A. Notions physiques

a) Phénomène vibratoire

Analogie avec la transmission de l’onde sur la surface de l’eau. Onde tridimensionnelle. Plan d’onde. Vitesse de la lumière. Longueur d’onde électromagnétique La lumière est définie par : son amplitude, sa longueur d’onde, sa polarité et sa direction.

b) Phénomène corpusculaire

La lumière est à la fois énergie et matière, onde et particule. Pour ce qui nous concerne, le caractère ondulatoire est prédominant.

B. L’amplitude

a) L’intensité (candela)

Le Candela est l’unité de mesure d’intensité lumineuse. A l’origine, le candela correspondait à l’intensité d’une bougie.

b) Le flux (lumen)

Le lumen est l’unité de flux lumineux équivalant au flux lumineux émis dans 1 stéradian par une source ponctuelle uniforme placée au sommet de l’angle solide et ayant une intensité de 1 candela.

c) L’éclairement (lux)

Unité d’éclairement équivalant à l’éclairement d’une surface qui reçoit normalement, d’une manière uniformément répartie, un flux de 1 lumen par mètre carré. L’éclairement est donc promotionnel à l’intensité de la source lumineuse ponctuelle et inversement proportionnel au carré de la distance qui sépare la source du point de mesure.

La mesure de l’éclairement est la plus utile lorsqu’il s’agit de définir une source lumineuse. Lorsque la source lumineuse peut être considérée comme ponctuelle, l’éclairement est proportionnel au carré de la distance qui sépare la source lumineuse du point de mesure. Ainsi, un point situé à une dis¬tance d d’une source lumineuse considérée comme ponctuelle recevra un éclairement 4 fois plus important qu’un autre point situé à une dis¬tance de 2d. Analogie avec les phénomènes acoustiques.

Variation de l’éclairement en fonction de l’éloignement de la source

d) La réflectance

La réflectance (ou Albédo) est la fraction de l’énergie de rayonnement incidente réfléchie par un corps. Corps noir : albédo de 0. Neige : albédo de 0.9. Papier blanc : albédo de 0.6. Noir de fumée : albédo de 0.03. Rapport de la lumière incidente et de la lumière réfléchie. Contraste propre / Contraste induit. Notion d’effet de réciprocité : chaque objet éclairé devient à son tour objet éclairant.

e) La luminance (candela / mètre carré)

Unité de luminance lumineuse équivalant à la luminance d’une source de 1 mètre carré de surface émissive dont l’intensité lumineuse est de 1 candela. Pour un objet éclairé, elle dépend de l’éclairement et de la réflectance.

Relation entre les différentes unités

f) La transparence, l’opacité et la densité

Le rapport flux de sortie / flux d’entrée définit la transparence, et peut varier entre les valeurs 0 et 1. Le rapport flux de d’entrée / flux sortie dé¬finit l’opacité et peut varier entre les valeurs ∞ et 1. Ces rapports sont les mêmes quelles que soient les intensités de la lumière reçue. D’une manière générale, on préférera parler de transmissibilité et de densité. La transmissibilité est la transparence exprimée en %, la densité correspond au logarithme de l’opacité.

g) Loi de Fechner pour la vision

La loi de Fechner appliquée aux sensations sonores s’applique égale¬ment aux sensations visuelles. Selon cette loi, les sensations reçues par l’œil sont proportionnelles aux logarithmes des excitants qui ont provoqué ces sensations. Définition du gris neutre à 18% (albédo de 0.18).

h) Les appareils de mesure

La cellule photoélectrique (pour lumière incidente ou réfléchie).

C. La longueur d’onde

a) Le spectre électromagnétique

Lié à la longueur d’onde. Les ondes électromagnétiques : de 10-9 m à 10+7 m : rayons Gamma, Rayons X, Ultraviolets, Spectre visible, Infrarouge, Ondes radioélectriques. Partie visible : de 0.0004 m (400 nanomètres) à 0.0008 m (800 nanomètres. La longueur d’onde définit la couleur de la lumière. Le prisme. Notion de lumière monochromatique. La pureté d’une lumière (saturation). La lumière blanche. Lumière impure car composée de l’ensemble des lumières du spectre.

b) Le corps noir

Analogie avec le fer que l’on chauffe. Sphère métallique de 0.80 m de diamètre noircie à l’intérieur avec du noir mat non réfléchissant et comportant une toute petite ouverture en haut. Cette sphère trempée dans du platine en fusion émet par la petite ouverture une lumière blanche qui varie, selon la température, du "blanc-rouge" au "blanc-bleuté".

c) La température de couleur

On donne comme définition à ces "spectres colorés" la température du platine en fusion.

d) Les unités de mesure : les degrés Kelvin et les Mired

Échelle absolue des températures. Le degré Kelvin (0°K=-273°C). Bougie : 1900°K. Éclairage domestique : 2800°K. Soleil (ciel dégagé : 5500°K. Ciel couvert : 10000°K.

