Flux lumineux

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Flux lumineux
Unités SI lumen (lm)
Dimension J
Base SI cdsr
Nature Grandeur scalaire conservative extensive
Symbole usuel ,
Expressions


=

Le flux lumineux est la grandeur photométrique qui caractérise la puissance lumineuse d'une source, telle qu'elle est perçue par l'œil humain. Le flux lumineux est le flux énergétique, c'est-à-dire la puissance électromagnétique rayonnée, pondéré par la sensibilité de l'œil humain, normalisée par la fonction d'efficacité lumineuse spectrale, aux différentes longueurs d'ondes.

En effet, un rayonnement électromagnétique monochromatique produit une sensation visuelle d'intensité très variable selon la longueur d'onde, et une sensation nulle en dehors du spectre visible. Les rayonnements invisibles pour l’œil humain, tels que les infrarouges et ultraviolets, qui peuvent pourtant cumuler une puissance rayonnée considérable dans de nombreux cas, n'ont aucune influence dans le calcul ou la mesure du flux lumineux.

Il peut s'agir du flux total émis par une source – les fabricants de lampes électriques renseignent la valeur du flux total émis au coté de la puissance électrique consommée et de la température de couleur – ou du flux émis dans une portion limitée de l'espace – dans les instruments optiques, les diaphragmes, en interceptant une partie du faisceau lumineux, permettent de régler le flux reçu par un capteur ou un détecteur[1].

Définition[modifier | modifier le code]

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

Le flux lumineux est la grandeur fondamentale en photométrie[2],[3] ː elle permet de définir toutes les autres grandeurs photométriques.

Il est défini à partir du flux énergétique (exprimé en watt) plus souvent nommé puissance rayonnée. Ce dernier est un flux d'énergie rayonnée[2] ː , où est l'énergie rayonnée en joule (J).

En photométrie, pour tenir compte de la sensibilité de l'œil humain, différente à chaque longueur d'onde du rayonnement, on corrige la puissance du rayonnement électromagnétique en le pondérant par une fonction d'efficacité lumineuse spectrale. Ces fonctions sont définies par des valeurs tabulées et deviennent nulles pour l'infrarouge ou l'ultraviolet qui se situent hors du domaine du spectre visible. Elles diffèrent selon domaine de vision dans lequel on se trouve ː vision diurne ou nocturne.

Vision photopique[modifier | modifier le code]

En vision photopique (diurne) :

,

  • est la fonction d'efficacité lumineuse spectrale photopique ;
  • 683,002 lm/W est l'efficacité lumineuse spectrale maximale photopique[4], correspondant à une fréquence de 540 THz, c'est-à-dire à une longueur d'onde de très proche de 555 nm dans l'air (jaune–vert)[5] ;
  • , aussi notée en colorimétrie, est l'efficacité lumineuse spectrale relative photopique, aussi appelée coefficient lumineux photopique, sans dimension.
  • est la densité spectrale de flux énergétique[a], en watts par mètre (W/m) ;
  • est le densité de flux lumineux, en lumens par mètre (lm/m) ;

Pour une lumière polychromatique, le flux lumineux d' est obtenu par intégration ː

Cette expression est souvent considéré de façon incorrecte comme l'interprétation de la loi d'Abney qui lui est proche[6].

Vision scotopique[modifier | modifier le code]

En vision scotopique (nocturne), les expression sont identiques, seule la fonction d'efficacité lumineuse spectral utilisée est différente compte tenu du fait que seuls les bâtonnets fonctionnent :

,

  • est la fonction d'efficacité lumineuse spectrale scotopique ;
  • 1 700,05 lm/W[réf. nécessaire] est l'efficacité lumineuse spectrale maximale scotopique, correspondant à une fréquence de 590 THz, c'est-à-dire à une longueur d'onde de 507 nm dans l'air ;
  • , est l'efficacité lumineuse spectrale relative scotopique, sans dimension.
  • est la densité spectrale de flux énergétique, en watts par mètre (W/m) ;
  • est le densité de flux lumineux, en lumens par mètre (lm/m) ;

Par intégration sur le domaine visible, le flux lumineux pour une lumière polychromatique  :

Unité[modifier | modifier le code]

L'unité SI de flux lumineux est le lumen, symbole lm. Le nom lumen est un néologisme construit sur le mot latin signifiant lumière. Il s'exprime donc en candela.radian, et a pour dimension J.

