Photométrie (optique)

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La photométrie est la science qui étudie le rayonnement lumineux du point de vue de la perception par l'œil humain. Elle se distingue de la radiométrie qui mesure les rayonnements électromagnétiques sur l'ensemble du spectre. Les grandeurs photométriques et leurs unités (candela, lumen et lux) sont dites « subjectives » car elles dépendent de la vision humaine, tandis que les grandeurs radiométriques sont dites « objectives » puisqu'elles sont indépendantes de la perception humaine. Les appareils de mesure de grandeurs photométriques, qui ne font pas intervenir directement l'œil en tant qu'élément sensible, sont étalonnés en fonction de l'efficacité lumineuse spectrale, parfois nommée sensibilité relative de l’œil qui permet de pondérer les effets des différents rayonnements en fonction de leur longueur d'onde. Les domaines d'application de la photométrie sont l'éclairagisme, l'architecture, la photographie, l'audiovisuel, la spectrophotométrie, etc.

Sources lumineuses[modifier | modifier le code]

Une source lumineuse primaire est un corps qui produit de la lumière par transformation d'une autre forme d'énergie. Le soleil est un bon exemple : l'énergie libérée par la fusion nucléaire entraîne la production de lumière par incandescence. C'est aussi le cas de toutes les sources de lumière artificielles.

Une source lumineuse secondaire est une source qui renvoie une partie de la lumière qu'elle reçoit. La lune nous renvoie une partie du rayonnement solaire qu'elle reçoit. Il en va de même pour la plupart des objets du quotidien.

La source lumineuse peut être considérée ponctuelle — si elle est perçue comme un point — ou étendue — si elle est perçue comme une surface.

Photométrie et perception humaine[modifier | modifier le code]

Efficacités relatives des visions scotopique CIE 1951[1] (en bleu) et photopique 2° CIE 1924 [2] (trait plein) et 2° CIE 1988[3],[4] (pointillés).
Article détaillé : Efficacité lumineuse spectrale.

La perception humaine de la quantité de lumière émise par une surface observée dépend non seulement du champ visuel mis en jeu — les études se sont intéressées aux angles de 2° et de 10° —, de la couleur — ou plus précisément de la composition spectrale du rayonnement émis — mais aussi de l'intensité de la lumière émise.

Il existe plusieurs domaines photométriques correspondant aux différents types de vision. Dans le domaine scotopique, en vision nocturne, seuls les bâtonnets permettent la vision. Dans le domaine photopique, en vision diurne, ce sont les trois types de cônes qui assurent la vision rendant possible la perception des couleurs. Pour chacun de ces deux domaines, une fonction d'efficacité lumineuse spectrale permet d'établir les grandeurs photométriques à partir des grandeurs radiométriques. Elles indiquent que la sensibilité maximale de l'œil humain est atteinte pour une longueur d'onde de 555 nanomètres[Note 1] en vision diurne et 507 nanomètres[Note 1] en vision nocturne. Entre ces deux domaines se trouve le domaine mésopique correspondant à la vision crépusculaire. Dans ce domaine les cônes et la bâtonnets fonctionnent conjointement : le déplacement progressif du maximum de sensibilité vers les bleus est nommé effet Purkinje.

Les fonctions d'efficacité lumineuse spectrale prennent toutes des valeurs nulles pour des longueurs en deçà de 360 nanomètres et au dessus de 830 nanomètres[Note 1]. En dehors de cette plage toutes les grandeurs photométriques sont nulles, les rayonnements sont invisibles.

Grandeurs photométriques[modifier | modifier le code]

Le tableau ci-dessous rassemble les grandeurs photométriques, « subjectives » car elles dépendent de la perception humaine, et leurs unités, ainsi que les grandeurs énergétiques ou radiométriques, « objectives » puisqu'elles sont indépendantes de la perception humaine, qui leur sont associées[5],[6].

