Flux lumineux

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Flux lumineux
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Le flux lumineux mesure la production lumineuse d'un éclairage, indépendamment de la manière dont ce flux est ensuite dirigé. Il caractérise la puissance lumineuse qui se propage, et produit un éclairement lumineux sur la surface qui le reçoit.

Unités SI lumen (lm)
Base SI cdsr
Nature Grandeur scalaire extensive
Symbole usuel
Expressions

=
= .

=

Le flux lumineux est la grandeur photométrique mesurant la puissance lumineuse d'un éclairage, 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 fonction de sensibilité de l'œil humain aux différentes longueurs d'ondes, l'efficacité lumineuse spectrale. La puissance des rayonnements n'y intervient que dans la mesure où ils sont visibles. Les infrarouges et ultraviolets, par exemple, qui peuvent cumuler une puissance rayonnée considérable dans un éclairage, ne comptent pas dans le flux lumineux, puisqu'ils se trouvent hors du spectre visible. Un rayonnement électromagnétique produit en effet une sensation visuelle d'intensité très variable selon la longueur d'onde, et une sensation nulle en dehors du spectre visible.

C'est le flux lumineux qui caractérise en particulier la capacité d'éclairage d'une ampoule électrique. Le flux lumineux mesure la puissance lumineuse globale d'une source, alors que l'intensité lumineuse mesure la densité angulaire de cette production dans une direction donnée.

Le flux lumineux caractérise la puissance lumineuse globale qui se propage dans un faisceau lumineux. Il ne varie pas[1] alors que le faisceau s'élargit, et que l'éclairement lumineux qu'il produit diminue, du fait de l'augmentation de l'aire sur laquelle ce répartit cette puissance éclairante[2]. Dans les instruments optiques, les diaphragmes, en interceptant une partie du faisceau lumineux, permettent de régler le flux[3].

Caractérisation de la grandeur physique[modifier | modifier le code]

Définition[modifier | modifier le code]

Il correspond au flux émis dans un angle solide de 1 stéradian par une source lumineuse dont l'intensité lumineuse est uniforme et vaut 1 candela. Si le faisceau d'une lampe produisant un lumen est concentré dans un angle solide de un stéradian, l'intensité lumineuse de ce faisceau sera (par définition) de un candela.

Un faisceau lumineux de 1 stéradian issu d'une source dont l'intensité lumineuse vaut 1 candela transporte un flux lumineux de un lumen.

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.

Sensibilité de l'œil humain[modifier | modifier le code]

Le flux lumineux (comme l'intensité lumineuse) est une grandeur anthropocentrique, c'est dans les grandeurs photométriques ce qui correspond au flux énergétique en radiométrie.

C'est en effet le produit scalaire (fonctionnel, au sens ∫.dλ) du spectre de puissance électromagnétique (dW/dλ[λ]) par la fonction de sensibilité visuelle de l'homme (%[λ]) que traduit le candela, et qui représente la réponse pondérée de l'œil aux différentes fréquences électromagnétiques. L'intégrale correspondante est donc une intégrale pondérée sur l'ensemble du spectre visible (le spectre invisible étant par définition sans capacité lumineuse).

Dans d'autres systèmes d'unités, le flux lumineux peut prendre la dimension d'une puissance.

Mesure[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Luminance, Éclairement lumineux et Photomètre.

Le flux lumineux est une grandeur auxiliaire permettant la caractérisation d'une source.

La mesure du flux lumineux passe par celle de l'éclairement d'une surface de référence (mesuré en lumen par unité de surface).

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. On peut mesurer l'éclairement lumineux d'une surface avec une cellule photoélectrique.

Depuis le milieu du XIXe siècle, on avait fabriqué des photomètres permettant de quantifier l'éclairement, par comparaison avec une source prise comme référence. On compare 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.

Utilité[modifier | modifier le code]

Efficacité lumineuse[modifier | modifier le code]

Le ratio du flux lumineux perçu au flux électromagnétique physiquement émis est appelé l'efficacité lumineuse. Ce coefficient (qui s'exprime donc en lm/W) traduit la capacité de la source à émettre dans des longueurs d'onde facilement perceptible à l'œil.

