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M1CV² 2007-2008 1Tureul, Espacgne

M1CV2 - Éclairage urbain Suzel Balez

Première partie :La lumièreLa vision Sources de lumière artificielle –généralitésFamilles de sources

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10-8 1010108106104102110-210-410-6

Longueurs d'onde électromagnétiques en μm (10-6 m)

Rayons gamma

Rayons cosmiques

Rayons X

U. V.

Infra rougeRadar, radio, TV

VISIBLE

La lumière – définitionL’œil n’est sensible qu’à une toute petite partie des radiations électromagnétiques Le visible (la lumière), c’est un spectre électromagnétique dont les longueurs d’ondes ont le pouvoir d’exciter les cellules visuelles de l’œil

λ=0,38 μm < Visible < λ=0,78 μm

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Composition de la lumière blanche

Sou

rce

: M. Z

wim

pfer

Sou

rce

: ww

w.T

horn

.fr

La lumière blanche – définition

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”

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- L’œil n’est pas sensible, dans le visible, de la même manière à toutes les longueurs d’ondes. En vision de jour, le maximum de sensibilité se situe à0,555μm (jaune-vert).

- En réalité, il existe deux courbes de réponse, l'une pour des éclairements forts (dite "photopique" et représentée ici), l'autre pour des éclairements faibles ("scotopique »).

La vision - principes de bases

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Rapport figure / fond ?

Les illustrations des diapositives suivantes sont issues de Jacques Ninio, La sciences de illusions

Aspects cognitifs (rappels)

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5

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Transmission-absorption-réflexion

Puissance incidente P

Valeur réfléchie R

Valeur transmise T

Valeur absorbée A

La conservation de l'énergie donne P = A + T + R soit en divisant par P 1 = A/P + T/P + R/P

On appelle α = A/P le coefficient d'absorption τ = T/P le coefficient de transmission ρ = R/P le coefficient de réflexion

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 àl’énergie incidente.

Transmission Transmission –– absorption absorption --rrééflexionflexion

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Couleur des objets

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.

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.

Couleur des objetsCouleur des objets

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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.

La vision des couleurs : Synthèse additive

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Dans le cas d’un mélange de matières colorées, on parle de synthèse soustractive. Les pigments absorbent une partie du rayonnement lumineux.

Mélanger deux pigments signifie faire absorber par l’un ce que l’autre renvoie.

Les couleurs primaires du peintre sont le rouge

(magenta), le bleu (cyan) et le jaune.

La vision des couleurs : Synthèse soustractive

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Variations de la lumière du soleil et constante perceptive

La loi de constante perceptivedésigne le fait que nous avons

tendance à percevoir un objet avec des qualités permanentes.

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.

Les contrastes

Les sources de lumière artificielle

(rappels)

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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 même aspect coloré que cette source.

La température de couleur d’une source lumineuse caractérise sa teinte.

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Température de couleur d’une source

Température de couleur d’une source

Température de couleur élevée (5 000 à 6 000 °K)

Température de couleur basse (2 700 à 3 500 °K)

Teinte froide (bleutée)

Teinte chaude (rougeâtre)

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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.

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.

Indice de rendu des couleurs dIndice de rendu des couleurs d’’une source (IRC) une source (IRC) ou ou Ra en anglaisRa en anglais

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Ici les fruits ont un aspect bleuté ; la source qui les éclaire ne restitue pas leur coloration naturelle.

Là l’IRC est meilleur.

