Efficacité lumineuse spectrale

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La sensibilité de l’observateur de référence aux différentes longueurs d'onde est définie par l'efficacité lumineuse spectrale relative.

L'efficacité lumineuse spectrale est une fonction qui exprime, pour une longueur d'onde donnée, le rapport entre le flux énergétique du rayonnement électromagnétique reçu et la perception de flux lumineux que ce flux induit pour la vision humaine. Elle caractérise la sensibilité du système visuel humain aux différentes longueurs d'onde. Elle s'exprime, dans le Système international d'unités en lumens par watt (lm/W).

L'efficacité lumineuse spectrale relie les grandeurs photométriques aux grandeurs radiométriques.

Plusieurs fonctions tabulées ont été normalisées par la commission internationale de l'éclairage ; elles définissent l'observateur de référence dans différentes conditions ː vision diurne ou nocturne, angle d'observation de 2° ou de 10°. La plus ancienne d'entre elles, notée (CIE 1924), est la plus répandue en pratique. Malgré ses défauts et, plus généralement, l'impossibilité de définir exactement la perception humaine dans toute la diversité des conditions d'observation, la fonction est utilisée conventionnellement pour le calcul et par les appareils de mesure en photométrie.

Vision humaine et grandeur photométrique[modifier | modifier le code]

Tandis que l'objet de la radiométrie est la mesure du rayonnement sur toute ou partie du spectre électromagnétique, la photométrie s'intéresse uniquement aux rayonnements visibles et quantifie l'impression visuelle qu'ils provoquent. Des sources de puissances rayonnées identiques, mais dont les répartitions spectrales diffèrent, peuvent être perçues avec des éclats très différents. Tout particulièrement, les sources infrarouges ou ultraviolettes ne sont pas visibles, quelles que soient leur puissance. Aussi, la première évaluation de la sensibilité du système visuel humain, longueur d'onde par longueur d'onde, c'est-à-dire couleur pure par couleur pure, par le biais de la première fonction d'efficacité lumineuse, fut un acte fondateur de la photométrie. Depuis, trois autres fonctions d'efficacité lumineuse spectrale tabulées ont été normalisées à sa suite par la CIE. D'autres ont été publiées mais ne sont pas encore normalisées[1].

Fonctions d'efficacité lumineuse spectrale photopique K(λ) et scotopique K′(λ).
Fonctions d'efficacité lumineuse spectrale relative photopique V(λ) et scotopique V′(λ).

Dans le domaine photopique ː

  • (CIE 1924) la première d'entre elles, définit l'observateur de référence en vision diurne pour un champ visuel de 2°[2] ; elle est aussi la fonction colorimétrique du système CIE XYZ 1931.
  • (CIE 1988) apporte une correction à la précédente[3].
  • (CIE 1964) définit l'observateur de référence en vision diurne pour un angle de 10° ; elle est aussi la fonction colorimétrique du système CIE X10Y10Z10 1964.

Dans le domaine scotopique ː

  • (CIE 1951) définit l'observateur de référence en vision nocturne[4].

La fonction d'efficacité lumineuse spectrale permet de calculer une grandeur photométrique (v pour visuel) – flux, intensité, luminance, etc. –, à partir de la densité spectrale de son analogue radiométrique (e pour énergétique). À ce titre, la fonction est de loin la plus couramment utilisée, comme dans l'expression ci-dessous.

.

  • , est l'efficacité lumineuse spectrale ;
  • , est l'efficacité lumineuse spectrale relative ;
  • est l'efficacité lumineuse spectrale maximale, sa valeur est proche de 683 lm W−1 pour les fonctions du domaine photopique, et de 1 700 lm W−1 pour la fonction du domaine scotopique.

En pratique, la mesure de la densité spectrale est réalisée par intervalles réguliers sur les longueurs d'onde (nanomètre par nanomètre par exemple) et l'intégrale doit être interprétée comme une somme par pas réguliers . Les fonctions d'efficacité spectrale relatives normalisées sont généralement tabulées par pas de 5 nm.

.

