Éclairage artificiel Suzel Balez MOBAT La lumière blanches - définitions vision des couleurs Sources de lumière artificielle (Photométrie et critères de choix) Température de couleur IRC Flux lumineux Familles de sources Ouzo bar en Grèce 1
La lumière définition µ m (10-6 m) Longueurs d'onde électromagnétiques en 10-6 10-8 10-4 Rayons gamma 1 10-2 102 104 106 108 1010 U. V. Infra rouge Rayons cosmiques Radar, radio, TV Rayons X VISIBLE L œil n est sensible qu à une toute petite partie des radiations électromagnétiques Le visible (la lumière), c est un spectre électromagnétique dont les les longueurs d ondes ont le pouvoir d exciter les cellules visuelles de l œil λ=0,38 µm < Visible < λ=0,78 µm 2
La lumière blanche définition C ompos ition de la lumière blanche Source : www.thorn.fr Source : M. Zwimpfer La lumière du soleil est une lumière blanche composée de l ensemble des longueurs d onde visibles. Cette composition représente le spectre. Chaque longueur d onde correspond à une radiation colorée 3
La vision des couleurs Trans mis s ion-abs orption-réflexion Puissance incidente P La conservation de l'énergie donne P=A+T+R soit en divisant par P 1 = A/P + T/P + R/P Valeur absorbée A Valeur réfléchie R On appelle α = A/P le coefficient d'absorption τ = T/P le coefficient de transmission ρ = R/P le coefficient de réflexion Valeur transmise T α + τ + ρ = 1 Cette équation est toujours valable, mais elle varie avec les longueurs d'onde (les fréquences) La somme des énergies transmise, absorbée et réfléchie est égale à l énergie incidente. 4
La vision des couleurs C ouleur des objets Un tissu noir absorbe toutes les longueurs d onde. Un tissu n est vert que parce que les longueurs d onde vertes sont réfléchies, toutes les autres étant absorbées. Nous ne voyons des surfaces colorées que parce qu elles sont capables d émettre ou de ré-émettre de façon sélective certaines longueurs d onde de la lumière incidente. 5
La vision des couleurs Synthèse additive Le mélange en proportions égales de 3 lumières primaires (bleu, vert, rouge) crée une lumière blanche. On peut obtenir d autres couleurs par la superposition de faisceaux colorés projetés sur un écran blanc. 6
La vision des couleurs Synthèse soustractive Les couleurs primaires du peintre sont le rouge (magenta), le bleu (cyan) et le jaune. Dans le cas d un mélange de matières colorées, on parle de synthèse soustractive. Les couleurs primaires du peintre sont le rouge (magenta), le bleu (cyan) et le jaune. Les pigments absorbent une partie du rayonnement lumineux. Mélanger deux pigments signifie faire absorber par l un ce que l autre renvoie. 7
La vision - les contrastes / couleurs Une couleur est toujours perçue par rapport aux autres couleurs présentes dans le champ visuel. Deux couleurs placées côte à côte tendent à être perçues différemment que si elles étaient vues séparément. Le gris paraît plus foncé à droite qu à gauche Le vert central paraît plus vif à gauche qu à droite 8
La vision - les contrastes Variations de la lumière du soleil et constante perceptive La couleur de la lumière du jour se modifie selon les moments de la journée (position du soleil) et les conditions atmosphériques. Ce changement est progressif, notre œil s y adapte sans en prendre conscience. La loi de constante perceptive désigne le fait que nous avons tendance à percevoir un objet avec des qualités permanentes. 9
Les sources de lumière artificielle /Température de couleur d une source Le corps noir est un corps imaginaire étalon, qui permet de comparer et caractériser l émission de différentes sources La température de couleur d une source lumineuse représente la température à laquelle il faudrait chauffer le corps noir pour qu il ait le m^me aspect coloré que cette source. La température de couleur d une source lumineuse caractérise sa teinte. 10
Les sources de lumière artificielle Température de couleur d une source Température de couleur élevée (5000 à 6000 K) Température de couleur basse (2700 à 3500 K) Teinte froide (bleutée) Teinte chaude rougeâtre) 11
Les sources de lumière artificielle Diagramme de Kruithof Légende diagramme de Kruithof : Zone A : ambiance jugée trop chaude Zone B : ambiance jugée confortable Zone C : ambiance jugée trop froide 12