Indice de rendu des couleurs dIndice de rendu des couleurs d’’une source (IRC)une source (IRC)

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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 η = 15 lm/Wlampe à incandescence à halogènes 100 W : 2500 lm η = 25 lm/Wtube fluorescent de 18 W (IRC = 85) : 1500 lm η = 85 lm/Wlampe à iodures métalliques de 150 W : 11 200 lm η = 75 lm/W

Autres critAutres critèères de choix :res de choix :Flux et efficacitFlux et efficacitéé lumineuselumineuse dd’’une sourceune source

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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 WEfficacité lumineuse : 8 à 18 lm/WTc : 2600 à 2900 KIRC : 100Durée de vie : 1000 h (normalisée)

Les sources àincandescence ont un spectre continu

Famille de sourcesFamille de sources Incandescence classiqueIncandescence classique

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Principe : idem que l’incandescence classique mais l’introduction de composés halogénés permet la régénération du filamentLes sources halogènes noircissent moins et ont une durée de vie plus longues que les incandescences classiques/

Puissance : 50 à 2000 WEfficacité lumineuse : 13 à 20 lm/WTc : 2800 à 3000 KIRC : 100Durée de vie : 2000 à 4000 h

Famille de sourcesFamille de sources Incandescence halogIncandescence halogèènene

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Les lampes PAR sont en verre pressépour mieux résister aux chocs et être utilisées en extérieur. Le réflecteur interne permet de faire varier la forme du faisceau.

DichroïquesPuissance : 15 à 150 WEfficacité lumineuse : 16 à 22 lm/WTc : 3000 KIRC : 100Durée de vie : 2000 à 4000 h

Famille de sourcesFamille de sources SourcesSources àà incandescence incandescence ààrrééflecteur interneflecteur interne

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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.

Famille de sourcesFamille de sources Les lampes Les lampes àà ddééchargecharge

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Tube dont seulement une partie est recouverte de poudre fluorescente

Les sources fluorescentes couvrent une large gamme de qualités de lumière et de formes.

Famille de sourcesFamille de sources / / àà vapeur de mercurevapeur de mercure lampes fluorescentes lampes fluorescentes ((vapeur de mercure basse pression)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).

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Catalogue OSRAM : « lumière du jour » : Tc > 5000 K« blanc neutre » : Tc = 4000 K« blanc chaud » : Tc < 3300 K« blanc doré » : TC = 2700 K

Puissance : 18, 36, 58 WEfficacité lumineuse : > 60 lm/WTc : 2700 - 7000 KIRC : 40 - 98Durée de vie : 6000 à 12000 h

Exemple de spectre d’un tube fluorescent

Famille de sourcesFamille de sources / / àà vapeur de mercure :vapeur de mercure :tubes fluorescentstubes fluorescents

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Ces lampes ont un fonctionnement identique à celui des tubes mais leur appareillage incorporé permet de les substituer aux sources àincandescence

Puissance : 5 à 23 WEfficacité lumineuse : 40 à 60 lm/WTc : 2700 - 3000 KIRC : 85Durée de vie : 8000 à 10000 h

Exemple de spectre d’une fluocompacte

Famille de sourcesFamille de sources / / àà vapeur de mercure :vapeur de mercure : lampes lampes fluocompactesfluocompactes

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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 àquartz.

Brûleurs quartzPuissance : 50 à 2000 WEfficacité lumineuse : 70 à 90 lm/WTc : 3000 à 6000 KIRC : 65-85Durée de vie : 6000 à 8000 h

Brûleurs céramiquePuissance : 20 à 400 WEfficacité lumineuse : 70 à 90 lm/WTc : 3000 à 4200 KIRC : 65-95Durée de vie : jusqu’à 15000 h

Famille de sourcesFamille de sources / / àà vapeur de mercurevapeur de mercureaux iodures maux iodures méétalliques (vapeur de mercure haute pression)talliques (vapeur de mercure haute pression)

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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.

Famille de sourcesFamille de sources //LumiLumièère noirere noire

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Ces sources ont un spectre d’émission monochromatique

Exemple de spectre

Famille de sourcesFamille de sources / / àà vapeur de sodiumvapeur de sodiumàà vapeur de sodium basse pressionvapeur de sodium basse pression

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Exemple de spectre

Sodium haute pression classiqueEfficacité lumineuse : 50 à 150 lm/WTc : 2000 à 2500 KIRC : 65-85Durée de vie : 8000 à 24000 h

Il existe des sources dites « sodium blanc » (Tc : 2500 K ; IRC > 85)

Famille de sourcesFamille de sources / / àà vapeur de sodiumvapeur de sodiumàà vapeur de sodium haute pressionvapeur de sodium haute pression

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Puissance : 55 et 85 WEfficacité lumineuse : 70 lm/WTc : 3000 et 4000 KIRC : > 80Durée de vie : 60000 h

Ce sont des sources à décharge mais l’excitation est créée non plus par un arc électrique mais par un champ électromagnétique.