Fonctions normalisées[modifier | modifier le code]

Vision photopique[modifier | modifier le code]

En vision photopique, plus fréquemment nommée vision diurne dans le langage courant, seuls les cônes permettent la vision.

Champ visuel de 2° ː et [modifier | modifier le code]

La fonction d'efficacité spectrale photopique mesurée sur une angle de champ visuel de 2° fut normalisée en 1924 et notée .

  • D'abord, l'efficacité lumineuse spectrale maximale, en lien avec la définition de la candela[5], est d'environ 683,002 lm/W[6], correspondant à une à une longueur d'onde de 555 nm dans l'air (jaune–vert)[7]. Cette valeur est souvent arrondie à 683 lm/W[6], compte tenu du fait que le seuil de discrimination humain des luminances est au mieux de 1%[8].
  • Ensuite, les valeurs tabulées de la fonction d'efficacité lumineuse spectrale relative sont données dans le tableau qui suit. Elles fixent la maximum de sensibilité de l'observateur de référence à une longueur d'onde de 555 nm. Elles sont définies de 360 nm à 830 nm par pas de 5 nm[9], mais des méthodes d'interpolation permettent d'obtenir des valeurs par pas de 1 nm[10]. Ces valeurs sont également utilisées pour définir la fonction colorimétrique du système CIE XYZ 1931.

Elle fut proposée par Gibson et Tyndall en 1923[11] à partir de mesures effectuées dans des conditions différentes aboutissant à des résultats parfois très différents[12]. C'est pourquoi, suite aux travaux de D. B. Judd (1951) puis de Vos (1978)[13], une modification fut apportée en 1988[3] à la fonction d'efficacité lumineuse spectrale relative entre 380 et 460 nm ː elle est notée  ; l'efficacité lumineuse spectrale maximale reste la même. Malgré ses avantages, cette fonction reste peu utilisée en dehors des laboratoires de recherche[1].

Champ visuel de 10° ː [modifier | modifier le code]

La fonction d'efficacité spectrale photopique mesurée sur une angle de champ visuel de 10°, notée , fut normalisée en 1964 en même temps que le système colorimétrique CIE X10Y10Z10 1964, dont elle est aussi la fonction colorimétrique ., d'après les travaux de Stiles et Burch (1959)[14]. L'efficacité lumineuse relative maximale est fixée à 683,6 lm/W, correspondant à une à une longueur d'onde de 557 nm dans l'air[15].

Vision scotopique ː [modifier | modifier le code]

La formulation est identique à celle de la vision photopique, mais la sensibilité de l'œil humain est différente en vision nocturne, seuls les bâtonnets permettent la vision. L'efficacité lumineuse relative maximale est fixée à 1 700 lm/W, correspondant à une à une longueur d'onde de 507 nm dans l'air. L'efficacité lumineuse spectrale relative est notée et ses valeurs sont tabulées par pas de 5 nm entre 380 et 780 nm.

Mesure de l'efficacité lumineuse spectrale[modifier | modifier le code]

La mesure est effectuée en comparant deux lumières monochromatiques de longueurs d'onde différentes. La première servant de référence, un observateur modifie la luminance énergétique de la seconde jusqu'à égalisation de la sensation de luminosité des deux couleurs. Dans le domaine scotopique, sans vision des couleurs, l'établissement des courbes de sensibilité spectrale se fait, après un long délai d'adaptation visuelle aux faibles lumières, en réglant la radiance de lumières monochromatiques de longueur d'onde variées, pour que leur luminosité soit égales. En vision photopique, en revanche, on ne peut procéder que de proche en proche. La comparaison de la luminosité de deux lumières monochromatiques de longueur d'onde très différente est en effet très difficile, il est impossible d'égaliser de façon précise et répétable deux couleurs très différentes, et deux essais consécutifs aboutissent souvent à des résultats différents[18].La mesure de l'efficacité lumineuse spectrale est compliquée par le fait que les résultats diffèrent considérablement selon les différentes méthodes, mais aussi selon les différents individus testés[1].

