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UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure T royes, Février 2012 Michel AUBES

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Présentation au sujet: "UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure T royes, Février 2012 Michel AUBES"— Transcription de la présentation:

1 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure T royes, Février 2012 Michel AUBES

2 UMR 5213 Introduction Importance des grandeurs et des unités Difficultés de la métrologie de la lumière Différents points abordés Radiométrie et photométrie. Grandeurs énergétiques et visuelles Définition des grandeurs. Les unités. Relations entre les grandeurs. Qualités chromatiques de la lumière

3 UMR 5213 Radiométrie et photométrie La lumière Lumière La lumière est un phénomène physique correspondant à un rayonnement qui transporte de lénergie et qui agit sur loeil Les modèles de la lumière

4 UMR 5213 Portion de plan limitée par deux demi droites R α Angle plan : Demi-plan : π rd Tout le plan : 2 π rd 57,3 ° : 1 rd Radiométrie et photométrie Géométrie du rayonnement Lumière = rayon Géométrie des faisceaux de lumière

5 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Géométrie du rayonnement Angle solide : Tout lespace : 4 π sr Cône (θ) : 2 π(1-cosθ) sr Angle solide élémentaire : sinθdθdφ Portion despace limitée par un cône dS r Normale à dS θ Angle solide sous lequel on voit une surface:

6 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Géométrie du rayonnement Faisceau émis par une source ponctuelle Angle solide Faisceau émis par une source étendue Etendue géométrique dS P P d θ θ dΩ Normale à dS

7 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Onde électromagnétique Lumière = ondes électromagnétiques Lumière=photon : h : constante de Planck=6, J.s 1 photon de lumière 1 eV

8 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Onde électromagnétique Le transport dénergie par la lumière est bien interprété dans le cadre du modèle des ondes électromagnétiques. RADIOMETRIE La lumière nest pas une onde électromagnétique monochromatique mais une superposition de telles ondes. Les grandeurs énergétiques A e ne pourront pas décrire totalement la réalité. Il faut donc définir des grandeurs énergétiques spectriques A eλ associées à la distribution spectrale de lénergie. Remarque : le modèle du photon permet lui aussi dinterpréter le transport dénergie mais on lutilise quand il faut traiter linteraction lumière-matière (détecteurs par exemple) On peut ainsi associer à la lumière des grandeurs énergétiques A e dont les unités sont dérivées du Joule, unité dénergie du système international.

9 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Onde électromagnétique Lampe à incandescence Tube fluorescent LED blanche Distribution spectrale de lénergie λ A eλ dλ

10 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Oeil et vision Structure de la rétine Loeil Sensation visuelle PHOTOMETRIE

11 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Oeil et vision Bâtonnets 130 millions très sensibles (vision nocturne) Insensibles à la couleur Adaptation lente (20 mn) Réponse lente(300 ms) Cônes 6,5 millions 100 fois moins sensible que les bâtonnets (vision diurne) Localisés (fovéa) Sensibles à la couleur(3 types de cônes) Réponse rapide (70 ms)

12 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Oeil et vision Pleine acuité visuelle pour un champ de 2° (fovea)

13 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Oeil et vision ,2 0,4 0,6 0,8 1 Longueur donde (nm) V(λ) 555 nm 507 nm Efficacité relative Vision photopique Vision scotopique Longueur donde (nm) Efficacité lumineuse (lm/W ) 555 nm 507 nm K m = 1700 lm/W K m = 683 lm/W Vision scotopique K(λ) = K m V(λ) Vision photopique K(λ) = K m V(λ)

14 UMR 5213 Radiométrie et photométrie Oeil et vision Longueur donde (nm) Efficacité lumineuse (lm/W ) Vision scotopique Vision photopique Vision mésopique pour différents niveaux de luminance Les conditions de la vision dépendent du niveau de luminance : L V >5 cd/m 2 vision photopique L V <0,005 cd/m 2 vision scotopique Entre ces deux valeurs on est en conditions de vision mésopique. Lefficacité lumineuse relative mésopique V mes (λ) dépend de L V.