Les sources de lumière artificielle Éclairement et Diagramme de Kruithof L éclairement fait souvent partie du cahier des charges d un local. Les valeurs d éclairement recommandées varient en fonction de la tâche à accomplir. Elles sont en permanence reconsidérées en fonction de l évolution des techniques, du contexte économique Pour les locaux de travail, les consignes européennes prennent aussi en compte le critère de luminance. Valeurs d'éclairement moyens à maintenir en lux) voie de circulation intérieure 125 hall d'accueil 250 bureaux (travaux généraux) et bibliothèques 425 salle de classe 325 Exemples, Recommandations de l Association Française salles de dessin d Eclairage (AFE), 1993 850 mécanique générale (pièces moyennes) 425 mécanique délicate 1250 13
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Les sources de lumière artificielle Indice de rendu des couleurs d une source (IRC) ou Ra en anglais Deux sources ayant la même température de couleur n ont pas forcément le même spectre. Si ces deux sources éclairent le même objet, l aspect coloré de cet objet ne sera pas forcément identique. L indice de rendu des couleurs d une source désigne la capacité de cette source à restituer les couleurs de surfaces. L IRC s échelonne de 0 à 100. Il n est significatif qu à partir de 50. 15
Les sources de lumière artificielle Indice de rendu des couleurs d une source (IRC) Sur la photo du haut, les fruits ont un aspect bleuté ; la source qui les éclaire ne restitue pas leur coloration naturelle. Sur la deuxième photo, l IRC est meilleur. 16
Les sources de lumière artificielle Autres critères de choix : Flux et efficacité lumineuse d une source Le flux lumineux, exprimé en lumen (lm), tient compte de la courbe de sensibilité de l œil humain ; il représente les «watt utiles» pour l œil émis par une source (1 watt émis dans le jaune est beaucoup plus efficace qu 1 watt émis dans le bleu). Le flux lumineux des sources est donné par les fabricants dans les catalogues. L efficacité lumineuse d une source est le rapport entre le flux lumineux émis par cette source et sa puissance consommée (lm/w). Seule une petite partie de l énergie consommée par une lampe produit de la lumière. Ordres de grandeur : lampe à incandescence 100 W : 1500 lm lampe à incandescence à halogènes 100 W : 2500 lm tube fluorescent de 18 W (IRC = 85) : 1500 lm lampe à iodures métalliques de 150 W : 11 200 lm η = 15 lm/w η = 25 lm/w η = 85 lm/w η = 75 lm/w 17
Famille de sources Incandescence classique Principe : la lumière est émise par le filament de tungstène porté à incandescence dans une atmosphère de gaz inerte. Les sources à incandescence dégagent plus de 80 % de chaleur ; elles noircissent et ont une faible durée de vie. Puissance : 40 à 1000 W Efficacité lumineuse : 8 à 18 lm/w Tc : 2600 à 2900 K IRC : 100 Durée de vie : 1000 h (normalisée) Les sources à incandescence ont un spectre continu 18
Famille de sources Incandescence halogène Principe : idem que l incandescence classique mais l introduction de composés halogénés permet la régénération du filament Les sources halogènes noircissent moins et ont une durée de vie plus longues que les incandescences classiques/ Puissance : 50 à 2000 W Efficacité lumineuse : 13 à 20 lm/w Tc : 2800 à 3000 K IRC : 100 Durée de vie : 2000 à 4000 h 19
Sources à incandescence à réflecteur interne Famille de sources Les lampes PAR sont en verre pressé pour mieux résister aux chocs et être utilisées en extérieur. Le réflecteur interne permet de faire varier la forme du faisceau. Dichroïques Puissance : 15 à 150 W Efficacité lumineuse : 16 à 22 lm/w Tc : 3000 K IRC : 100 Durée de vie : 2000 à 4000 h 20
Famille de sources Les lampes à décharge La lumière est produite dans une ampoule électrique renfermant un ou plusieurs gaz (vapeurs métalliques). Lorsqu une tension suffisante est appliquée, un arc électrique se crée, qui met en mouvement les atomes de gaz (ionisation). En changeant la composition en gaz ou en modifiant la pression, on obtient des qualités de lumière différentes. Les sources à décharge possèdent des «spectres à raies». Les sources à décharge requièrent un appareillage spécial : système d allumage et ballast. 21
Famille de sources / à vapeur de mercure lampes fluorescentes (vapeur de mercure basse pression) La vapeur de mercure excitée à cette pression émet un spectre ultra-violet. L ajout de poudres fluorescentes sur les parois intérieures de l ampoule permet de transformer cette énergie en rayonnement visible (fluorescence). Tube dont seulement une partie est recouverte de poudre fluorescente Les sources fluorescentes couvrent une large gamme de qualités de lumière et de formes. 22