Famille de sourcesFamille de sources //Lampes Lampes àà inductioninduction

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Efficacité lumineuse : 25 à 40 lm/WTc: 2800 à 5500 KIRC : 70 à 90Durée de vie : 100 000 h

On arrive aujourd’hui à faire que ces sources éclairent au-delà d’unefonction signalétique

Famille de sourcesFamille de sources //LED LED ((lightinglighting emittingemitting diodes)diodes)

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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).

Famille de sourcesFamille de sources //Tubes Tubes «« nnééonon »»

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Eirin Stoen, Oslo/N

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

Eclairage Urbain : deuxième partie :

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Source: Valentin F., Lumière pour le spectacle, librairie théâtrale.

Directions et modes dDirections et modes d’é’éclairageclairage

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.

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Directions et modes dDirections et modes d’é’éclairageclairage

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

19

Sourc

e :

Val

entin F

., L

um

ière

pour

le t

héâ

tre.

PlongPlongéée : exemplese : exemples

Les ombres portées sont plus ou moins prononcéesL’effet « douche » tend à créer un effet de surexposition

Place des Terreaux, Lyon, L. FACHARD éclair.église ST Eustache, Paris, éclair : L. CLAIR

Dans ces mises en lumière urbaines, les directions principales de lumière modifient la perception courante -diurne- du bâtiment.

Effets antiEffets anti--solairessolaires

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Estompage ou accentuation des ombresEclairage neutralisant ou dramatisant

Sourc

e :

Val

entin F

., L

um

ière

pour

le t

héâ

tre.

ÉÉclairage face / latclairage face / latééralral

Sourc

e :

Val

entin F

., L

um

ière

pour

le t

héâ

tre.

Musée Guggenheim, New York

Effet élémentaire Effet lié à la configuration de l’espace et à la position de l’observateur

ContreContre--jourjour

21

PrincipesPrincipes

Les modes d’éclairage décrivent la manière dont une lumière est émise.

Éclairage direct / indirectéclairage direct : la lumière atteint directement le sujet à éclaireréclairage indirect : la lumière atteint le sujet à éclairer après réflexions (les sources ne sont pas directement visibles)

Éclairage diffus / filtrééclairage diffus : la lumière est transmise à travers un matériau translucideéclairage filtré : une partie des rayons atteint le sujet directement

Multiplexe, Echirolles

Métro, Paris

Gare Montparnasse, Paris

Gymnase Europole, GrenobleCandélabre à éclairage indirect, Berlin

ÉÉclairage direct / indirectclairage direct / indirect

22

Luminaires Luminaires –– DDééfinitionsfinitions

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. »

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.

Luminaires Luminaires -- Fonctions non photomFonctions non photoméétriquestriques

Protection électrique

23

Degré 1 er chiffre 2 ème chiffre

introduction de corps solides

introduction de corps liquides

0 non protégé

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 immersion

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

Luminaires Luminaires -- Fonctions non photomFonctions non photoméétriquestriques

Protection contre les influences extérieures

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

Luminaires Luminaires -- Fonctions non photomFonctions non photoméétriquestriques

Protection contre les chocs

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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.

Intensif Extensif Semi direct Mixte Diffus Semi indirect Indirect

100% 100% 90%> Fi > 60% 50% 40%> Fi > 10% 0%

APPELLATION COURANTE DES LUMINAIRES EN FONCTION DE LA RÉPARTITION DU FLUX INFÉRIEUR

Luminaires Luminaires -- Fonctions photomFonctions photoméétriquestriques

Modes d’éclairage

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

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.