Grandeurs et unités de photométrie et de radiométrie
Grandeur photométrique Symbole Unité SI (symbole) Dimension Équivalent radiométrique Symbole Unité SI (symbole) Dimension
Quantité de lumière Q_v lumen seconde (lm⋅s) J⋅T⋅Ω Énergie rayonnée Q_e joule (J) M⋅L2⋅T−2
Flux lumineux[7] \phi_v lumen (lm) J⋅Ω Flux énergétique (puissance rayonnée)[7] \phi_e watt (W) M⋅L2⋅T−3
Intensité lumineuse[7] I_v candela (cd) J Intensité énergétique[7] I_e watt par stéradian (W⋅sr−1) M⋅L2⋅T−3
Luminance / Luminance lumineuse[Note 2] L_v candela par mètre carré (cd⋅m−2) J⋅L-2 Luminance énergétique / Radiance[Note 3] L_e watt par mètre carré et par stéradian (W⋅m-2⋅sr-1) M⋅T−3
Éclairement lumineux[7] E_v lux (lx) J⋅L-2⋅Ω Éclairement énergétique / Irradiation / Irradiance[Note 4] E_e watt par mètre carré (W⋅m-2) M⋅T−3
Exitance / Émittance[Note 5] M_v lumen par mètre carré (lm⋅m-2) J⋅L-2⋅Ω Exitance / Émittance énergétique M_e watt par mètre carré (W⋅m-2) M⋅T−3
Exposition lumineuse / Lumination[Note 6] H_v lux seconde (lx⋅s) J⋅T⋅L-2⋅Ω Exposition énergétique H_e joule par mètre carré (J⋅m-2) M⋅T-2

Pour présenter de façon simple ces différentes grandeurs utilisées en photométrie nous étudierons une source lumineuse qui éclaire une surface.

Au niveau de la source lumineuse[modifier | modifier le code]

Indicatrices de luminance et d'intensité lumineuse dans le cas d'une lampe à incandescence. L'intensité est moins importante dans l'axe du filament car la surface apparente de tungstène est réduite.

Si la source est ponctuelle, on apprécie sa "brillance" ou "éclat lumineux" dans la direction d'observation par une grandeur appelée intensité lumineuse, exprimée en candela, en la comparant à celle d'une bougie[Note 7]. L'intensité lumineuse ne dépend pas de la distance d'observation. Si elle est la même dans toutes les directions, on dit que la source est isotrope

Si la source est étendue, son "éclat" est caractérisé par la luminance, exprimée en candelas par mètre carré : elle renseigne sur l'intensité d'un mètre carré de cette source si celle ci était observée de suffisamment loin pour être perçue comme ponctuelle. Les surfaces brillantes ont une luminance qui dépend de la direction d'observation. Pour les surfaces diffusantes, mâtes, la luminance est la même dans toutes les directions du demi-espace, on dit que l'on a à faire à une source lumineuse orthotrope.

Entre la source lumineuse et la surface éclairée[modifier | modifier le code]

Le transfert de l'énergie émise se fait par rayonnement. Toutes les fréquences de ce rayonnement ne sont pas visibles par l'œil humain. La "puissance visible" du rayonnement porte le nom de flux lumineux et s'exprime en lumen. On peut étudier le flux lumineux émis par la source dans toutes les directions ou uniquement la partie qui atteint une surface réceptrice, etc. Si la source est étendue, on définit alors l'émittance de la source, exprimée en lumens par mètre carré de surface émettrice. Pour une source lumineuse orthotrope, il existe une relation simple entre la luminance et l'émittance exprimée par la loi de Lambert.

La "proportion" de la partie visible du rayonnement par rapport à la totalité du rayonnement constitue ce que l'on appelle l'efficacité lumineuse et s'exprime en lumen par watt.

