Photométrie (optique)

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La photométrie est la science qui étudie le rayonnement lumineux du point de vue de la perception par l'œil humain. La plupart des appareils de mesure en photométrie, qui ne font pas intervenir directement l'œil en tant qu'élément sensible, sont étalonnés en fonction de la courbe de sensibilité relative de l'œil humain.

[modifier] Photométrie et œil humain

Cette courbe de sensibilité relative moyenne de l'œil humain a été établie par la Commission Internationale de l'Éclairage (en abrégé CIE) à partir d'un grand nombre d'individus. Elle montre que la sensibilité maximale de l'œil humain en vision de jour (vision photopique) se produit pour une longueur d'onde de 555 nanomètres. Cette courbe prend des valeurs non nulles pour des longueurs d'onde allant de 400 nanomètres à 700 nanomètres. En dehors de cette plage toutes les grandeurs photométriques seront nulles.

[modifier] Unités photométriques

Pour présenter de façon simple les différentes unités utilisées en photométrie nous supposerons que nous avons une source lumineuse qui éclaire une surface.

[modifier] Au niveau de la source lumineuse.

La source lumineuse peut être ponctuelle ou étendue.

Si la source est ponctuelle (de dimension négligeable), on apprécie sa "brillance" ou "éclat lumineux" par une grandeur appelée intensité lumineuse, exprimée en candelas.
Si la source est étendue, on distingue deux cas pour exprimer sa "brillance".
- Premier cas : On considère la lumière émise par la source sans tenir compte de la direction prise par celle-ci. On définit alors l'émittance de la source, exprimée en lumens par mètre carré.
- Deuxième cas : Certaines sources étendues paraissent plus ou moins lumineuses selon l'angle sous lequel on les regarde (écran plat d'ordinateur par exemple). On définit alors une grandeur qui dépend de la direction d'émission. Cette grandeur est la luminance (appelée aussi luminosité par les constructeurs d'écran vidéo), exprimée en candelas par mètre carré. Si la luminance est la même dans toutes les directions, on dit que l'on a affaire à une source lumineuse orthotrope et il existe alors une relation simple entre la luminance et l'émittance exprimée par la loi de Lambert.

Pour toutes les sources lumineuses, on définit le rendement lumineux pour juger de la rentabilité lumineuse de la source compte tenu de sa consommation.

[modifier] Entre la source lumineuse et la surface éclairée

Le transport de l'énergie émise par la source se fait grâce à un rayonnement. Toutes les fréquences de ce rayonnement ne sont pas forcément visibles par l'œil humain. L'énergie visible du rayonnement porte le nom de flux lumineux et s'exprime en lumens.

La "proportion" de la partie visible du rayonnement par rapport à la totalité du rayonnement constitue ce que l'on appelle l'efficacité lumineuse et s'exprime en lumens par watt.

[modifier] Au niveau de la surface éclairée

Plus ou moins de flux lumineux arrive en un point de la surface. On dit que la surface est éclairée. Pour juger de cet éclairement, on définit une grandeur appelée éclairement lumineux, exprimée en lux. Cet éclairement lumineux ne laisse en rien présager de la quantité de lumière réémise par la surface, qui elle dépend de la nature de la surface et notamment de sa couleur. La notion de couleur est liée à la longueur d'onde correspondant à la sensibilité de la rétine de l'œil humain grâce aux cônes quand le niveau d'éclairement lumineux dépasse un certain seuil. les cônes sont concentrés dans une zone appelée "FOVEA" - Field Of View of Eye Area - En deçà de ce seuil, vision scotopique, seuls les batonnets sont activés. Ceci correspond à la vision nocturne dont le maximum de sensibilité est décalé vers le rouge par rapport à la vision photopique. Les batonnets ne sont pas concentrés dans la FOVEA. C'est pourquoi, de nuit, lors de l'observation des étoiles, à l'œil nu, il est préférable de fixer un point voisin. La quantité de lumière réémise dépend aussi des longueurs d'onde du rayon incident et l'on définit une courbe de réflectance de la surface pour rendre compte de ce fait. Un autre terme est utilisé: l'albédo. La surface réémettant de la lumière constitue à son tour une source lumineuse et on peut alors définir son émittance. En l'absence d'un phénomène de fluorescence, de luminescence (voire phosphorescence), le flux lumineux réémis en chaque point est inférieur au flux lumineux incident, ce qui se traduit par le fait que l'émittance en un point de la surface s'exprime par un nombre inférieur au nombre exprimant son éclairement lumineux. Du fait de la conservation de l'énergie, le flux incident est réparti entre absorption, transmission (directe, réfractée ou diffuse) et réflexion ( diffuse ou spéculaire ). La somme des trois coefficients ( absorption, transmission, réflexion ) vaut 1. La courbe de réflectance est bi-directionnelle dans le repère de la surface éclairée.