P le coefficient de réflexion α + τ + ρ = 1 ... compte le

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Éclairage artificielSuzel Balez

La lumière blanches - définitionsvision des couleurs

Sources de lumière artificielle(Photométrie et critères de choix)

Température de couleur

IRC

Flux lumineux

Familles de sources

Luminaires

Ouzo bar en Grèce

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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 – définition

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

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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 – définitionLa lumière du soleil est

une lumière blanchecomposée 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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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 à l’énergie incidente.

La vision des couleurs

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Couleur des objetsLa vision des couleurs

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.

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La vision des couleursSynthèse 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.

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Les couleurs primaires du peintre sont le rouge (magenta), le bleu (cyan) et le jaune.

La vision des couleursSynthèse 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 pigments absorbent une partie du rayonnement lumineux.

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

renvoie.

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.Le vert central paraît plus vif à

gauche qu’à droite

Le gris paraît plus foncé à droite qu’à gauche

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 àêtre perçues

différemment que si elles étaient vues

séparément

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La vision - les contrastesVariations 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 perceptivedésigne le fait que nous avons

tendance à percevoir un objet avec des qualités permanentes.

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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.

Température de couleur d’une source

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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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Légende diagramme de Kruithof :

Zone A : ambiance jugée trop chaude

Zone B : ambiance jugée confortable

Zone C : ambiance jugée trop froide

Diagramme de Kruithof

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L’éclairement fait souvent partie du cahier des charges d’un local.Les valeurs d’éclairement recommandées varient en fonction de la tâche àaccomplir. 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.

Exemples, Recommandations de l’Association Française d’Eclairage (AFE), 1993

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

salles de dessin

850

mécanique générale (pièces moyennes) 425

mécanique délicate 1250

Les sources de lumière artificielleÉclairement et Diagramme de Kruithof

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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 d’une source (IRC) ou Ra en anglais

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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.

Indice de rendu des couleurs d’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 critères de choix :Flux et efficacité lumineuse d’une 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 sources Incandescence 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 sources Incandescence halogène

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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 sources Sources àincandescence à réflecteur 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 sources Les lampes àdécharge

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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 sources / à vapeur de mercurelampes 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).

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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 sources / à vapeur de mercuretubes 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 sources / à vapeur de mercurelampes fluocompactes

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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 sources / à vapeur de mercureaux iodures métalliques (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 sources /Lumière noire

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Ces sources ont un spectre d’émission monochromatique

Exemple de spectre

Famille de sources / à vapeur de sodiumà vapeur 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 sources / à vapeur de sodiumà vapeur 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 sources /Lampes à induction

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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 sources /LED (lighting emitting 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 sources /Tubes « néon »

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Luminaires – DéfinitionsUn 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, àl’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. »

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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 - Fonctions non photométriques

Protection électrique

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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 - Fonctions non photométriques

Protection contre les influences extérieures

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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 - Fonctions non photométriques

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 - Fonctions photométriques

Modes d’éclairage

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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 - Fonctions photométriques

Géométrie des luminaires

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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 - Fonctions photométriques

Courbes photométriques

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2007-08 39

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 - Fonctions photométriques

Courbes photométriques

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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.

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.

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2007-08 41

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 - Fonctions photométriques

Limiter l’éblouissement

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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 / FlaA 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.