Luminaires Luminaires -- Fonctions photomFonctions photoméétriquestriques

Géométrie des luminaires

25

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)

large ouverture faible ouverture ailes chauve souris lèche mur

Exemples

Luminaires Luminaires -- Fonctions photomFonctions photoméétriquestriques

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

Luminaires Luminaires -- Fonctions photomFonctions photoméétriquestriques

Courbes photométriques

26

Luminaires Luminaires -- Fonctions photomFonctions photoméétriquestriques

En intérieur comme en extérieur, il est nécessaire de masquer la vision directe de la source pour éviter l’éblouissement.

γ1γ2

Plan de l'oeil

Ce schéma montre que les luminaires les plus éloignés

sont ceux qui risquent le plus de gêner la vision de l’usager.

Limiter l’éblouissement

Plusieurs solutions plus ou moins élaborées sont utilisées :- le défilement, qui crée une zone de protection

γ désigne l'angle de défilement

γdγd

γd

Lampe compacte Luminaire à paralumeLuminaire ouvert

- la transmission diffuse ou par réfraction

- une géométrie adaptée des faces internes du luminaire

Luminaires Luminaires -- Fonctions photomFonctions photoméétriquestriques

Limiter l’éblouissement

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Rendement dRendement d’’un luminaireun 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.

Luminaire d’éclairage de voirie

“lanterne de style” sur candélabre

Bornes basses, candélabre et console à éclairage indirect

Sourc

e :

Thorn

Euro

phane

Sourc

e :

Thorn

Euro

phane

Luminaires dLuminaires d’é’éclairage extclairage extéérieursrieurs

Principales dénominationsLuminaires

Luminaire d’éclairage public : luminaire destiné àl’éclairage au sol des voiries, le plus souvent installés sur mât, candélabre ou console.

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 intensitélumineuse élevée.

Luminaire encastré : luminaire conçu pour être entièrement ou partiellement encastré dans une surface d’appui.

Supports ou mobilier

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.

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Sourc

e :

Thor

nEuro

phan

e

Luminaires dLuminaires d’é’éclairage extclairage extéérieursrieurs

Une gamme de projecteurs extérieurs avec accessoires (exemple)

Luminaires dLuminaires d’é’éclairage extclairage extéérieursrieurs

Sourc

e :

R.

Nar

boni, la

lum

ière

et

le p

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Moniteu

r

Exemple d’encastrés de sol

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Sourc

e :

I G

uzz

ini

Sourc

e :

I G

uzz

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Luminaires dLuminaires d’é’éclairage extclairage extéérieursrieurs

Exemple d’une gamme pour éclairage urbainPlatea - I Guzzini

Luminaires dLuminaires d’é’éclairage extclairage extéérieursrieurs

Sourc

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I G

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Exemple d’une gamme pour éclairage urbainPlatea - I Guzzini

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Exemple d’une gamme pour éclairage urbainPlatea - I Guzzini

Sourc

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ini

Luminaires dLuminaires d’é’éclairage extclairage extéérieursrieurs

Exemple d’une gamme pour éclairage urbainPlatea - I Guzzini

Sourc

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Luminaires dLuminaires d’é’éclairage extclairage extéérieursrieurs

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ÉÉllééments bibliographiques et sources ments bibliographiques et sources documentairesdocumentaires

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.orgwww.feder-eclairage.fr (syndicat de l’éclairage)

Merci à Sandra Fiori (ENSA Montpellier) pour ses supports de cours

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ZWIMPFER M., couleur, optique et perception, Paris, Dessain et Tolra, 1992 (éd. originale 1985)

ITTEN J., Art de la couleur (éd. abrégée), Paris, Dessainet Tolra, 2000.

Principaux fabricants de lampes : OSRAM : www.osram.fr

PHILIPS-MAZDA : www.lighting.philips.com

GE Lighting : http://www.gelighting.com/eufr/home/index.html

ÉÉllééments bibliographiques et sources ments bibliographiques et sources documentairesdocumentaires

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M1CV² 2007-2008 64

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M1CV² 2007-2008 65http://www.ace-fr.org/