Agr

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Agrégation de Génie Civil
Eclairage - Photométrie Colorimétrie
Georges Zissis CPAT - U. Toulouse III
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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 Ja
une Orange Rouge
Limites (nm) 380 - 420 420 - 440 440 - 460 460 -
510 510 - 560 560 - 610 610 - 660 760 - 760
380 nm
760 nm
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Que signifie "Voir" ?
Voir Utiliser un photorécepteur afin de
détecter, localiser et identifier un
objet éclairé par une source de lumière
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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
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La réponse du photorécepteur1. 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 sannule vers 380nm et 760nm.

Les bâtonnets

• Très nombreux (125 millions)
• Très sensibles (1 bâtonnet
• peut réagir à 1 seul photon,
• mais le h quantique nest que
• de 50)
• Insensibles à la couleur
• Lents 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
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La réponse du photorécepteur2. Couleur

• Le seuil de sensibilité dun bâtonnet est environ
  100 fois plus bas
• que celui dun 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 dété
  à midi.

Cônes

• En petit nombre ( 5 millions/œil)
• Sensibilité moyenne
• Grande vitesse de réponse
• Sensibles à la couleur

Un objet semble être coloré car il absorbe
sélectivement certaines longueurs d'onde de la
lumière incidente
L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau
"voit" des couleurs
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Les grandeurs et les unités1. Le flux
Equivalent
Energie émise (W)
Flux lumineux (lm)
Filtre V(l)
Flux Débit
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Les grandeurs et les unités2. 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
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Les grandeurs et les unités3. L'éclairement
Source lumineuse
L'angle solide (sr)
O
Objet
X
E ?Fabs/?S Unité lx ou lm/m2
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Les grandeurs et les unités4. L'excitance
F sur 2p sr
Source lumineuse non-ponctuelle
M ?Femis/?Ssource Unité lm/m2
S source
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Les grandeurs et les unités5. La luminance
Illustration
I
q
Surface apparente A
q
I
q
Lq Iq/Sapp Unité cd/m2 ou lm/sr.m2
Surface apparente a
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Les grandeurs et les unités6. Synthèse
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Lois de base1. 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
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Lois de base2. Loi du cosinus
Généralisation
Pour une source uniforme et non-ponctuelle
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Lois de base3. Loi de Lambert
Pour une surface parfaitement diffusante L(q)
constante Iq I0 cosq
Loi de Lambert
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Réflexion - Transmission
Cas idéal
Cas réel
Pin
Pr
Pin
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
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Réflexion SpéculaireLoi 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' a b (angle de départ
angle d'arrivée) Les points POO' définissent
un plan perpendiculaire à la surface de réflexion
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Réflexion Diffuse
Pas de direction ni plan privilégiés
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Coefficients de réflexionr
Dans tous les cas rtot 1 et rtot t a 1
Réflexion diffuse rd Réflexion spéculaire
rs Réflexion totale rtot rs rd
Relations
Surface parfaitement diffusante
Surface parfaitement réfléchissante
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La couleur1. Le rôle de cônes
Il existe 3 types de cônes
Bâtonnets
Trois "couleurs" principales Rouge, Vert, Bleu
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La couleur2. 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
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La couleur3. 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
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La couleur4. Le triangle de couleurs
Cette représentation n'est valable que pour la
lumière émise par un source ("lumières d'orifice")
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La couleur5. Approche visuelle
L'espace de Munsell et sa représentation
simplifiée
T teinte S saturation L luminosité
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La couleur des objets
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Sources de lumièreQuelques 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
2,5 - 3 x103 100 50 5
Lune Papier banc (r0,8) Papier gris
(r0,4) Papier noir (r0,04)
Eclairées avec une lampe de 100 W équipé d'un
diffuseur en verre opalin (Ø38) Eclairement 400 lx
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Comment produire de la lumièresans électricité
Je dois trouver beaucoup de lucioles

• Bio-luminescence
• Phosphorescence
• Tribo-luminescence
• Thermo-luminescence
• Foudre

• Feu
• Torches
• Chandelles
• Lampes à huile

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Comment produire de la lumièreavec électricité
29
La famille des lampesélectriques
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Production de la lumière
Interactions Fortes
Interactions Faibles
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(No Transcript)
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Les lampes sont partout !
Eclairage des Monuments
Panneaux d'affichage
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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

• 10 de la production mondiale de l'électricité

• 11,5 pour la France
• 21 pour les USA
• 34 pour la Tunisie

• 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

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La question
Qu'est-ce la lampe idéale ? ?
La réponse est plutôt complexe !
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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
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Un exemple de "Couleur"
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Quelques définitions(la source de lumière)
Continu Raies (ou bandes) Mixte
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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
Éclairage routier
Éclairage intérieur
200 lm/W IRC0
12 lm/W IRC100
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Bien ! Quels sont les objectifs futurs ? ?
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Histoire du développement des lampes(1e Période)
(J. Waymouth, LS5, 1989)
41
Histoire du développement des lampes(2e Période)
Gouttes de Progrès
(J. Waymouth, LS5, 1989)
42
Évolution de l'efficacité lumineusedes sources
(J. Waymouth, ALITE-95)
43
La limite théorique pourla lumière blanche
(J. Waymouth, ALITE-95)
44
Histoire du développement des lampes(3e Période)
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La lampe n'est qu'un élémentd'un système complexe
Energétique Architecture...
Complexité Pluridiciplinarité
Physiologie Ergonomie Psychologie...
Phys. plasmas Chimie Matériaux...
Génie électrique Electronique...
46
Les "10 commandements"d'une bonne lampe
47
Dans un monde sans lampes...