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

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 - 420 420 - 440 440 - 460 460 - 510 510 - 560 560 - 610 610 - 660 760 - 760 380 nm 760 nm

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Les grandeurs et les unités 6. Synthèse

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

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

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

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

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

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

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

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

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 350 000 couleurs différentes Mais très peu de personnes ont une perception correcte des couleurs

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

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")

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

La couleur des objets

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 165 000 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

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

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

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

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

Pourquoi tant d'interêt pour les lampes ? ?

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

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

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

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

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

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

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

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

Histoire du développement des lampes (1e Période) Filament au tungstène Incandescence remplie avec du gaz Néon Systèmes à arc expérimentaux 1897-1913 MHP LPS Lampe Fluorescente (T12) Incandescence (filament spiralé) 1930-1938 HPS MHL LED Halogène Incandescence (filament axial) Fluorescente Forte intensité (T8) 1955-1965 (J. Waymouth, LS:5, 1989)

Histoire du développement des lampes (2e Période) Fluorescent compact (CFL) MHL miniature Ballast électronique Incandescence (filtre sélectif) 1970-1989 Gouttes de Progrès ? 1990-… (J. Waymouth, LS:5, 1989)

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)

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

Histoire du développement des lampes (3e Période) Fluorescent compact (CFL) MHL miniature Ballast électronique Incandescence (filtre sélectif) 1970-1989 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

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...

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 

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