Intensité lumineuse

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Intensité lumineuse
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La distribution angulaire du flux lumineux peut être hétérogène. L’intensité lumineuse du faisceau est d'autant plus grande que le cône est étroit.

Unités SI candela (cd)
Dimension J
Nature Distribution angulaire extensive
Symbole usuel
Expressions

=
=

= .

En photométrie, l’intensité lumineuse est la mesure de la puissance émise par une source lumineuse par unité d'angle solide dans une direction donnée[1]. S'agissant d'une grandeur photométrique visuelle, donc psychophysique, la valeur numérique de cette grandeur tient compte d'une pondération par la fonction d'efficacité lumineuse spectrale qui rend compte de la sensibilité de l’œil humain. L'unité photométrique d'intensité lumineuse visuelle est la candela (cd)[2]. La candela est l'une des sept unités de base du Système international (SI)[2].

La photométrie s'occupe principalement de questions d'éclairage, et prend pour base, sauf mention contraire, la sensibilité spectrale relative photopique d'un individu moyen fictif que la Commission internationale de l'éclairage appelle l'« observateur de référence ».

L'intensité lumineuse est une grandeur pertinente lorsqu'on cherche à caractériser des sources quasi ponctuelles.

Caractérisation[modifier | modifier le code]

Flux et intensité lumineuse[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Flux lumineux et Distribution angulaire.

L'intensité lumineuse se comprend mieux par rapport au flux lumineux, qui est la puissance totale émise par une source lumineuse (pondérée par l'efficacité lumineuse spectrale). L'intensité lumineuse de cette source correspond alors à la distribution angulaire (par unité d'angle solide) de ce flux lumineux. Elle caractérise donc ce qui est émis dans une direction donnée dans un angle solide élémentaire .

On peut formuler cette relation de la manière mathématique suivante, où désigne l'intensité lumineuse émise dans une direction repérée par sur la sphère, désigne le flux lumineux et désigne l'angle solide d'émission[3] :

ou encore :

Inversement, donc, le flux lumineux de la source est égal à l'intégrale de l'intensité lumineuse sur toute la sphère :

L'unité du flux lumineux étant le lumen dans le système international d'unités, l'intensité lumineuse en tant que distribution angulaire de ce flux correspond donc à des lumens par stéradian. Cependant, le choix de l'unité de base de la photométrie s'est porté sur l'intensité lumineuse, et non sur le flux. Le lumen, qui n'est donc que l'unité dérivée de flux lumineux, s'exprime alors de manière très inhabituelle en candela.stéradian, là où on attendrait plutôt une unité de base extensive caractérisant globalement une source, et une unité dérivée d'intensité décrivant une distribution, exprimée en « par stéradian ».

Grandeur orientée[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Grandeur d'orientation.
L'éclairage fourni par une flamme est proportionnel à l'angle solide sous lequel elle est vue, l'intensité lumineuse étant supposée constante sur les différentes parties de l'image correspondante.

L'anomalie apparaît également par rapport à la grandeur d'orientation de ces unités : le lumen est un scalaire d'orientation , et l'angle solide est un vecteur en . La candela, qui peut être vue comme un lumen par stéradian, a donc également pour orientation  : c'est une grandeur physique de base à caractère orienté[4] (de même que l'unité de longueur, ce qui dans ce dernier cas est naturel pour une unité fondamentalement vectorielle). De ce fait, là où une unité comportant des stéradians traduit généralement une grandeur physique ayant une dimension d'orientation, c'est l'inverse en photométrie, lorsque les unités sont exprimées par rapport à l'unité de base qu'est la candela : ce sont les unités en candela-stéradian qui sont des scalaires.

Le choix de l'intensité lumineuse comme unité de base du système international est dû à des raisons historiques[5]. L'éclairement lumineux fourni par une flamme de bougie ou par un feu de joie dépend à la fois de la distance à laquelle la flamme se situe, mais également de la taille de cette flamme, l'éclairage étant d'autant meilleur que l'angle solide sous lequel elle est vue est grand. La mesure intrinsèque de l'intensité lumineuse de cette source, invariante par rapport à la distance d'observation, est alors le rapport invariant entre sa capacité d'éclairage (c'est-à-dire, essentiellement, l'énergie lumineuse reçue par unité de surface) et l'angle solide sous lequel la source est vue.

Unité[modifier | modifier le code]

L'unité photométrique d'intensité lumineuse visuelle est la candela (cd)[2]. La candela est l'une des sept unités de base du Système international (SI)[2].

Par définition, la candela est ce qui est produit par une émission monochromatique de 540 THz avec une intensité (de rayonnement physique) de 1/683 watts par stéradian dans la direction de mesure. La fréquence spécifiée correspond à une longueur d'onde de 555 nm, proche du maximum de sensibilité de l’œil humain à la lumière du jour. La définition initiale de la neuvième conférence générale des poids et mesures stipulait qu'une candela était l'unité d'intensité lumineuse, définie selon le modèle du corps noir comme le rayonnement émis par 160 cm2 de platine à son point de solidification.