Courbes de longueur comparées : lumière du jour et artificielle

Mais cette échelle des température de couleurs n’est pas régulièrement proportionnelle : à une variation égale de température pour deux lu¬mières données ne correspondent pas une impression de changement de couleur égal. On a alors recours à la mesure en Mired qui permet de résoudre ce défaut. Le Mired : inverse du millionième de degré Kelvin.

Températures de couleur courantes

e) Les déviances colorimétriques : les CC

Lorsqu’il s’agit de la lumière solaire ou de la lumière provenant d’un éclairage de type incandescent, on peut considérer que la courbe de température de couleur est uniforme et continue. Pour certains types d’éclairages (les lampes fluorescentes ou différents types de lampes à décharge) cette répartition est beaucoup plus chaotique et comporte même quelques "trous".

Courbes atypiques

Les triangles chromatiques : "Vert / Rouge / Bleu" et "Cyan / Magenta / Jaune". Le tracé de la lumière "blanche" à travers ces triangles. Les aberrations possibles "Vert" ou "Magenta". La mesure de ces aberrations en CC (Correction de Couleur) Bleu, Cyan, Vert, Jaune, Rouge ou Magenta.

Triangles chromatiques

f) Les appareils de mesure

Présentation du thermocolorimètre.

D. La polarité

La lumière que nous envoie le soleil n’est pas polarisée, c’est à dire que l’ondulation de la vibration se situe dans tous les axes perpendiculaires à sa direction. Certains matériaux ont la propriété de polariser la lumière en la réfléchissant : l’eau, le verre.

Polarisation de la lumière

La lumière réfléchie par ces matériaux n’a alors qu’une ondulation selon un seul axe perpendiculaire à la direction du flux lumineux : elle est polarisée. Présentation du filtre polarisant.

E. Direction

a) La direction de la lumière

Pour la lumière solaire, bien que la source lumineuse soit unique, on ne peut l’analyser en l’isolant du contexte car le rôle diffuseur de l’atmosphère et le rôle réfléchissant des éléments terrestres est primordial. Les photographies prises sur la lune le montre : sans atmosphère, les ombres sont plus sombres et l’aspect visuel en devient plus contrasté. En intérieur, c’est la même chose : les sources artificielles ne peuvent être analysées isolément. La couleur et la densité du décor sont prépondérantes. La direction de la lumière, si elle est essentielle à l’analyse d’un éclai¬rage, ne représente qu’une partie de l’éclairage résultant induit par l’environnement.

b) La lumière réfléchie

Tout corps éclairé devient corps éclairant. Cette luminance (exprimée en candela par mètre carré) dépend de manière constante de l’albédo (qui peut varier de 0 à 1) de l’objet considéré et varie selon l’éclairement (en lux) de l’objet.

c) La lumière diffuse

De manière théorique on décrit les sources lumineuses comme étant réduites à un point, dans la pratique il en est autrement. La lumière solaire, les ampoules domestiques ont en réalité une surface éclairante. Certains types d’éclairage comme les tubes fluorescents ou autres systèmes diffusés par une surface opaline présentent aussi une importante surface éclairante. Or, dans le cas où l’intensité n’est plus émise par un point, la relation : Éclairement = Intensité / Distance2 n’est plus valable.
On considère une sphère de rayon R :

Eclairement d’un point par une surface lumineuse

L’éclairement du point P dans une direction donnée sera proportionnel au carré de l’angle solide de la lumière reçue. Soit :

• E : Éclairement au point P
• c : Constante
• A : Aire de la demi-sphère de rayon R
• a : Aire de la portion de sphère a
• i : Luminance de la portion de sphère a

Nous savons que :

donc :

On sait que :

On remplace donc R :

On peut déduire de cette équation que :

On voit ainsi que plus la surface de luminance est grande moins l’éclairement diminue rapidement avec l’éloignement.

Variation de l’éclairement pour des sources ponctuelles ou diffuses en fonction de la surface de la source

F. Les ambiances lumineuses

a) Généralités

On parlera d’une ambiance lumineuse en la définissant par les sources qui la compose, le contraste d’intensité entre ces sources, le contraste de couleur et par les qualité de lumière (ponctuelles, diffuses).

b) Le contraste

Le contraste d’un éclairage sera le rapport entre les divers éclairements

c) Combinaison Caractéristiques / Quantité / Qualité