Agrégation de Génie Civil

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1 Agrégation de Génie Civil
Eclairage - Photométrie & Colorimétrie Georges Zissis CPAT - U. Toulouse III

2 Le rayonnement EM et la lumière
Quelques relations fondamentales Bande 1 2 3 4 5 6 7 8 Couleur Violet Foncé Violet Bleu Bleu-vert Vert Jaune Orange Rouge Limites (nm) 380 nm 760 nm

3 Que signifie "Voir" ? Voir : Utiliser un photorécepteur afin de détecter, localiser et identifier un objet éclairé par une source de lumière photorécepteur objet source de lumière Photorécepteur Luminosité "Couleur" Source de lumière Puissance émise (Flux) Spectre Objet Couleur Forme

4 Le photo-récepteur Fovéa Fovéa Cônes & bâtonnets Cellules Horizontales Bipolaires, Amacrines Ganglionnaires L’œil humain est comparable à un appareil photographique On ne peut pas détecter la réaction du cerveau à un seul photon

5 La réponse du photorécepteur 1. Luminosité
L ’œil présente un maximum de sensibilité vers 555 nm dans les conditions de vision photopique 1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) Autour de cette longueur d ’onde la sensibilité décroît et s’annule vers 380nm et 760nm. Les bâtonnets Très nombreux (~125 millions) Très sensibles (1 bâtonnet peut réagir à 1 seul photon, mais le h quantique n’est que de 50%) Insensibles à la couleur Lents à l’adaptation De la cornée à la rétine (exclue) la courbe de transmission spectrale couvre une gamme de 300 nm à 1400 nm. Le cristallin porte la limite inférieure globale à 380 nm au lieu de 300 nm

6 La réponse du photorécepteur 2. Couleur
Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui d’un cône ! Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms). Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi. Cônes En petit nombre (~ 5 millions/œil) Sensibilité moyenne Grande vitesse de réponse Sensibles à la couleur L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière incidente

7 Les grandeurs et les unités 1. Le flux
Equivalent Energie émise (W) Flux lumineux (lm) Filtre V(l) Flux Débit

8 Les grandeurs et les unités 2. L'intensité lumineuse
Equivalent Source lumineuse ponctuelle O q X X' Flux dans une direction Débit dans une direction Unité : le candela (cd) 1 cd = 1 lm/sr

9 Les grandeurs et les unités 3. L'éclairement
Source lumineuse L'angle solide (sr) O Objet X E = ∆Fabs/∆S Unité : lx ou lm/m2

10 Les grandeurs et les unités 4. L'excitance
F sur 2π sr Source lumineuse non-ponctuelle M = ∆Femis/∆Ssource Unité lm/m2 S source

11 Les grandeurs et les unités 5. La luminance
Illustration I q Surface apparente A q I q Lq = Iq/Sapp Unité cd/m2 ou lm/sr.m2 Surface apparente a

12 Les grandeurs et les unités 6. Synthèse

13 Lois de base 1. Loi de l'inverse du carré de la distance
Source Ponctuelle I = ∆F/∆w ∆w S1 S2 Conséquence d1 L'éclairement diminue en s'éloignant de la source d2 X

14 Lois de base 2. Loi du cosinus
P h d a Source Ponctuelle Plan utile Ia Généralisation Pour une source uniforme et non-ponctuelle

15 Lois de base 3. Loi de Lambert
Pour une surface parfaitement diffusante L(q) = constante Iq = I0 cosq L I0 Iq q P Loi de Lambert

16 Réflexion - Transmission
Cas idéal Cas réel Pin Pin Pr Pr Coef. de réflexion r Pth Coef. de transmission t Pt Pt Pin = Pr + Pt r + t = 1 Pin = Pr + Pt + Pth r + t + a = 1 La température augmente

17 Réflexion Spéculaire Loi de Descartes
Surface parfaitement lisse O P P' a b O' La vitesse de la lumière est constante La lumière se déplace sur le chemin le plus court entre deux points dans l'espace (ligne droite) || OP || = || OP' || a = b (angle de départ = angle d'arrivée) Les points POO' définissent un plan perpendiculaire à la surface de réflexion

