A. Introduction

Le terme générique de lumière artificielle regroupe en fait une énorme diversité de systèmes d’éclairage. Il n’est pas possible de dire que tel ou tel système est meilleur qu’un autre. Chaque système a ses qualités et ses usages propres. On distinguera l’analyse des systèmes lumineux et des systèmes op¬tiques, chacun des uns pouvant être indifféremment associé des autres.

B. Les systèmes lumineux

a) Généralités

Chaque type de système lumineux possède ses qualités propres. Le choix de tel ou tel type de système dépend de trois critères principaux :

1. L’intensité
   Ce choix dépend de l’intensité lumineuse recherché, sachant que cer¬tains systèmes ont un rendement meilleur.
2. La température de couleur
   Le choix du système lumineux se fera en fonction de La température de couleur recherchée. On parlera de "lumière du jour", de "lumière artificielle" etc.
3. L’économie
   L’aspect économique est un critère qui est souvent primordial. Certains types de systèmes lumineux présentent un intérêt économique à l’achat, c’est le cas de l’ampoule incandescente de type domestique. D’autres systèmes lumineux présentent un intérêt économique à la consommation, c’est le cas des lampes à vapeur de mercure ou de sodium qui sont utilisées en éclairage urbain.

Efficacité lumineuse des diiférents types d’éclairage

b) Les lampes à incandescence

La lumière produite par ce type de lampe est due à l’incandescence d’un filament de tungstène sous l’effet d’un courant électrique. Le spectre colorimétrique est régulier : il n’y a donc pas d’aberration chromatiques dues à des "trous" dans le spectre.
La température de couleur de ce type de lampe culmine généralement aux alentours de 3200°K et une lampe domestique standard aux alentours de 2800°K. Il est possible de modifier la température de couleur de ce type de lampe en les survoltant ou en les sous-voltant. Leur durée de vie est cependant plus courte lorsque le courant qui les alimente est supérieur à celui pour lequel elles sont conçues. Ce type de lampe présente aussi l’inconvénient de dégager une importante quantité de chaleur (d’où leur forte consommation électrique). Elles sont économiques à l’achat mais sont d’une médiocre efficacité lumineuse et ont une durée de vie limitée. Les lampes dites "halogène" sont des lampes à incandescence. Le gaz halogène dont le bulbe est rempli permet que le tungstène du filament, en vieillissant, ne se dépose pas sur les parois de la lampe et ne viennent pas ainsi l’obscurcir. Les avantages de ce type de lampe à incandescence sont donc : une meilleure constance de l’éclairement pendant toute la durée de la lampe, une durée de vie plus longue et, un plus faible encombrement du bulbe constitué de quartz haute température.

c) les lampes à décharges

Ce sont des lampes dans lesquelles la lumière est produite par décharge électrique dans un gaz, une vapeur métallique ou un mélange de plu¬sieurs gaz et vapeurs. Température de couleur de ce type de lampes. Aberrations chromatiques liées à ce type de système. Aspect économique : haute efficacité lumineuse. Phénomène de battement : le "flicker".

1. Les lampes fluorescentes
   Improprement appelées "néons", les lampes fluorescentes sont des lampes à décharge dans lesquelles la lumière est émise par une couche de substance fluorescente excitée par le rayonnement ultraviolet de la décharge. Leur température de couleur est variable suivant les modèles et l’usure de la lampe. Aberrations chromatiques liées à ce type de sys¬tème : coloration verte. Importance des courbes de spectre. Aspect éco¬nomique : haute efficacité lumineuse. Avantages. Limites.
2. Les lampes à vapeur de sodium
   Lampes à décharge dans des vapeurs de sodium à haute pression. Température de couleur : 3200°K. Aberrations chromatiques liées à ce type de lampes : coloration orangée. Aspect économique : haute effica¬cité lumineuse. Emploi courant dans l’éclairage des voies publiques.
3. Les lampes à vapeur de mercure
   Lampes à décharge dans des vapeurs de mercure à haute pression. Température de couleur : 5500°K. Aberrations chromatiques liées à ce type de lampes : coloration verte. Aspect économique : haute efficacité lumineuse. Emploi courant dans l’éclairage des autoroutes.
4. Les lampes HMI
   (H : Hydrargyre, M : Médium pour l’arc moyen qui brûle dans l’ampoule, I : Iodure) Lampes à décharge dans des vapeurs de mercure combinées à d’autres vapeurs à haute pression. Température de couleur : 5500°K. Pas d’aberrations chromatiques notables. Haute efficacité lumineuse.

