Intensité lumineuse

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


L’intensité lumineuse est une grandeur qui exprime la capacité à éclairer d'une source ponctuelle de lumière dans une direction donnée.

C'est une grandeur photométrique. Le rayonnement électromagnétique, qui constitue la lumière, n'est pas également perçu par la vision humaine ; l'expression de l'intensité lumineuse implique une pondération de la longueur d'onde par la fonction d'efficacité lumineuse spectrale, qui rend compte de la sensibilité visuelle humaine.

L'intensité lumineuse est la grandeur photométrique de base dans le système international d'unités. Elle se mesure en candela (cd). L'intensité ne se mesure pas directement ; mais on a pu définir, de plusieurs manières au cours du temps, un étalon. Elle sert principalement pour établir la répartition de la lumière qu'émet un luminaire ou une surface éclairée selon la direction.

L'intensité lumineuse se définit comme le quotient du flux lumineux élémentaire par l'angle solide élémentaire dans lequel il se propage[a].

Définition[modifier | modifier le code]

L'intensité lumineuse d'une source ponctuelle dans une direction donnée est la limite que prend le rapport du flux lumineux élémentaire à l'angle solide élémentaire [2],[3],[4],[5]  :

.

Considérant la définition de la luminance et de l'étendue géométrique, l'intensité lumineuse peut également s'exprimer[3],[4],[5] :

,

est l'intensité élémentaire correspondant à l'élément de surface source , et est l'angle entre la direction considérée et la normale à la surface source.

Perception humaine[modifier | modifier le code]

La fonction d'efficacité lumineuse relative spectrale caractérise la sensibilité de l'œil de l'observateur de référence.
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 rayonnée en radiométrie 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.

Sauf précision contraire, l'intensité lumineuse concerne le domaine de la vision photopique.

Intensité et éclairement[modifier | modifier le code]

On tire de la définition une relation entre l'intensité et l'éclairement lumineux d'un élément de surface dS, perpendiculaire à la direction du flux, à une distance d de la source. L'élément de surface intercepte un angle solide dΩ=dS/d². I=dΦ/dΩΣ=d².dΦ/dS. Comme l'éclairement E est égal au quotient du flux élémentaire par l'élément de surface, le flux est le produit E.dS, et

.

Si l'élément de surface n'est pas perpendiculaire au flux, celui-ci se répartit obliquement, et l'éclairement devient

θ est l'angle entre la normale à l'élément de surface et la direction du flux lumineux.

Une source à l'infini a un éclat apparent, mais dΩ est nul, les rayons lumineux étant parallèles. L'intensité lumineuse n'a pas de sens[6]. C'est le cas en éclairage, avec la lumière du soleil ou de la lune ; on connaît alors l'éclairement lumineux des surfaces directement exposées, dans diverses conditions. En astronomie, on repère la magnitude apparente des étoiles à partir de l'éclairement énergétique, sans considération de la part du rayonnement visible.

Indicatrice d'émission[modifier | modifier le code]

Indicatrice d'intensité d'une lampe.

Les luminaires, les surfaces éclairées qui renvoient la lumière, et d'une façon générale les sources lumineuses n'éclairent pas avec la même intensité dans toutes les directions. L'indicatrice d'émission d'une source est une surface dont la distance à la source est proportionnelle à l'intensité lumineuse dans la même direction[7].

Il faut trois dimensions pour représenter tout l'espace. En pratique, on représente des souvent des sections en deux dimensions, éventuellement réduites à une partie de l'espace pour tenir compte des symétries.

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 souvent une intensité relative par rapport à celle relevée dans la direction principale[3].

Utilisation de l'indicatrice[modifier | modifier le code]

La connaissance de l'intensité lumineuse dans une direction donnée permet de calculer l'éclairement d'un élément de surface dS situé à une distance d de la source. La position de la surface dans le système de coordonnées polaires basé sur les axes de la source donne la direction et la distance. L'indicatrice d'émission pour la direction donne l'intensité.

La relation entre intensité et éclairement a déjà été indiquée. Si la surface éclairée n'est pas perpendiculaire à la direction de la source, il faut tenir compte de l'angle θ entre la perpendiculaire à l'élément de surface et la direction de la source.

Quand plusieurs sources contribuent à l'éclairement d'un élément de surface, on ajoute le résultat de chaque calcul.

Des logiciels, soit destinés aux éclairagistes, soit de modélisation tridimensionnelle effectuent ces calculs automatiquement.

