Les Unités Optiques. par Thierry Thomasset. version complète :

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1 Les Unités Optiques par Thierry Thomasset version complète : octobre 2009

2 Sommaire les unités de intensité lumineuse 3 flux lumineux 5 éclairement lumineux ou exitance 5 luminance 6 vergence des systèmes optiques 7 énergie lumineuse 7 efficacité lumineuse 8 efficacité énergétique 9 éclairement (ou flux) énergétique 10 illumination rétinienne 11

3 Intensité lumineuse m candela cd Intensité lumineuse dans une direction donnée d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence Hz, et dont l'intensité énergétique dans cette direction est de 1/683 watt par stéradian. XVI e CGPM résolution 3 ATTENTION, même si on prononce "candéla", il n'y a pas d'accent. bougie bougie décimale bougie nouvelle ou internationale carcel étym. : candela, mot latin, signifiant chandelle. 1,018 cd La bougie est basée sur l'émission d'une lampe à filament de carbone. 1/20 de l'étalon Violle Fondée sur la luminance du radiateur intégral de Planck (corps noir) à la température de congélation du platine. utilisée de 1948 à ,71 cd La lampe carcel (du nom de son inventeur) était un bec de 12 mm de diamètre qui brûlait 42 g d'huile de colza par heure. étym. : vient du savant Bertrand Carcel ( ). rayleigh R 10 6 /4! photons / cm 2.s (système CGS) 795, photons / m 2.sr.s (système SI) Utilisé en astronomie étalon Violle étym. : vient du savant John William Strutt, Lord Rayleigh ( ). 20,17 cd Lumière émise par 1 cm 2 de platine en fusion. utilisée jusqu'en anglo-saxonne hefner candle ou hefner unit étym. : vient du savant Jules Violle ( ). 0,92 cd étym. : vient de l'ingénieur allemand Friedrich Franz von Hefner-Alteneck ( ). Les unités optiques : 3

4 Historique sommaire : Chaque pays a eu sa propre unité d'intensité lumineuse ; c'est en 1909 que les laboratoires nationaux des États-Unis, de la France, et de la Grande-Bretagne ont décidé d'adopter une bougie internationale représentée par des lampes à filament de carbone. L'Allemagne a gardé la bougie Hefner, définie comme ayant une flamme égale à environ 90% d'une bougie internationale. Une norme basée sur les lampes incandescentes n'est pas satisfaisante par manque de stabilité. Les propriétés du corps noir ont apporté la solution, et dès 1933, de nouvelles unités photométriques basées sur l'émission lumineuse d'un corps noir à la température de congélation du platine 2045 K sont à l'étude. Elles seront définies en En 1948, la 9 e CGPM adopte la candela (cd) comme unité d'intensité lumineuse, basée sur la luminance d'un radiateur de Planck (un corps noir) à la température de congélation du platine. En 1967, la 13 e CGPM modifie la définition de En 1979, en raison des difficultés à réaliser un radiateur de Planck aux températures élevées et des nouvelles possibilités offertes par la radiométrie, c est-à-dire, la mesure de la puissance optique de rayonnement, la 16 e CGPM (1979) adopte la définition actuelle de la candela. Les unités optiques : 4

5 Flux lumineux lumen lm 1 cd.sr Flux lumineux émis dans 1 stéradian par une source ponctuelle uniforme placée au sommet de l'angle solide et ayant une intensité lumineuse de 1 candela. étym. : lumen, mot latin, signifie lumière. Éclairement lumineux ou exitance lumen par mètre carré lm/m 2 lux lx 1 lm/m 2 étym. : lux, mot latin, signifie lumière. phot ph 10 4 lux ou 1 lm/cm 2 ancienne unité CGS nox étym. : mot d'origine grecque phôs, lumière. On retrouve la racine dans photo lux étym. : nox, mot d'origine latine, signifie nuit. anglo-saxonne footcandle ft.c 10,764 lx ou 1 lm/ft 2 Les unités optiques : 5

6 Luminance candela par mètre cd/m2 carré apostilb asb 1/! cd/m 2 orig. : nom donné par la Société Allemande d'ingénierie photométrique (DLTG). blondel 1/! cd/m 2 unité utilisée en éclairagisme lambert Lb, La ou L étym. : vient du savant André Blondel ( ) /! ou 3, cd/m 2 1/! stilb ou 1/! cd/cm 2 en système CGS étym. : vient du savant Heinrich Lambert ( ). nit nt 1 cd/m 2 étym. : mot latin, nitere, signifie luire, briller. stilb sb 10 4 cd/m 2 ancienne unité CGS étym. : du grec stilbein, briller. anglo-saxonne candela per square foot 10,764 cd/m 2 candela per square inch cd/m 2 footlambert ft.l, fl 1/! cd/ft 2 3,426 cd/m 2 glim 10-3 ft.l 3, cd/m 2 skot 10-3 /! cd/m 2 ou 3, cd/m 2 Définition de la luminance : Quotient de l'intensité lumineuse d'une surface par l'aire apparente de cette surface pour un observateur lointain. Le mot "brillance" a été remplacé en 1948 par le mot luminance pour apprécier l'éclat d'un objet. Exemple de luminance (cd/m 2 ) - disque solaire à midi 1, surface de la lune ciel couvert ciel très sombre 10-3 Cas d'une source orthotrope (même luminance dans toutes les directions) M (lm/m 2 ) =!.L (cd/m 2 ) ou M est appelé émittance et L, luminance. Les unités optiques : 6