Dans le cas des sources artificielles modernes, c'est une puissance électrique qui est à l'origine de l'incandescence et/ou de la luminescence. La rentabilité d'une telle source, compte tenu de sa consommation, est caractérisée par le rendement lumineux en lumen par watt (lm·W-1). Les fabricants de lampes électriques préfèrent souvent le terme efficacité lumineuse malgré une définition rigoureusement différente.

Au niveau de la surface éclairée[modifier | modifier le code]

Si une partie de flux lumineux parvient en un point de la surface, on dit que la surface est éclairée. Pour juger de cet éclairement, on définit une grandeur appelée éclairement lumineux, exprimée en lux.

Cet éclairement lumineux ne laisse en rien présager de la quantité de lumière réémise par la surface qui devient une source à son tour (on peut alors définir son émittance). Cette dernière dépend de la nature et de l'état de la surface mais aussi de sa couleur. La notion de couleur n'est pas abordée en photométrie, c'est le domaine de la colorimétrie. Cependant, la quantité de lumière réémise dépend des longueurs d'onde de la lumière incidente et l'on définit une réflectance spectrale représentée sous la forme d'une courbe de réflectance pour rendre compte de ce fait.

En l'absence d'un phénomène de fluorescence, de luminescence ou de phosphorescence, le flux lumineux réémis en chaque point est inférieur au flux lumineux incident, ce qui se traduit par le fait que l'émittance en un point de la surface s'exprime par un nombre inférieur au nombre exprimant son éclairement lumineux. Émittance et éclairement sont de mêmes dimensions, on utilise respectivement le lumen par mètre carré (lm·m-2) et le lux (lx) pour les distinguer.

Dans certains domaines comme la photographie, le temps pendant lequel une surface photosensible reçoit un éclairement doit être pris en compte. L'exposition lumineuse (anciennement nommée lumination) est égale au produit de l'éclairement et de la durée d'exposition et s'exprime en lux-seconde (lx.s).

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c Les longueurs d'ondes sont toujours celles de l'onde se propageant dans le vide ou à peu de chose près dans l'air
  2. La plupart des auteurs utilisent le terme « luminance » bien que le Bureau international des poids et mesures conseille l'utilisation du terme « luminance lumineuse » : Bureau international des poids et mesures 2006, p. 29-30.
  3. Le terme « radiance » est utilisé sous l'influence de la langue anglaise : Robert Sève 2009, p. 308-311. Le terme « luminance énergétique » est conseillé par le Bureau international des poids et mesures 2006, p. 29-30.
  4. Le terme « éclairement énergétique » est conseillé par le Bureau international des poids et mesures 2006, p. 29-30.
  5. Le mot « exitance » remplace « émittance » ; le mot « radiance » a été abandonné pour éviter la confusion car il signifie luminance énergétique en anglais et est actuellement utilisé dans ce sens : Robert Sève 2009, p. 308-311.
  6. Le terme « lumination » est essentiellement utilisé dans le domaine de la photographie où l'on utilise plutôt la notion de d'indice de lumination IL (exposure value EV) : René Bouillot 2005, p. 147-149.
  7. Candela signifie « bougie », « chandelle » en latin.

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Color and Vision Research Laboratory : CIE Scotopic luminosity curve (1951)
  2. (en) CIE 1924 — Color and Vision Research Laboratory : CIE 2-deg photopic luminosity curve (1924)
  3. (en) CIE 1988 2° Spectral Luminous Efficiency Function for Photopic Vision
  4. (en) 1978 — Color and Vision Research Laboratory : Judd-Vos modified CIE 2-deg photopic luminosity curve (1978)
  5. Robert Sève 2009, p. 308-311
  6. www.blog-couleur.com
  7. a, b, c, d et e Bureau international des poids et mesures 2006, p. 29-30

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ 2009 (ISBN 2-9519607-5-1)
  • René Bouillot, La pratique du reflex argentique & numérique, Paris, Eyrolles,‎ 2005 (ISBN 2-86258-231-X)