Cas particuliers[modifier | modifier le code]

Indicatrice d'intensité d'une source orthotrope.
Source lumineuse ponctuelle isotrope 
Le flux lumineux issu d'une source lumineuse isotrope est uniformément réparti, son intensité lumineuse est la même dans toutes les directions. L'angle solide d'émission vaut stéradians, ce qui conduit à la relation suivante entre le flux et l'intensité lumineuse dans une direction quelconque[8] ː . L'enveloppe de son indicatrice est une sphère, représentée généralement par sa section circulaire.
Source lumineuse orthotrope
Une source lumineuse orthotrope présente une luminance identique dans toutes les directions. L'indicatrice est définie par ː . C'est le cas des sources diffusantes qui respectent la loi de Lambert.
Indicatrice parabolique
Certains systèmes d'éclairage à diode électroluminescente présentent une indicatrice de forme parabolique[9].

Unités[modifier | modifier le code]

La candela[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Candela.

L'unité de l'intensité lumineuse est la candela (cd)[10]. La candela est l'une des sept unités de base du Système international (SI)[10].

« La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 1012 hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1683 watt par stéradian. »

Malgré le raffinement de la définition de l'unité, la mesure des grandeurs photométriques reste tributaire des moyens techniques employés. La réalisation des filtres pour atteindre la fonction d'efficacité lumineuse spectrale, la mesure de la température pour les mesures énergétiques du rayonnement, limitent la précision effective à environ 1%[11]. Cette précision est largement inférieure à la capacité humaine de détecter la variation de l'éclairage d'une scène[12].

Ordres de grandeur[modifier | modifier le code]

Une bougie présente une intensité lumineuse de l'ordre de la candela dans une direction horizontale.

Unités anciennes[modifier | modifier le code]

Avant la définition de la candela établie en 1948, plusieurs unités se sont succédé ou ont co-existé, utilisant diverses sources lumineuses étalon comme référence : elles sont toutes obsolètes.

  • La bougie décimale[14],[13] : 1 bd = 1,02 cd = 1/20 violle ; intensité de 1 cm2 de platine à la température de solidification (2 045 K), l'étalon Violle (Jules Violle) ;
  • La bougie nouvelle[13] : 1 bn = 1,00 cd ; 1/60 de l'intensité de 1 cm2 d'un corps noir chauffé à 2 045 K (solidification du platine) ; ancien nom de la candela[15],[16].

Concentration du flux et intensité[modifier | modifier le code]

La concentration d'un flux lumineux dans un pinceau fin augmente l'intensité lumineuse de la source dans la direction du pinceau.

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 candelas. À flux lumineux constant, l'intensité lumineuse est d'autant plus grande que le faisceau lumineux est étroit.

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Élémentaire signifie ici, suffisamment grande pour que les lois physiques dont on parle s'y appliquent, et assez petite pour qu'on puisse considérer qu'il n'y a aucune variation en leur sein. Dans ces conditions, on les considère comme infinitésimales[1].

  1. Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck, , p. 235 « élémentaire 2. [Math] »
  2. « ISO 80000-7:2008(fr) — Grandeurs et unités — Partie 7 : Lumière », sur iso.org (consulté le 4 juillet 2016)
  3. a, b et c Terrien et Desvignes 1972, p. 25.
  4. a et b Radiométrie. Photométrie, Ed. Techniques Ingénieur (lire en ligne)
  5. a et b Tamer Becherrawy, Optique géométrique, De Boeck Supérieur, (ISBN 9782804149123, lire en ligne)
  6. André Moussa et Paul Ponsonnet, Cours de physique : Optique, Lyon, Desvignes, .
  7. Bernard Balland, Optique géométrique: imagerie et instruments, PPUR presses polytechniques, (ISBN 9782880746896, lire en ligne) ;
    Logiciels de L'optique, Ed. Techniques Ingénieur (lire en ligne).
  8. Pierre-François Thomas, Précis de physique-chimie: cours et exercices, Editions Bréal, (ISBN 9782749505916, lire en ligne)
  9. (en) E. Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, Cambridge University Press, (ISBN 9781139455220, lire en ligne)
  10. a et b BIPM, Le Système international d'unités, Sèvres, France, BIPM, , 8e éd., 92 p. (ISBN 92-822-2213-6, lire en ligne), p. 26.
  11. Issa et Mercier.
  12. « Perception de la gradation de l'éclairage dans les bureaux » (consulté le 16 avril 2017).
  13. a, b, c, d et e Terrien et Desvignes 1972, p. 33.
  14. Loi du 2 avril 1919 sur les unités de mesure (lire en ligne)
  15. a et b Michel Dubesset, Le manuel du Système international d'unités : lexique et conversions, TECHNIP, (ISBN 2-7108-0762-9, lire en ligne), p. 41.
  16. Modèle:Lienwww.bipm.org/fr/CGPM/db/13/5/