectre.

Ces proportions deviennent visibles dès que le mélange des couleurs primaires est converti en niveaux de gris. Des trois primaires, le vert est le plus lumineux, suivi du rouge, puis du bleu.

En outre la perception de la luminance d'un objet peut être modifiée par le contexte dans lequel il est placé. Cette observation est sans doute la conséquence de processus impliquant les aires visuelles supérieures du cortex.

La luminance en vidéo[modifier | modifier le code]

Un signal vidéo est habituellement composé de trois signaux correspondant aux couleurs fondamentales sont notés :

On peut par commodité décomposer ce signal en trois autres composantes. La luminance est alors la partie du signal vidéo correspondant à l'intensité lumineuse produite, soit le niveau entre le noir et le blanc. La couleur et l'intensité de cette couleur correspondent à l'autre partie du signal, appelés respectivement chrominance et saturation.

Le signal de luminance est quant à lui noté Y (L dans Apple Shake). On a l'équation suivante :

Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B.

Dans les tubes cathodiques, le signal vidéo nécessaire pour produire une certaine luminance physique (donc en candelas) suit une loi non linéaire, c'est la fonction gamma.

La luminance en infrarouge[modifier | modifier le code]

La bande spectrale de l'infrarouge s'étend de 0.9 micromètres à 14 micromètres.

De même que dans le visible il est possible de parler de luminance infrarouge.

La luminance réelle d'un objet combinée à l'équation de conservation de l'énergie donne la luminance apparente qui peut être mesurée grâce à un système optronique (camera thermique...).

Références[modifier | modifier le code]

  1. Le Vocabulaire électrotechnique international done une définition normative (IEC 60050) en plusieurs langues des termes luminance et luminance énergétique ((en) radiance).
  2. Le lumen est l'unité de flux lumineux, et 1 lm = 1 cd⋅sr.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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