15 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Flux (F) Grandeurs relatives à la source Intensité (I) Luminance (L)Exitance (M) Grandeurs relatives au récepteur Eclairement (E) Source Grandeur fondamentale Flux (débit) Récepteur

16 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Flux Le flux correspond à un débit à travers une surface Flux énergétique F e Energie transportée par la lumière traversant une surface par unité de temps Unité : Watt (W) Flux énergétique spectrique F eλ Distribution de lénergie dans le spectre Densité dénergie par unité dintervalle de longueur donde Unité : Watt/mètre (W/m) Flux lumineux (ou visuel) F V Traduit la sensation visuelle Unité : lumen (lm)

17 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Flux Flux dun faisceau: énergie traversant par unité de temps une section quelconque du faisceau Flux dune source : énergie traversant par unité de temps une surface fermée entourant la source Fe=90 W FV=1500 lm η=15 lm/W Lampe à Incandescence 100 W

18 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Intensité Intensité : flux émis dans une direction donnée par unité dangle solide Intensité énergétique I e Unité : Watt/stéradian (W/sr) Intensité lumineuse I V Unité : candela (cd)

19 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Intensité Lintensité lumineuse est la grandeur de base pour le système dunités international Lunité correspondante (candela) est définie de la façon suivante : La candela est lintensité lumineuse dans une direction donnée dune source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence Hz et dont lintensité énergétique dans cette direction est 1/683 Watt par stéradian. (16éme Conférence Générale des Poids et Mesures (1979)) Remarque : à Hz, dans lair (n=1,003), λ=555,016 nm (le maximum de V(λ) se situe à 555 nm). Donc,

20 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Intensité Représentation graphique de la distribution spatiale de lintensité indicatrice (surface) Courbes photométriques : section de lindicatrice par des plans Bougie : 1 cd Incandescence (100W) : 150 cd Phare (marine) : cd

21 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Luminance dS P θ dΩ Normale à dS P surface Surface apparente Elément de surface dS de la source

22 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Luminance Luminance énergétique L e : Luminance lumineuse L V : Unité : Watt.mètre -2.stéradian -1 (W.m -2.sr -1 ) Unité : candela.mètre -2 (cd.m -2 ) lumen.mètre -2.stéradian -1 (lm.m -2 sr -1 ) Soleil (à travers latmosphère) : 1, cd/m 2 Lampe à incandescence 100W claire : cd/m 2 Lampe à incandescence 100W dépolie : 10 5 cd/m 2 Tube fluorescent 40 W : cd/m 2 Pleine lune : cd/m 2

23 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Luminance Signification de la luminance Lampe sphérique émettant de façon isotrope une intensité I et un flux F Rayon R 1 Luminance L 1 Rayon R 2 Luminance L 2 (1) Plus « brillante » que (2)

24 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Luminance Conservation de la luminance dans un système centré A0A0 AiAi PePe PsPs ΔS o ΔS i αoαo αiαi Aplanétisme Condition des sinus dAbbe : Etendue géométrique: n o =n i et transmission T=1 L o = L i Lœil est sensible à la luminance

25 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Luminance Cas particulier important : la luminance ne dépend pas de la direction (la source est dite « lambertienne ») I(θ) I0I0 θ Lœil est sensible à la luminance la luminance peut être responsable déblouissement Seuil de perception : cd/m 2 Eblouissement > cd/m 2 Lésions oculaires au delà de cd/m 2

26 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Exitance dS P θ dΩ Normale à dS Exitance énergétique M e : Unité : Watt.mètre -2 (W.m -2 ) Exitance lumineuse M V : Unité : lumen.mètre -2 (lm.m -2 )

27 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Eclairement Eclairement énergétique E e : Unité : Watt.mètre -2 (W.m -2 ) Eclairement lumineux E V : Unité : lux (lx) lumen.mètre -2 (lm.m -2 ) Eclairement intérieur quelques centaines de lux Chaussée : 10 à 40 lux Soleil à midi : lux

28 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Relations entre grandeurs Flux et intensité Flux et luminance Si lémission est isotrope (I constant) : dS P P d θ θ dΩ Normale à dS

29 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Relations entre grandeurs Intensité et luminance Luminance et exitance Si la luminance ne dépend pas de P : Si la source est lambertienne (L est la même dans toutes les directions) :

30 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Relations entre grandeurs Eclairement, intensité et luminance dS P P d θ θ dΩ Si la source est peu étendue (par rapport à d), quand P se déplace sur la source, d et θ varient peu,

