Éclairage, Photométrie

Les grandeurs photométriques

Les phénomènes lumineux sont objectivement mesurables et quantifiables par le biais des grandeurs photométriques. Les principales grandeurs utiles pour un projet d’éclairage sont :

Le flux lumineux

Le flux lumineux représente la quantité d’énergie émise par unité de temps. Le flux lumineux est l’une des caractéristiques des sources lumineuses données par les fabricants.

Efficacité Lumineuse

L’efficacité lumineuse d’une source est le rapport entre le flux lumineux $\phi$ émis par cette source et la puissance électrique P (en Watt) absorbée par la source.

Quelques exemples :

• Halogène 15 à 25 lm/W
• Lampe fluocompacte 50 à 90 lm/W
• Tube fluorescent 80 à 105 lm/W
• LED 70 à 300 lm/W (avant intégration dans un luminaire)

Si l’on utilise une LED à 150 lm/W, on va consommer 10x moins d’électricité qu’avec une halogène à 15 lm/W à flux équivalent.

L’éclairement

L’éclairement désigne le flux reçu par unité de surface.

L’éclairement se mesure avec un luxmètre. C’est un appareil muni d’une cellule photoélectrique (qui transforme l’énergie de rayonnement en énergie électrique). Un filtre restitue une courbe de réponse identique à celle de l’œil humain. La surface de la cellule doit en outre être revêtue d’un filtre diffusant qui joue le rôle de correcteur d’incidence.

Exemples d’éclairement

• Une surface de 1 m² bénéficiant d’un éclairement uniforme de 100 lux reçoit un flux de 100 lumen.
• Une surface de 5 m² recevant un flux de 2000 lumen bénéficie d’un éclairement moyen de 400 lux.

Quelques ordres de grandeur

• Un éclairement de 500 lux est préconisé pour une salle de classe.
• Par nuit de pleine lune, le niveau d’éclairement est inférieur à 0,1 lux.
• Par ciel couvert, il varie entre 8000 et 20000 lux selon la saison.
• En été par ciel dégagé, il peut atteindre 100 000 lux.

L’intensité lumineuse

L’intensité lumineuse est égale au flux lumineux émis par unité d’angle solide dans une direction donnée, perçue par l’œil humain. Elle est notée I.

La luminance

La luminance d’un objet ou d’une source caractérise l’intensité lumineuse émise par un élément de surface dans une direction donnée, rapportée à la surface apparente de cet élément relative à cette direction. La luminance est la seule grandeur photométrique perçue par l’œil humain. Elle correspond à la sensation visuelle de luminosité causée par la surface des objets présents dans le champ visuel (objets éclairés).

Exemple : un écran de PC entrée de gamme : luminance = 250 cd/m², haut de gamme = 600 cd/m²

Résumé

• La source lumineuse (lampe) génère un flux lumineux lm
• ce flux lumineux par une surface et donne l’éclairement en lx
• l’intensité lumineuse vu par l’observatrice en direction de la source vaut I
• la scène éclairée vue par l’observatrice est caractérisée par sa luminance en cd/m² ou $cd \cdot m^{-2}$

Température de couleur d’une source (TC)

C’est Lord Kelvin qui a eu l’idée de comparer les variations de couleur de la lumière du jour avec celles d’un corps non coloré (le corps noir) que l’on chauffe à haute température et qui passe successivement du rouge, au jaune, au blanc et enfin au bleu. Il propose ainsi une comparaison commode pour caractériser les illuminants naturels ou artificiels.

Un température de couleur correspond à une couleur (teinte).

Quelques gammes standards de température de couleur pour les sources lumineuses :

• 2700 K : blanc qui tire fortement sur le jaune-orange -> chambre à coucher
• 3000 K : blanc qui tire un peu moins sur le jaune -> salon, cuisine
• 4000 K : le blanc qu’on utilise pour travailler -> salle de TD, usine, atelier
• 5000 K : le blanc tire sur de petites nuances de bleu -> pas toujours apprécié, à réserver pour éclairer entre 11h et 15h, période où le corps demande ce type de lumière.

La température de couleur est importante pour le cycle biologique de l’humain :

• une TC de 2700 K (Jaune) agit comme le coucher de soleil et stimule les hormones liées au repos,
• une TC de 5000 K simule le pic de lumière de la journée et stimule les hormones liées à la productivité

Certains luminaires Led émulent les cycles lever-midi-coucher du soleil en effectuant une gradation continue de la température de couleur. On parle d’éclairage circardien ou HCL pour Human Centric Lighting.

Indice de rendu des couleurs : IRC

L’Indice de Rendu des Couleurs (à ne pas confondre avec la température de couleur) définit l’aptitude d’une source à nous faire distinguer toutes les nuances de couleurs. La valeur maximale d’IRC est 100. La lumière du jour a un IRC de 100. En anglais, c’est CRI pour Color Rendering Index.

• Les source LED grand public ont un IRC de 80,
• les LED haut de gamme ont un IRC de 90.

Tableau des IRC :

IRC	Qualité de rendu des couleurs
IRC > 90	Excellent
80 < IRC < 90	Agréable
60 < IRC < 80	Médiocre
40 < IRC < 60	Très médiocre

Origine de l’IRC

La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l’œil humain, c’est-à-dire comprises dans des longueurs d’onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge).

Tableau des couleurs en fonction de la longueur d’onde $\lambda$ :

Couleur	Limites (nm)
Ultra Violet	< 380
Violet Foncé	380 - 420
Violet	420 - 440
Bleu	440 - 460
Bleu-vert	460 - 510
Vert	510 - 560
Jaune	560 - 610
Orange	610 - 660
Rouge	660 - 780
Infra-Rouge	> 780

Une source de lumière artificielle doit être capable de reproduire le spectre de lumière visible, l’intégralité de la gamme des longueurs d’onde ainsi qu’une certaine homogéneité dans l’amplitude du spectre.

• On remarque que les sources fluo (tube ou fluocompacte), ont un spectre discontinu avec des gammes de longueur d’ondes manquantes
• Les Leds d’entrée de gamme souffrent souvent d’une composante spectrale bleue prépondérante face aux autres composantes.
• Les Leds haut de gammes possèdent une meilleurs homogénéité de spectre et donc, un meilleur IRC.