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SIPCPAT Agrégation de Génie Civil Georges Zissis CPAT - U. Toulouse III.

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1 SIPCPAT Agrégation de Génie Civil Georges Zissis CPAT - U. Toulouse III

2 SIPCPAT Le rayonnement EM et la lumière 380 nm760 nm Quelques relations fondamentales Bande Couleur Violet Foncé Violet Bleu Bleu-vert Vert Jaune Orange Rouge Limites (nm)

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

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

5 SIPCPAT La réponse du photorécepteur 1. Luminosité 4 L œil présente un maximum de sensibilité vers 555 nm dans les conditions de vision photopique 41 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) 4Autour de cette longueur d onde la sensibilité décroît et sannule vers 380nm et 760nm. vTrès nombreux (~125 millions) vTrès sensibles (1 bâtonnet peut réagir à 1 seul photon, mais le quantique nest que de 50%) vInsensibles à la couleur vLents à ladaptation 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 SIPCPAT La réponse du photorécepteur 2. 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 vEn petit nombre (~ 5 millions/œil) vSensibilité moyenne vGrande vitesse de réponse vSensibles à la couleur 4Le seuil de sensibilité dun bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui dun cône ! 4Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms). 4Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n est complète que par un ciel bleu dété à midi.

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

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

9 SIPCPAT Les grandeurs et les unités 3. L'éclairement E = F abs /S Unité : lx ou lm/m 2 Source lumineuse Objet X O L'angle solide (sr)

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

11 SIPCPAT Les grandeurs et les unités 5. La luminance L = I /S app Unité cd/m 2 ou lm/sr.m 2 I I Surface apparente A Surface apparente a Illustration

12 SIPCPAT Les grandeurs et les unités 6. Synthèse

13 SIPCPAT Lois de base 1. Loi de l'inverse du carré de la distance Source Ponctuelle X d1d1 d2d2 I = F/ S1S1 S2S2 L'éclairement diminue en s'éloignant de la source Conséquence

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

15 SIPCPAT Lois de base 3. Loi de Lambert LI0I0 I P Pour une surface parfaitement diffusante L( ) = constante I = I 0 cos Loi de Lambert

16 SIPCPAT Réflexion - Transmission P in PrPr PtPt P in = P r + P t + = 1 P in PrPr PtPt P in = P r + P t + P th + + = 1 P th La température augmente Coef. de réflexion Coef. de transmission Cas idéal Cas réel

17 SIPCPAT Réflexion Spéculaire Loi de Descartes 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' || = (angle de départ = angle d'arrivée) Les points POO' définissent un plan perpendiculaire à la surface de réflexion Surface parfaitement lisse O P P' O'

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

19 SIPCPAT Coefficients de réflexion Coefficients de réflexion Dans tous les cas tot 1 et tot + + = 1 Réflexion diffuse : d Réflexion spéculaire s Réflexion totale tot = s + d Surface parfaitement diffusante Surface parfaitement réfléchissante Relations

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

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

22 SIPCPAT La couleur 3. Représentation RVB [0,0,1] [0,1,0] [1,0,0] Cyan [0,1,1] Jaune [1,1,0] Magenta [1,0,1] Blanc [1,1,1] Noir [0,0,0] R V B Le système RVB Couleur "a" [r,v,b] Base : R= 700 nm, V = 546,1 nm, B = 435,8 nm LR = 1 cd/m 2, LV = 4,59 cd/m 2, LB = 0,06 cd/m 2 Coordonnées du blanc (W) : 1/3 - 1/3 - 1/3 En réalité beaucoup de couleurs ne peuvent pas entrer dans cette représentation !

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

25 SIPCPAT La couleur des objets

26 SIPCPAT Sources de lumière Quelques ordres de grandeur Sources primaires Soleil Lampe à incandescence 100 claire Lampe à incandescence 100 dépolie Lampe fluorescente 40W (T12) Bougie stéarique Sources secondaires Lune Papier banc ( =0,8) Papier gris ( =0,4) Papier noir ( =0,04) x x x x x10 3 2,5 - 3 x Eclairées avec une lampe de 100 W équipé d'un diffuseur en verre opalin (Ø38) Eclairement 400 lx Luminance (cd/m 2 ) La luminance minimum susceptible d'impressionner l'œil est de : cd/cm 2

27 SIPCPAT Comment produire de la lumière sans électricité CHAUD 3 Feu 3 Torches 3 Chandelles 3 Lampes à huile FROID Luminescence 3 Bio-luminescence 3 Phosphorescence 3 Tribo-luminescence 3 Thermo-luminescence 3 Foudre LUMIERE Je dois trouver beaucoup de lucioles Incandescence

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

29 SIPCPAT LuminescenceLuminescence Déchargeélectrique Electro-luminescence IncandescenceIncandescence La famille des lampes électriques Mode d'excitation Pression opérationnelle Type de spectre d'émission Classique Filament de W Halogène Filtre sélectif Agrégats L.E.D

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

31 SIPCPAT

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

33 SIPCPAT Quelques chiffres 430 milliards de lampes fonctionnent chaque jour sur terre 410 milliards de nouvelles lampes sont produites chaque année TWh d'énergie électrique sont consommées par an millions de tonnes de CO 2 sont injectées dans l'atmosphère par an 480 tonnes de déchets contaminés au Hg sont collectées chaque année en France 410% de la production mondiale de l'électricité J 11,5 % pour la France J 21% pour les USA J 34% pour la Tunisie En 1979 : 5 TWh En 1999 : 14 TWh 40 GWh pour Toulouse (1995) 41 TWh pour la France en 1999

34 SIPCPAT La question: La réponse est plutôt complexe !

35 SIPCPAT Quelques définitions (le photorécepteur) 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 1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm)

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

37 SIPCPAT Puissance émise P r ( ) Spectre I Quelques définitions (la source de lumière) Puissance électrique P in Efficacité électrique (%) : Efficacité lumineuse (lm/W) : : Indice Rendu Couleurs IRC Temp. de couleur T c Continu Raies (ou bandes) Mixte

38 SIPCPAT 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 lm/W IRC~ lm/W IRC~0 Bon Faible Moyen IRC Sodium Haute Pression Mercure Haute Pression MHL (quartz) MHL (céramique) Sodium Haute Pression "White" incandescence Sodium Basse Pression Éclairage intérieur Éclairage routier

39 SIPCPAT

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

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

42 SIPCPAT Évolution de l'efficacité lumineuse des sources (J. Waymouth, ALITE-95) L'industrie des lampes a-t-elle atteint quelque limite thermodynamique ? 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

43 SIPCPAT La limite théorique pour la lumière blanche BB (J. Waymouth, ALITE-95)

44 SIPCPAT Histoire du développement des lampes (3e Période) 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 Fluorescent compact (CFL) MHL miniature Ballast électronique Incandescence (filtre sélectif)

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

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

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


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