18 Réflexion Diffuse Pas de direction ni plan privilégiés a O Faisceau
incident Etat microscopique de la surface Réflexions Surface réelle O a

19 Coefficients de réflexion r
Réflexion diffuse : rd Réflexion spéculaire rs Réflexion totale rtot = rs+ rd Dans tous les cas rtot ≤ 1 et rtot + t + a = 1 Relations Surface parfaitement diffusante Surface parfaitement réfléchissante

20 La couleur 1. Le rôle de cônes
Il existe 3 types de cônes Bâtonnets Trois "couleurs" principales : Rouge, Vert, Bleu

21 La couleur 2. L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs
Synthèse additive Synthèse soustractive En moyenne, notre œil est capable de discerner plus de couleurs différentes Mais très peu de personnes ont une perception correcte des couleurs

22 La couleur 3. Représentation RVB
Le système RVB B Couleur "a" [r,v,b] Cyan [0,1,1] [0,0,1] Magenta [1,0,1] Blanc [1,1,1] Base : R= 700 nm, V = 546,1 nm, B = 435,8 nm LR = 1 cd/m2, LV = 4,59 cd/m2, LB = 0,06 cd/m2 Coordonnées du blanc (W) : 1/3 - 1/3 - 1/3 Noir [0,0,0] [0,1,0] V [1,0,0] En réalité beaucoup de couleurs ne peuvent pas entrer dans cette représentation ! Jaune [1,1,0] R

23 La couleur 4. Le triangle de couleurs
V B R Plan r'+v'+b'=1 Lieux de couleurs du spectre Projection (x, y) Cette représentation n'est valable que pour la lumière émise par un source ("lumières d'orifice")

24 La couleur 5. Approche visuelle
L'espace de Munsell et sa représentation simplifiée T = teinte S = saturation L = luminosité

25 La couleur des objets

26 Sources de lumière Quelques ordres de grandeur
Sources primaires Luminance (cd/m2) Soleil Lampe à incandescence 100 claire Lampe à incandescence 100 dépolie Lampe fluorescente 40W (T12) Bougie stéarique x104 600 x104 125 x103 7 x103 5 x103 Sources secondaires La luminance minimum susceptible d'impressionner l'œil est de : 10-9 cd/cm2 Lune Papier banc (r=0,8) Papier gris (r=0,4) Papier noir (r=0,04) 2,5 - 3 x103 100 50 5 Eclairées avec une lampe de 100 W équipé d'un diffuseur en verre opalin (Ø38) Eclairement 400 lx

27 Comment produire de la lumière sans électricité
CHAUD FROID LUMIERE Incandescence Luminescence Je dois trouver beaucoup de lucioles Bio-luminescence Phosphorescence Tribo-luminescence Thermo-luminescence Foudre Feu Torches Chandelles Lampes à huile

28 Comment produire de la lumière avec électricité
Humphry Davy & Michael Faraday 1812 Arc au charbon Arc Electrique Thomas Edison 1878 Filament au charbon Incandescence

29 La famille des lampes électriques
Incandescence Luminescence Pression opérationnelle Agrégats Filtre sélectif Type de spectre d'émission Mode d'excitation Halogène Décharge électrique Electro- luminescence L.E.D Classique Filament de W

30 Production de la lumière
Méthode "chaude" Filament métallique chaud Milieu Dense Spectre Continu Interactions Fortes Méthode "froide" Atomes Molécules Milieu dilué Interactions Faibles Spectre de raies

31 Pourquoi tant d'interêt pour les lampes ? ?

32 Les lampes sont partout !
Eclairage des Monuments Applications Industrielles Eclairage Intérieur Eclairage Public Véhicules & Transport Panneaux d'affichage