31 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Relations entre grandeurs Emission isotrope Intensité I 0 h r θ Exemple dapplication Validité de la relation r d d<>r Source de luminance uniforme et constante L 1

32 UMR 5213 Grandeurs et unités de mesure Relations entre grandeurs Eclairement en fonction de la distance et de la dimension de la source (Source à Luminance constante)

33 UMR 5213 Lumière et couleur 3 paramètres décrivent une sensation colorée Modèle additif des couleurs : «quantité » de trois couleurs primaires pour reproduire toute couleur. Comparaison dun stimulus visuel à des stimuli de référence (égalisation des couleurs ou appariement)

34 UMR 5213 Expérience fondamentale : Egalisation des couleurs Système CIE 1931 : Choix des primaires : 435,8 nm, 546,1 nm, 700 nm Champ visuel de 2° Système CIE 1964 : Mêmes primaires Champ visuel de 10° Lumière et couleur Espaces colorimétriques

35 UMR 5213 Lumière et couleur Espaces colorimétriques Fonctions colorimétriques CIE 1931 Espace colorimétrique CIE xyY

36 UMR 5213 Lumière et couleur Espaces colorimétriques x y W x x W : point blanc (0,33;0,33) C : point de couleur C : point de la couleur complémentaire D : couleur pure (longueur donde dominante) C C D

37 UMR K Lumière et couleur Température de couleur Corps noir : radiateur idéal dont le rayonnement ne dépend que de la température. La distribution spectrale et donc lapparence colorée change avec la température.

38 UMR 5213 Lumière et couleur Température de couleur La température de couleur (ou plutôt température de couleur proximale T cp ) dune source est la température du corps noir qui a la même apparence colorée Lumière « chaude » Tcp <3300 K Lumière « froide » Tcp > 5000 K Incandescence : 2700 K Lumière du jour : 6500 K Sodium haute pression : 2200 K Fluo chaude (3000K), froide (4100K)

39 UMR 5213 Sodium basse pression Mercure haute pressionSodium haute pression Lumière blanche Lieu du corps noir dans le diagramme chromatique Température de couleur proximale Lumière et couleur Température de couleur

40 UMR 5213 Lumière et couleur Température de couleur Température de couleur proximale (K) Eclairement (lx) Ambiance confortable Le diagramme de Kruithoff 300 Bougie Halogène Fluorescent Eclairage trop chaud Eclairage trop froid La température de couleur optimale dépend du niveau déclairement

41 UMR 5213 Lumière et couleur Indice de rendu des couleurs Indice de rendu des couleurs ; nombre chiffrant sur une échelle de 0 à 100 laptitude dune source de lumière à restituer la couleur dun objet par rapport à une source de référence de même température de couleur proximale. Evaluation quantitative du degré daccord entre la couleur psychologique dun objet éclairé par lilluminant en essai et celle du même objet éclairé par lilluminant de référence, létat dadaptation chromatique ayant été correctement pris en compte. Définition CIE Quelle est la signification pratique de lIRC ? Comment évalue ton lIRC dune source ?

42 UMR 5213 Lumière et couleur Indice de rendu des couleurs Sodium basse pression Sodium haute pression Mercure haute pression Incandescence

43 UMR 5213 Lumière et couleur Indice de rendu des couleurs

44 UMR 5213 Lumière et couleur Indice de rendu des couleurs Activité IRC Recommandé NF EN (2003) NF EN (2003) Contrôle, sélection, examen, laboratoire, textile, imprimerie, produits agricole > 90 Certains ateliers, salle dessin, guichets, bureaux, écoles, magasins de vente, restaurants, hôtels, cuisines minimum 80 industrie60 < IRC < 70 Fonderie, grosse mécanique Stockage 40 < IRC < 60 Escaliers, zone de circulation, couloirs, quais de chargement minimum 40 Incandescence 100 Fluorescent : Sodium : 0 (BP)-85 (HP blanche) Halogénure métallique : Ra> 90 1A 80

45 UMR 5213 Lumière et couleur Indice de rendu des couleurs Source de référence S R (Tcp) Source à mesurer S M (Tcp) Pour chaque échantillon (i) on mesure lécart de couleur ΔC entre S R et S M Indice particulier R i Indice général R a


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