L'éclairage d'une bougie normale représente une intensité de l'ordre de la candela, et est sensiblement isotrope.

Concentration d'un flux[modifier | modifier le code]

La concentration d'un flux lumineux dans un pinceau fin augmente l'intensité lumineuse perçue au large.

Si toute la puissance d'un flux lumineux de un lumen est concentrée et uniformément répartie dans un cône d'angle solide un stéradian, l'intensité lumineuse dans ce cône sera égale à la valeur moyenne, et sera par définition de une candela. Si l'on change le dispositif optique pour concentrer ce faisceau dans un dixième de stéradian, l'intensité lumineuse dans le cône sera portée à dix candela.

Dans le cas particulier d'une source lumineuse isotrope ponctuelle émettant le même flux dans toutes les direction (une étoile par exemple), l'angle solide d'émission vaut stéradian, ce qui conduit à la relation suivante entre le flux et l'intensité lumineuse dans une direction quelconque[6] :

Inversement, l'intensité lumineuse d'une bougie étant de l'ordre de la candela, le flux lumineux qu'elle émet globalement est donc de l'ordre de 4π ~ 12,5 lm

Unités anciennes[modifier | modifier le code]

Avant la définition de la candela établie en 1948, plusieurs unités ont co-existé, utilisant des sources lumineuses étalon comme référence[7] :

  • Le violle : 1 violle = 20,17 cd ; intensité de 1 cm2 de platine en fusion, l'étalon Violle (Jules Violle) ;

Perception humaine[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Efficacité lumineuse spectrale.

L'œil humain n'est sensible qu'à une petite partie du spectre électromagnétique (le domaine visible) et n'a pas la même sensibilité aux différentes longueurs d'onde auxquelles il est sensible. Dans un environnement lumineux (vision diurne, dite photopique), l'œil humain est le plus sensible au domaine de longueur d'onde correspondant à la perception du vert-jaune, vers 555 nanomètres. Ainsi, deux sources lumineuses de même puissance énergétique en radiométrie (qu'il ne faut pas confondre avec la puissance lumineuse) et situées à égale distance d'un observateur n'ont pas forcément la même intensité lumineuse en photométrie. Une source monochromatique rayonnant dans le vert-jaune aura une intensité lumineuse perçue supérieure à une autre rayonnant dans le rouge ou dans le bleu.

Dans un environnement plus obscur, la vision humaine ne distingue plus les couleurs, et la sensibilité spectrale relative est décalée vers le bleu. On parle de vision scotopique. Entre les deux domaines de luminosité, on parle de vision mésopique.

Indicatrice et diagramme de rayonnement[modifier | modifier le code]

Définitions[modifier | modifier le code]

Exemple de diagramme de rayonnement.

L'indicatrice est un vecteur de direction repérée par rapport à la source et de module proportionnel à l'intensité lumineuse dans cette direction.

Le diagramme de rayonnement est un diagramme polaire indiquant la répartition de l'intensité d'une source en fonction de la direction d'observation[9].

Pour établir ce diagramme pour une source réelle, il faut assimiler celle-ci à une source ponctuelle ; on mesure l'éclairement moyen d'un élément de surface placé suffisamment loin de la source, et on calcule à partir de cette valeur celle de l'intensité de l'émission. Le diagramme représente le plus souvent une intensité relative par rapport à celle relevée dans la direction principale (Terrien et Desvignes 1972, p. 25).

Cas particuliers[modifier | modifier le code]

Source lumineuse ponctuelle isotrope 
Le flux lumineux issu d'une source lumineuse isotrope est égal dans toutes les directions. L'enveloppe de son indicatrice est une sphère, représentée généralement par sa section circulaire.
Directrice parabolique 
Le diagramme de rayonnement d'un source assimilée a une source ponctuelle peut présenter une enveloppe parabolique. Ce cas se rencontre principalement pour des systèmes d'éclairage à diode électroluminescente[10].

Notes et références[modifier | modifier le code]

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Références[modifier | modifier le code]

  1. Notions élémentaires de photométrie, Physique PHR 101, CNAM.
  2. a, b, c et d BIPM, Le Système international d'unités, Sèvres, France, BIPM, , 8e éd., 92 p. (ISBN 92-822-2213-6, lire en ligne), p. 26.
  3. Terrien et Desvignes 1972, p. 25, Optique géométrique - Tamer Becherrawy sur Google Livres.
  4. Commission électrotechnique internationale
  5. « Introduction to optical radiometry », Dalta & Parr, in Optical Radiometry, Academic Press, 2005.
  6. Précis de physique-chimie : première et deuxième années BTS - Pierre-François Thomas sur Google Livres.
  7. (en)Optical Radiometry sur Google Livres.
  8. Michel Dubesset, Le manuel du Système international d'unités : lexique et conversions, TECHNIP, (ISBN 2-7108-0762-9, lire en ligne), p. 41.
  9. Optique géométrique : imagerie et instruments sur Google Livres.
  10. (en)Light Emitting Diodes - E. Fred Schubert sur Google Livres.

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • 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]

Liens externes[modifier | modifier le code]