Ainsi, un four à micro-ondes émet des ondes électromagnétiques, mais a une efficacité nulle, faute d'émettre dans le spectre visible. Une bougie ou une lampe à incandescence, de même, aura une efficacité lumineuse très faible, parce que la plus grande partie du spectre de corps noir reste émis dans l'infra-rouge invisible.

Inversement, une unité LED de lumière blanche aura une efficacité lumineuse maximale, parce que l'émission tend à être monochromatique, et qu'elle est émise au maximum de sensibilité de l'oeil.

Intensité et flux lumineux[modifier | modifier le code]

La relation entre intensité lumineuse Iv 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 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 homogène.

Calcul d'éclairement[modifier | modifier le code]

Si une source lumineuse ponctuelle éclaire perpendiculairement un écran d'aire A à une distance d grande par rapport à la plus grande dimension de l'écran, le flux d'éclairage occupe un angle solide A/d 2. L'éclairement étant par définition égal au flux par unité de surface, on calcule aisément le flux. Si l'intensité lumineuse est la même dans toutes les directions (source lumineuse isotrope), on en tire l'intensité globale de la source, qui est une de ses grandeurs caractéristiques principales.

On éclaire deux écrans identiques, l'un par une source étalon et l'autre par la source à caractériser. Pour réaliser l'égalisation, on fait varier la distance de l'une ou l'autre des sources à comparer. Quand les écrans apparaissent identiquement lumineux, leur luminance est égale ; donc, comme on les a réalisés aussi proches que possible d'un diffuseur parfait, leur éclairement lumineux est identique. Leur aires sont égales, donc les flux sont égaux. Le rapport des intensités est donc celui des carrés de la distance. Si la source à mesurer éclaire identiquement l'écran à une distance égale au double de celle de la source étalon, c'est que son intensité est quadruple.

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[4].
  • Lampe éclairage urbain (sodium haute pression) 400 W : Φv = 28 000 lm[4].
  • Lampe projecteur de cinéma (xénon) 2 000 W : Φv = 80 000 lm[5].

Loi d'Abney[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Loi d'Abney.
Fonctions d'efficacité lumineuse spectrale relative photopique V(λ) et scotopique V′(λ).

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 visible.

Vision photopique[modifier | modifier le code]

En vision photopique (diurne) :

  • K(λ) est la fonction d'efficacité lumineuse spectrale photopique ;
  • Φv,λ est le flux lumineux spectral, en lumens par mètre (lm/m) ;
  • Φe,λ est le flux énergétique spectral, en watts par mètre (W/m) ;
  • Km = 683,002 lm/W est l'efficacité lumineuse spectrale maximale photopique, correspondant à une fréquence de 540 THz, c'est-à-dire à une longueur d'onde de 555 nm dans l'air (jaune–vert)[6] ;
  • V(λ), aussi notée y(λ), est l'efficacité lumineuse spectrale relative photopique, aussi appelée coefficient lumineux photopique, sans dimension.

Par intégration sur le domaine visible, la loi d'Abney permet d'exprimer le flux lumineux pour une lumière polychromatique[7] :

Vision scotopique[modifier | modifier le code]

En vision scotopique (nocturne) :

  • K′(λ) est la fonction d'efficacité lumineuse spectrale scotopique ;
  • Φv,λ est le flux lumineux spectral, en lumens par mètre (lm/m) ;
  • Φe,λ est le flux énergétique spectral, en watts par mètre (W/m) ;
  • K′m = 1 700,05 lm/W 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 ;
  • V′(λ), aussi notée y(λ), est l'efficacité lumineuse spectrale relative scotopique, aussi appelée coefficient lumineux scotopique, sans dimension.

Par intégration sur le domaine visible, la loi d'Abney permet d'exprimer le flux lumineux pour une lumière polychromatique :

Unités de mesure anglo-saxonnes[modifier | modifier le code]

L'ancienne unité de mesure de flux lumineux est le « spherical candlepower » : bougie valant 0,981 candela multiplié par l'angle solide sphérique, 4π.sr, valant approximativement 12,3 lm)[réf. nécessaire]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Annexes[modifier | modifier le code]

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..

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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Wikilivre[modifier | modifier le code]

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