33 Quelques chiffres 30 milliards de lampes fonctionnent chaque jour sur terre 10 milliards de nouvelles lampes sont produites chaque année 1 000 TWh d'énergie électrique sont consommées par an 41 TWh pour la France en 1999 10% de la production mondiale de l'électricité 11,5 % pour la France 21% pour les USA 34% pour la Tunisie 40 GWh pour Toulouse (1995) 1000 millions de tonnes de CO2 sont injectées dans l'atmosphère par an 80 tonnes de déchets contaminés au Hg sont collectées chaque année en France En 1979 : 5 TWh En 1999 : 14 TWh

34 Qu'est-ce la lampe idéale ? ? La question: La réponse est plutôt
complexe !

35 Quelques définitions (le photorécepteur)
Luminosité Couleur 1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière incidente

36 Un exemple de "Couleur" Original Sodium Basse pression Mercure Haute

37 Quelques définitions (la source de lumière)
Puissance émise Pr (l) Spectre Il Continu Raies (ou bandes) Mixte Efficacité électrique (%) : Puissance électrique Pin Efficacité lumineuse (lm/W) : : Indice Rendu Couleurs IRC Temp. de couleur Tc

38 pour laquelle a été réalisée
Une première réponse La qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'application pour laquelle a été réalisée IRC h Éclairage routier Sodium Basse Pression Bon Faible Moyen MHL (quartz) MHL (céramique) Sodium Haute Pression Mercure Haute Pression Sodium Haute Pression "White" Éclairage intérieur incandescence 200 lm/W IRC~0 12 lm/W IRC~100 100

39 Quels sont les objectifs
Bien ! Quels sont les objectifs futurs ? ?

40 Histoire du développement des lampes (1e Période)
Filament au tungstène Incandescence remplie avec du gaz Néon Systèmes à arc expérimentaux MHP LPS Lampe Fluorescente (T12) Incandescence (filament spiralé) HPS MHL LED Halogène Incandescence (filament axial) Fluorescente Forte intensité (T8) (J. Waymouth, LS:5, 1989)

41 Histoire du développement des lampes (2e Période)
Fluorescent compact (CFL) MHL miniature Ballast électronique Incandescence (filtre sélectif) Gouttes de Progrès ? 1990-… (J. Waymouth, LS:5, 1989)

42 Évolution de l'efficacité lumineuse des sources
Lampe au Soufre Fluo Compacte (CFL) Na Haute Pression (SON) Na HP blanche Fluorescent Na Basse pression (LPS) HID/MHL Incandescence Evolution de l'efficacité L'industrie des lampes a-t-elle atteint quelque limite thermodynamique ? ? (J. Waymouth, ALITE-95)

43 La limite théorique pour la lumière blanche
Efficacité 300 lm/W ? BB (J. Waymouth, ALITE-95)

44 Histoire du développement des lampes (3e Période)
Fluorescent compact (CFL) MHL miniature Ballast électronique Incandescence (filtre sélectif) Sans électrodes HF/RF Contrôle de la couleur Soufre HP Agrégats Excimer Configurations 2-D Fluorescentes (T5 et sans mercure) LED forte Intensité Et LED UV 1990-… Lampe Sans mercure (Zinc) Hg-UHP

45 La lampe n'est qu'un élément d'un système complexe
Energétique Architecture... Source de puissance Environnement Lampe h Récepteur Réseau Complexité = Pluridiciplinarité Génie électrique Electronique... Phys. plasmas Chimie Matériaux... Physiologie Ergonomie Psychologie...

46 Les "10 commandements" d'une bonne lampe
Ne pollue pas Chaleur UV Interférences EM Matériaux toxiques   Produit le maximum de lumière avec le minimum de l'énergie électrique  Produit une "bonne" lumière Spectre IRC Température de couleur    Soit recyclable  Soit légère et compacte Ait une longue vie  Produit une lumière stable sans fluctuations constante sur toute ta vie    Ne coûte pas cher  Produit toute ta lumière instantanément Soit interchangeable avec d'autres lampes 

47 Dans un monde sans lampes...
… tous les chats sont gris !