Famille de sources / à vapeur de mercure tubes fluorescents Exemple de spectre d un tube fluorescent Puissance : 18, 36, 58 W Efficacité lumineuse : > 60 lm/w Tc : 2700-7000 K IRC : 40-98 Durée de vie : 6000 à 12000 h Catalogue OSRAM : «lumière du jour» : Tc > 5000 K «blanc neutre» : Tc = 4000 K «blanc chaud» : Tc < 3300 K «blanc doré» : TC = 2700 K 23
Famille de sources / à vapeur de mercure lampes fluocompactes Puissance : 5 à 23 W Efficacité lumineuse : 40 à 60 lm/w Tc : 2700-3000 K IRC : 85 Durée de vie : 8000 à 10000 h Ces lampes ont un fonctionnement identique à celui des tubes mais leur appareillage incorporé permet de les substituer aux sources à incandescence Exemple de spectre d une fluocompacte 24
Famille de sources / à vapeur de mercure aux iodures métalliques (vapeur de mercure haute pression) Ces lampes à vapeur de mercure haute pression contiennent des halogénures métalliques permettant un meilleur IRC. Depuis peu, les brûleurs céramique tendent à remplacer les brûleurs à quartz. Brûleurs quartz Puissance : 50 à 2000 W Efficacité lumineuse : 70 à 90 lm/w Tc : 3000 à 6000 K IRC : 65-85 Durée de vie : 6000 à 8000 h Brûleurs céramique Puissance : 20 à 400 W Efficacité lumineuse : 70 à 90 lm/w Tc : 3000 à 4200 K IRC : 65-95 Durée de vie : jusqu à 15000 h 25
Famille de sources /Lumière noire Lampes à vapeur de mercure basse pression conçues pour n émettre que des UV ; leur verre retient toute lumière visible mais rend visible les matières réagissant aux UV. 26
Famille de sources / à vapeur de sodium à vapeur de sodium basse pression Ces sources ont un spectre d émission monochromatique Exemple de spectre 27
Famille de sources / à vapeur de sodium à vapeur de sodium haute pression Exemple de spectre Sodium haute pression classique Efficacité lumineuse : 50 à 150 lm/w Tc : 2000 à 2500 K IRC : 65-85 Durée de vie : 8000 à 24000 h Il existe des sources dites «sodium blanc» (Tc : 2500 K ; IRC > 85) 28
Famille de sources / Lampes à induction Ce sont des sources à décharge mais l excitation est créée non plus par un arc électrique mais par un champ électromagnétique. Puissance : 55 et 85 W Efficacité lumineuse : 70 lm/w Tc : 3000 et 4000 K IRC : > 80 Durée de vie : 60000 h 29
Famille de sources / LED (lighting emitting diodes) On arrive aujourd hui à faire que ces sources éclairent au-delà d une fonction signalétique Efficacité lumineuse : 25 à 40 lm/w Tc: 2800 à 5500 K IRC : 70 à 90 Durée de vie : 100 000 h 30
Famille de sources /Tubes «néon» Il s agit de tubes à décharge hautes pression. La couleur obtenue est fonction du gaz employé (rouge pour le néon, bleu pour l argon). 31
Éclairage Urbain 1. Directions et modes d éclairage Principes Exemples architecturaux et urbains 2. Luminaires Fonctions non photométriques Fonctions photométriques : maîtriser le flux lumineux Luminaires d éclairage intérieur et extérieur Eirin Stoen, Oslo/N 32
Directions et modes d éclairage Les directions de lumière sont liées à la position des sources. Elles définissent les angles et les orientations sous lesquels une surface, un volume, un objet ou un personnage sont éclairés. Source: Valentin F., Lumière pour le spectacle, librairie théâtrale. 33
Directions et modes d éclairage Plongée / contre-plongée - éclairage en plongée : la source est placée au dessus du sujet (direction solaire) - éclairage en douche : la source est placée à l aplomb du sujet (zénith) - éclairage en contre-plongée : la source est placée en dessous du sujet (direction anti-solaire) Éclairage frontal / latéral / contre-jour - éclairage frontal : la source est placée face au sujet - éclairage latéral : la source est placée sur un des côtés du sujet - éclairage frontal : la source est placée sur le côté, dans un plan parallèle le plus proche du sujet - contre-jour : la source est placée à l arrière du sujet 34
Source : Valentin F., Lumière pour le théâtre. Plongée : exemples Les ombres portées sont plus ou moins prononcées L effet «douche» tend à créer un effet de surexposition 35
Effets anti-solaires église ST Eustache, Paris, éclair : L. CLAIR Place des Terreaux, Lyon, L. FACHARD éclair. Dans ces mises en lumière urbaines, les directions principales de lumière modifient la perception courante -diurne- du bâtiment. 36
Source : Valentin F., Lumière pour le théâtre. Éclairage face / latéral Estompage ou accentuation des ombres Eclairage neutralisant ou dramatisant 37