Il existe ou a existé de nombreuses méthodes – comparaison directe hétérochrome de luminosité, comparaison pas-à-pas de luminosité, distinction minimale du bord, comparaison par papillotement hétérochrome, etc. – dont les grands principes sont précisés ci-après.

Comparaison directe
On présente deux plages, dont le sujet peut faire varier la luminosité, généralement par la variation de distance de la source de lumière, sur un fond éclairé uniformément avec une luminosité nettement différente. En raison de la loi du contraste simultané des couleurs, la différence est plus perceptible, et donc le réglage est plus fin, si les plages sont contiguës.
Comparaison par papillotement
On évite l'effet du contraste simultané, qui joue dans tous les cas avec le fond, en faisant alterner rapidement les deux lumières à comparer. On recherche la fréquence d'alternance qui provoque le plus d'impression de papillottement ((en) flicker), puis on recherche la différence de radiance entre les deux longueurs d'onde pour laquelle ce papillotement est le moins visible.

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Yves Le Grand, Optique physiologique : Tome 2, Lumière et couleurs, Paris, Masson, .
  • Robert Sève, Science de la couleur, Marseille, Chalagam, (ISBN 2-9519607-5-1).
  • [PDF] (en) Lindsay T. Sharpe, Andrew Stockman, Wolfgang Jagla et Herbert Jägle, « A luminous efficiency function, V*(λ), for daylight adaptation », Journal of Vision, vol. 5, no 11,‎ (ISSN 1534-7362, DOI 10.1167/5.11.3, lire en ligne)
  • (en) Casimer DeCusatis, Jay M. Enoch, Vasudevan Lakshminarayanan et Guifang Li, Handbook of Optics, Volume 2, McGraw-Hill Professional Publishing, (ISBN 0071629270, OCLC 958566930, lire en ligne)
  • [PDF] Michel Saillard et Yves Cortial, « Calcul de la courbe d'efficacité lumineuse spectrale de l'œil effectué à partir des mesures des intensités des différentes couleurs du spectre solaire de Josef Fraunhofer (1817) », Revue d'histoire des sciences, no 2,‎ , p. 259-272 (lire en ligne).

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c Lindsay T. Sharpe et al. 2005, p. 949
  2. Robert Sève 2009, p. 175-177.
  3. a et b « CIE 1988 Modified 2° Spectral Luminous Efficiency Function for Photopic Vision », sur cie.co.at (consulté le 14 avril 2017)
  4. (en) « CIE and mesopic photometry », sur www.cie.co.at (consulté le 13 avril 2017)
  5. Site du Bureau international des poids et mesures : Unité d'intensité lumineuse (candela) Sur le site bipm.org - Consulté le 10 avril 2012
  6. a et b La définition de la candela fixe l'efficacité lumineuse spectrale à 683 lm/W ce qui correspond à une longueur d'onde de 555,016 nm. L'efficacité lumineuse maximale est donc établie de façon plus précise par ː Km = 555,016/555 683 = 683,002 lm/W, valeur souvent arrondie (DeCusatis et al. 2009, p. 34.39).
  7. Robert Sève 2009, p. 64.
  8. Robert Sève 2009, p. 121.
  9. Robert Sève 2009, p. 334 ; ISO 11664-1:2007 (CIE S 014-1/E:2006).
  10. Color and Vision Research Laboratory, « Luminosity functions », sur www.cvrl.org (consulté le 13 avril 2017)
  11. K. S.Gibson et E. P. T. Tyndall, « Visibility of radiant energy », sur archive.org, (consulté le 13 avril 2017)
  12. Lindsay T. Sharpe et al. 2005, p. 948
  13. (en) J. J. Vos, « Colorimetric and photometric properties of a 2-deg fundamental observer », Color Research and Application,‎ (DOI 10.1002/col.5080030309, lire en ligne)
  14. (en) Janos Schanda, Colorimetry: Understanding the CIE System, John Wiley & Sons, (ISBN 9780470175620, lire en ligne)
  15. Robert Sève 2009, p. 175-177
  16. Robert Sève 2009, p. 321
  17. Yves Le Grand 1972, p. 70
  18. Yves Le Grand 1972.