Ordres de grandeur[modifier | modifier le code]

Les efficacités lumineuses des différentes sources d'éclairage peuvent varier selon que la puissance est essentiellement émise dans la zone proche du maximum de sensibilité (cas d'une lampe fluorescente, d'une diode électroluminescente) ou essentiellement hors du visible et en particulier dans les infrarouges (cas d'une lampe à incandescence classique ou d'une lampe à incandescence halogène).

  • Lampe halogène 70 W : Φv = 1 200 lm[7].
  • Lampe éclairage urbain (sodium haute pression) 400 W : Φv = 28 000 lm[7].
  • Lampe projecteur de cinéma (xénon) 2 000 W : Φv = 80 000 lm[8].

Une bougie d'intensité 1 cd émettant de façon supposée isotrope (identique dans toutes les directions) émet un flux lumineux Φv = 12,6 lm.

Mesure[modifier | modifier le code]

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La mesure du flux lumineux passe par celle de l'éclairement lumineux d'une surface de référence. La découverte au xixe siècle de l'effet photoélectrique, a permis au XXe siècle le développement d'appareils portables, donnant directement une mesure de l'éclairement lumineux .

Auparavant et depuis le milieu du XIXe siècle, furent mis au point des photomètres permettant de quantifier l'éclairement, par comparaison avec une source prise comme référence. On comparait visuellement la luminance de deux écrans de même taille dont l'un est éclairé par une source étalon. Le cas de la comparaison visuelle permet d'exposer le raisonnement, sans se préoccuper de la pondération des longueurs d'onde.

Calculs simples[modifier | modifier le code]

Intensité lumineuse et flux lumineux[modifier | modifier le code]

La relation entre intensité lumineuse Iv en candela (cd) d'un faisceau et flux lumineux Φv qui en est la cause, fréquemment utilisée pour résoudre des problèmes simples, est :

,

Ω est l'angle solide, en stéradians (sr), dans lequel le flux lumineux est concentré, l'intensité lumineuse obtenue étant d'autant plus grande que l'angle solide du pinceau est étroit. Cette formule n'est valable que si l'intensité lumineuse est uniforme sur tout l'angle solide considéré.

Éclairement et flux lumineux[modifier | modifier le code]

L'éclairement lumineux moyen en lux (lx) d'une surface s'exprime comme le rapport du flux reçu par l'aire ː

.

Exitance et flux lumineux[modifier | modifier le code]

L'exitance lumineuse moyenne en lumen par mètre carré (lm/m2) d'une surface s'exprime comme le rapport du flux émis par l'aire ː

.

Annexes[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Également nommé flux énergétique spectrique (Sève 2009, p. 308).

Références[modifier | modifier le code]

  1. Terrien et Desvignes 1972, p. 21.
  2. a et b Bass et al. 2009, p. 37.4
  3. Lumiere et Couleur, Ed. Techniques Ingénieur (lire en ligne)
  4. Bass et al. 2009, p. 37.2
  5. Sève 2009, p. 64.
  6. Sève 2009, p. 60-61.
  7. a et b www.lighting.philips.fr
  8. www.osram.fr


Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • André Moussa et Paul Ponsonnet, « XVIII — Éléments de photométrie », dans Cours de physique — Optique, Lyon, Desvigne, , p. 239-245.
  • Robert Sève, Science de la couleur, Marseille, Chalagam, (ISBN 2-9519607-5-1).
  • Jean Terrien et François Desvignes, La photométrie, Paris, PUF, coll. « Que-Sais-Je » (no 1167), , 1e éd., 128 p. (présentation en ligne).
  • (en) Michael Bass, Casimer DeCusatis, Jay Enoch et Vasudevan Lakshminarayanan, Handbook of Optics, Volume II : Design, Fabrication and Testing, Sources and Detectors, Radiometry and Photometry, McGraw Hill Professional, , 3e éd. (ISBN 9780071629270, présentation en ligne).

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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