Source : Valentin F., Lumière pour le théâtre. Contre-jour Musée Guggenheim, New York Effet élémentaire Effet lié à la configuration de l espace et à la position de l observateur 38
Principes Les modes d éclairage décrivent la manière dont une lumière est émise. Éclairage direct / indirect éclairage direct : la lumière atteint directement le sujet à éclairer éclairage indirect : la lumière atteint le sujet à éclairer après réflexions (les sources ne sont pas directement visibles) Éclairage diffus / filtré éclairage diffus : la lumière est transmise à travers un matériau translucide éclairage filtré : une partie des rayons atteint le sujet directement 39
Éclairage direct / indirect Métro, Paris Gymnase Europole, Grenoble Candélabre à éclairage indirect, Berlin Multiplexe, Echirolles Gare Montparnasse, Paris 40
Luminaires Définitions Un luminaire est l appareil qui contient la source. Il comprend : - une partie électrique (alimentation et fonctionnement de la lampe - des composants mécaniques (qui doivent résister aux chocs, à la corrosion ) - une partie optique, qui sert à répartir le flux lumineux Un luminaire a ainsi plusieurs fonctions : - fonction photométrique (répartition du flux lumineux) - fonctions non photométriques (protections électrique, mécanique, thermique ) Chaque domaine d application demande des types de luminaires particuliers et plus ou moins élaborés. Définition AFE : «un luminaire est un appareil servant à répartir, filtrer ou transformer la lumière d une ou de plusieurs lampes et comprenant, à l exclusion des lampes elles-même, toutes les pièces nécessaires pour fixer et protéger les lampes et, éventuellement, les circuits auxiliaires ainsi que les dispositifs de connexion au circuit d alimentation.» 41
Luminaires - Fonctions non photométriques Protection électrique Il s agit de protéger les personnes contre les risques d électrocution. Trois classes de protection normalisées ont été définies, en fonction du degré d isolation. 42
Luminaires - Fonctions non photométriques Protection contre les influences extérieures Degré 1 er chiffre 2 ème chiffre introduction de corps solides introduction de corps liquides 0 1 plus de 50 mm eau verticale 2 plus de 12 mm verticale à 15 3 plus de 2,5 mm eau en pluie 4 plus de 1 mm projections 5 poussière jets d'eau 6 poussière sous pression paquets de mer 7 non protégé L indice de protection (IP) est suivi de 2 chiffres. Plus le chiffre est élevé, meilleure est la protection. Exemple : luminaires encastrés dans sol : IP67 immersion 43
Luminaires - Fonctions non photométriques Protection contre les chocs Cet indice désigne l énergie de choc (en joules) nécessaire pour briser le luminaire. La valeur la plus basse (0,225J) correspond à un luminaire qui se brise en tombant. La valeur courante la plus haute (20J) à un luminaire anti-vandalisme. Exemple : un luminaire IP20 Classe 1 850 2J - laisse pénétrer des solides de moins de 50 mm - n est pas protégé contre les liquides - est moyennement isolé électriquement - résiste au choc subi par la chute d un petit objet - 850 exprime son comportement au feu 44
Luminaires - Fonctions photométriques Modes d éclairage A P P E L L A T IO N C O U R A N T E D E S L U M IN A IR E S E N F O N C T IO N D E L A R É P A R T IT IO N D U F L U X IN F É R IE U R I n t e n s if E x t e n s if 100% 100% S e m i d ir e c t 90% > Fi > 60% M ix t e D iffu s 50% S e m i in d ir e c t 40% > Fi > 10% I n d ir e c t 0% La photométrie d un luminaire définit la manière dont le flux lumineux (de la source qu il contient) est émis dans les différentes directions de l espace. 45
Luminaires - Fonctions photométriques Géométrie des luminaires La conception des luminaires fait appel aux lois de l optique, utilisant principalement la réflexion et la réfraction. Ces lois se déclinent en fonction de la nature des matériaux utilisés et de leur géométrie. La parabole : tout rayon partant d un foyer et réfléchi par la courbure prend une direction parallèle à l axe de la parabole L ellipse : tout rayon partant d un foyer et réfléchi par la courbure passe par l autre foyer La parabole et l ellipse sont les deux figures de base de la géométrie des luminaires 46