C. Les systèmes optiques

a) Généralités

On peut diviser en trois groupes principaux les systèmes optiques qui permettent de produire de la lumière. Ces trois groupes peuvent être rapprochés de trois sources de base que sont la bougie, le soleil et la lumière du ciel. On parlera de systèmes simples, de systèmes direction¬nels et de systèmes de diffusion.

b) Systèmes simples

C’est le type même de l’éclairage domestique traditionnel calqué sur la bougie. L’ampoule électrique simple a un flux rayonnant à partir du fi¬lament. L’éclairement est uniformément réparti pour une distance don¬née. Le fait que l’ampoule soit transparente ou opaline influera sur la netteté des ombres et sur l’éblouissement que qu’elle pourrait provoquer.

c) Systèmes directionnels

Les systèmes directionnels permettent à partir d’une source simple de diriger le faisceau dans une direction donnée. Cette modification du faisceau se fait soit par réflexion soit par concentration soit par combinaison des deux.

1. La réflexion
La réflexion permet, en disposant une surface réfléchissante à proximité de la source lumineuse, de dévier une partie de la lumière pour la ren¬voyer dans une direction précise.

Focalisation d’un projecteur sans lentille

Le déplacement de la source lumineuse par rapport au système de réflexion permet de faire varier la focalisation du flux lumineux. Les lampes dites "pars" ont leur propre système de réflexion intégré et monobloc : leur focalisation est donc prédéfinie.

2. La concentration
La concentration permet, en disposant une lentille convexe à proximité de la source lumineuse, de concentrer une partie de la lumière pour la focaliser dans une direction précise.

Focalisation d’un projecteur à lentille

Le déplacement de la source lumineuse par rapport à la lentille permet de faire varier la focalisation du flux lumineux. Les systèmes à lentille de Fresnel permettent d’éviter l’emploi d’une lentille de masse trop importante et de "casser" la dureté provoquée par une lentille sphérique traditionnelle. Le plus souvent les systèmes à lentilles sont associés à un système de réflexion dont le rôle est de renvoyer les rayons vers la lentille. Pour caractériser le faisceau émis par les systèmes à réflexion ou à concentration, on a recours à des schémas rectangulaires ou polaires de répartition de l’intensité.

Schéma rectangulaire de répartition de la lumière

Schéma polaire de répartition de la lumière

Les schémas de répartition polaire de l’intensité permettent de choisir le meilleur système en fonction de la plage d’éclairement souhaitée.

d) Systèmes de diffusion

De la même manière qu’il est possible de concentrer le faisceau, il est aussi possible de le diffuser. Pour cela, on a recours soit à la réflexion soit au filtrage.

1) La diffusion par réflexion
La diffusion par réflexion consiste à diriger le flux de la source lumineuse vers une surface qui aura pour fonction de diffuser la lumière en la ré¬fléchissant. Cette surface peut être constituée d’un revêtement blanc ou d’un revêtement réfléchissant dont le profil "cassera" le flux lumineux.

2) La diffusion par filtrage
La diffusion par filtrage consiste à diriger le flux de la source lumineuse dans la direction que l’on désire éclairer en plaçant sur le trajet du flux un écran translucide.

D. Le contrôle de la lumière

On appellera contrôle de lumière les accessoires indépendants des systèmes d’éclairage et qui permettront de modifier la qualité de la lumière. La concentration de la lumière peut être obtenue en dehors du système optique même : le nid d’abeille, le store à lamelle etc. La diffusion peut elle aussi être obtenue en dehors du système optique même : les écrans diffusants. La température de couleur, les aberrations chromatiques ou l’intensité peuvent être modifiées à l’aide de filtres. Pour cela, on mesurera l’écart constaté entre les caractéristiques du système éclairant observé et le résultat souhaité à l’aide du thermocolorimètre ou de la cellule photoélectrique. On choisira le type de filtrage en conséquence. Il est à noter que tout filtrage entraînera une diminution de l’intensité résultante. Les variateurs permettent de modifier l’intensité lumineuse de certaines sources (lampes à incandescence principalement) mais en entraînant aussi une variation de la température de couleur.

Courbe d’évolution de la température de couleur en fonction du voltage

Des systèmes mécaniques composés de lamelles orientables permettent de faire varier l’intensité sans modifier les caractéristiques colorimé¬triques de la lumière : le "shutter".
Des "jeux d’orgue" peuvent permettre de télécommander aussi bien les variateurs que les "shutters" ou d’autres accessoires.