7 Vergence des systèmes optiques 1 par mètre m -1 1 m -1 dioptrie! 1 m -1 Vergence d'un système optique ayant un mètre de distance focale dans un milieu dont l'indice de réfraction est 1. La convergence est la vergence positive et la divergence, la vergence négative. Énergie lumineuse lumen-seconde lumberg ou talbot lm.s 1 lm.s étym. : vient du savant Henri Fox Talbot ( ). Les unités optiques : 7

8 Efficacité lumineuse lumen par watt Notes lm/w quantité de lumière émise par une source consommant un watt de puissance électrique, correspond à l'inverse de l'efficacité énergétique. L'efficacité lumineuse permet de comparer le rendement des sources d'éclairages. type lampe à incandescence lampe halogène lampe fluorescente lampe à LED lampe à vapeur de sodium (basse pression) À l'issue du "Grenelle de l'environnement", devançant la Directive 2005/32/CE du Parlement européen et du Conseil du 6 juillet 2005, une convention a été signée le 24 octobre 2008 entre le ministère de l'écologie, les fédérations du commerce, l'éco-organisme Recylum, EDF et l'ademe, prévoyant le retrait du commerce français des ampoules à incandescence car leur efficacité est trop faible (seulement 5 % de l'énergie électrique consommée est transformée en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur). La suppression se fera progressivement en fonction de la puissance selon le calendrier ci-contre. À l'horizon 2016, l'ademe estime que cette mesure permettra d'économiser 8 térawatts-heures d'électricité. 100 W : 75 W : 60 W : 40 W : 25 W : efficacité (lm/w) durée de vie (h) rendu des couleurs bon excellent bon bon mauvais 01/07/2009 (autorisation jusqu'au 01/09) 01/01/ /07/ /09/ /01/2013 La société Philips affirme que si les Européens supprimaient les ampoules à incandescence, les émissions de CO 2 seraient réduites de 60% soit une économie de 7 milliards d euros (Libération 07/2009). sources : =3817&var_recherche=lampes Les unités optiques : 8

9 Efficacité énergétique watt par lumen W/lm rapport de la puissance consommée par la quantité de lumière émise par une source. ex : Une ampoule à incandescence d'une puissance de 75 W émet 14,18 lm. Les normes : Les normes européennes ont défini 7 classes (A à G) définissant l'efficacité énergétique d'un appareil d'éclairage électrique. classe efficacité(mw/lm) type de lampe A B C D E F G < 13,6 13, > 160 fluorescence fluorescence halogène halogène incandescence incandescence incandescence Les unités optiques : 9

10 Éclairement (ou flux) énergétique watt par mètre carré W/m 2 La Terre reçoit du Soleil une puissance due au rayonnement direct et perpendiculaire d'environ 1000 W/m 2. La puissance totale, avec le rayonnement diffus peut atteindre 1400 W/m 2. La moyenne annuelle est de 340 W/m 2. ancienne finsen unit FU 10-5 W/m 2 utilisé en médecine pour mesurer l'influence des UV (296,7 nm) sur le corps humain. Une lumière UV de 2 FU cause un coup de soleil en 15 minutes. étym. : vient du médecin danois Niels Ryberg Finsen ( ), prix Nobel de médecine en Les unités optiques : 10

11 Illumination rétinienne troland luxon Td unité correspondant à l'illumination reçue par la rétine et provenant d'une source de 1 cd/m 2 de luminance à travers une pupille d'entrée de 1 mm 2. étym. : vient du scientifique américain Leonard Thompson Troland ( ). 1 luxon = 1 Td L'illumination rétinienne : L'illumination rétinienne E n'est pas proportionnelle à la luminance émise par une source car l'œil possède une pupille dont le rôle est d'atténuer le flux lumineux atteignant la rétine. Elle est proportionnelle au produit de la luminance L et de l'aire pupillaire S, cette quantité LS définit un niveau rétinien dont l'unité est le troland (Td). E = " 4 d 2 L où d est le diamètre de la pupille La taille de la pupille limitant le flux incident dépend de manière connue de la luminance; il est donc possible de caractériser le niveau d'adaptation soit, par le niveau rétinien E, soit par la luminance L. Il existe deux! types de récepteurs rétiniens, les cônes adaptés à la vision colorée et les bâtonnets plus sensibles mais réservés domaine vision cônes bâtonnets E (Td) L (cd/m 2 ) à la vision en noir photopique diurne X > 30 > 3 et blanc (luminance). scotopique nocturne X < 0,04 < 0,001 mésopique crépusculaire X X L'illumination rétinienne varie de à Td. Leonard T. Troland est un psychophysiologiste, il a enseigné à Harvard de 1916 à sa mort survenue dans des circonstances mystérieuses. C'était un scientifique, artiste et inventeur. Il fut un pionnier de cinématographie et télévision couleur, dans le développement des lasers et un expert en système optique. Ces derniers travaux concernaient la parapsychologie (psychokinésie et télépathie). Il a écrit un ouvrage sur les origines chimiques de la vie en Les unités optiques : 11