Luminaires - Fonctions photométriques Courbes photométriques Exemples large ouverture faible ouverture ailes chauve souris lèche mur Certains luminaires sont décrits par deux courbes, une courbe pour chacun des plans de symétrie. Par convention : - la courbe en trait plein représente la répartition des intensités lumineuses dans le plan transversal (le plan qui coupe la source) - la courbe en trait pointillé celle des intensités dans le plan longitudinal (dans la longueur de la source) 47
Luminaires - Fonctions photométriques Courbes photométriques Attention, les valeurs sont souvent données pour 1000 lm. Si la source émet un flux réel de 4800 lm par exemple, il faut multiplier la valeur lue sur la courbe par le facteur de proportionnalité correspondant (soit ici x 4,8). Sur cet exemple, on lit qu'à l'aplomb du luminaire (incidence 0 ) l'intensité vaut pratiquement 200 cd. De même, à 30, on lit que I =180 cd pour le plan transversal et I =160 cd pour le plan longitudinal 48
Luminaires - Fonctions photométriques Limiter l éblouissement En intérieur comme en extérieur, il est nécessaire de masquer la vision directe de la source pour éviter l éblouissement. Ce schéma montre que les luminaires les plus éloignés sont ceux qui risquent le plus de gêner la vision de l usager. γ1 γ2 Plan de l'oeil 49
Luminaires - Fonctions photométriques Limiter l éblouissement Plusieurs solutions plus ou moins élaborées sont utilisées : - le défilement, qui crée une zone de protection Lampe compacte γd Luminaire ouvert γd Luminaire à paralume γ désigne l'angle de défilement γd - la transmission diffuse ou par réfraction - une géométrie adaptée des faces internes du luminaire 50
Rendement d un luminaire Le rendement d un luminaire (η) désigne le rapport du flux émis par le luminaire (Flu) au flux émis par la (ou les) lampe(s) qui l équipe(nt). η = Flu / Fla A noter que le rendement global d un luminaire dépasse rarement 70 %. En fermant le luminaire par une vasque (verre ou matériau plastique), on perd au moins 8% de flux lumineux. 51
Luminaires d éclairage extérieurs Principales dénominations Luminaires Projecteur : luminaire dans lequel la lumière est concentrée, dans un angle solide délimité, par un système optique mettant en œuvre les phénomènes de réflexion ou de réfraction afin d obtenir une intensité lumineuse élevée. Source : Thorn Europhane Luminaire d éclairage public : luminaire destiné à l éclairage au sol des voiries, le plus souvent installés sur mât, candélabre ou console. Luminaire d éclairage de voirie Luminaire encastré : luminaire conçu pour être entièrement ou partiellement encastré dans une surface d appui. Candélabre : support destiné à porter un ou plusieurs luminaires et constitué d une ou plusieurs parties : un fût et éventuellement une rehausse ou une crosse. Console : support du luminaire appliqué sur une paroi verticale. Borne basse : support de faible hauteur, pour éclairage piétonnier ou paysager. Bornes basses, candélabre et console à éclairage indirect Source : Thorn Europhane Supports ou mobilier lanterne de style sur candélabre 52
Luminaires d éclairage extérieurs Source : Thorn Europhane Une gamme de projecteurs extérieurs avec accessoires (exemple) 53
Luminaires d éclairage extérieurs Source : R. Narboni, la lumière et le paysage, le Moniteur Exemple d encastrés de sol 54
Luminaires d éclairage extérieurs Source : I Guzzini Source : I Guzzini Exemple d une gamme pour éclairage urbain Platea - I Guzzini 55
Luminaires d éclairage extérieurs Source : I Guzzini Exemple d une gamme pour éclairage urbain Platea - I Guzzini 56
Luminaires d éclairage extérieurs Source : I Guzzini E xemple d une g amme pour éclairag e urbain Platea - I Guzzini 57
Luminaires d éclairage extérieurs Source : I Guzzini E xemple d une g amme pour éclairag e urbain Platea - I Guzzini 58
Éléments bibliographiques et sources documentaires 59
Bibliographie ZWIMPFER M., couleur, optique et perception, Paris, Dessain et Tolra, 1992 (éd. originale 1985) ITTEN J., Art de la couleur (éd. abrégée), Paris, Dessain et Tolra, 2000. Plummer H, Masters of light, tome 1 : twentieth-century pionners, revue A+U hors série, nov. 2003. Association Française d Eclairage, Vocabulaire de l éclairage, Paris, Lux. Sites de fabricants accessibles via : www.lightingacademy.org www.feder-eclairage.fr (syndicat de l éclairage) Principaux fabricants de lampes : OSRAM : www.osram.fr PHILIPS-MAZDA : www.lighting.philips.com GE Lighting : http://www.gelighting.com/eufr/home/index.html 60
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http://www.ace-fr.org/ 63