PHOTOMÉTRIE

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Applications de la photométrie

Éclairage

Dans la plupart des cas, on utilise pour l'éclairage des sources lumineuses dont la couleur dite blanche rappelle celle de la lumière naturelle du soleil ; mais pour certaines applications particulières (éclairage public, balisage de piste aérienne, lampes de laboratoire, etc.), on se sert de sources colorées.

L'éclairage électrique est, de loin, le plus fréquent, pour des raisons de commodité et d'économie. Les arcs au charbon ne se retrouvent que dans certains projecteurs et dans les phares.

Parmi les lampes couramment utilisées, on distingue essentiellement les lampes à incandescence, les lampes à décharge et les lampes fluorescentes. Aux lampes à incandescence à filament de carbone dans le vide ont succédé celles à filament de tungstène en atmosphère d'azote, d'argon ou de krypton, atmosphère qui limite la volatilisation du filament et permet d'améliorer la couleur, ainsi que le rendement, avec une luminance accrue ; ces lampes fonctionnent à près de 3 000 K, avec une durée de vie de l'ordre de mille heures.

L'une des caractéristiques les plus importantes des lampes dites lampes à iode est la reconstitution quasi totale de leur filament en cours de fonctionnement. On introduit dans l'atmosphère inerte de la lampe une quantité de vapeur d'iode dosée avec précision. Cette vapeur capte le tungstène volatilisé pour former, au voisinage de la paroi (le plus souvent en quartz), de l'iodure de tungstène, WI2, lequel, quand il parvient à proximité du filament, se décompose en libérant du tungstène qui se dépose à son endroit d'origine. Cette activité chimique particulière permet d'utiliser des températures encore plus élevées que dans les lampes classiques. L'usage des lampes à iode s'étend peu à peu à l'éclairage public, aux phares d'automobiles, et certains modèles sont prévus pour la photographie et le cinéma.

Le principe des lampes à décharge consiste à faire éclater et à entretenir dans un gaz convenablement choisi (vapeurs de sodium, de mercure, d'hydrogène, de xénon, etc.) une décharge électrique. Les lampes fluorescentes à basse tension sont constituées d'un tube en verre ayant une électrode à chacune de ses extrémités ; à l'intérieur du tube règne une faible pression de vapeur de mercure, et la paroi est recouverte de substances fluorescentes. Après mise sous tension, un arc se forme entre les deux électrodes, créant un rayonnement ultraviolet intense, qui se transforme en radiations visibles par l'intermédiaire des poudres fluorescentes. Le montage électrique de ces lampes doit être réglé soigneusement pour éviter tout papillotement appréciable.

L'usager doit payer non pas la puissance rayonnée, mais la puissance consommée, compte tenu des pertes de chaleur dans les circuits électriques. Le rendement indiqué dans la colonne de droite du tableau 4 se rapporte à la puissance consommée ; à côté du rendement, on doit considérer le coût de l'énergie utilisée, le prix d'achat du matériel et sa durée de vie.

Sources de lumière

Tableau : Sources de lumière

Sources diverses de lumière. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Il faut éviter, dans le champ visuel, la présence de régions ayant une luminance ou une intensité trop élevée, qui entraîne une contraction pupillaire et des effets d'éblouissement bien connus des automobilistes roulant la nuit. La luminance maximale considérée comme tolérable est de l'ordre de 106 nits.

En présence de sources ayant des luminances plus élevées, on utilise des diffuseurs ou des réflecteurs. Cela permet de mieux diriger la lumière, de la répartir sur les surfaces à éclairer, d'arrêter certains rayonnements dangereux tels que l'ultraviolet et de contribuer à la décoration des locaux ainsi qu'à la protection des lampes contre les intempéries.

L'éclairage est dit indirect quand la lumière est projetée vers une surface claire qui la réfléchit en la diffusant. Ce type d'éclairage atténue les ombres et réduit ainsi le relief des objets, la source étant complètement masquée, cela au prix d'une importante perte de lumière.

Les projets d'éclairage sont établis en évaluant le flux lumineux F nécessaire et sa répartition. On calcule F en multipliant les éclairements désirés par la surface des zones à éclairer, et en tenant compte des pertes par réflexion et transmission.

L'éclairement souhaitable varie selon qu'il s'agit de lieux de passage (vestibules, couloirs : 50 lux min.), ou de salles de lecture et de pièces où l'on exécute des « travaux fins » (300 lux min.).

Phares et projecteurs

Les phares destinés à être vus de loin, pour le repérage d'une direction ou d'un obstacle, et les projecteurs qui éclairent une route à suivre ou un objectif, ou encore un monument ou une scène de théâtre, utilisent une source de luminance L et de surface Σ, placée au foyer d'un système optique réflecteur ou d'un réfracteur de surface S et de longueur focale f (fig. 17). Si le faisceau utile n'est pas trop ouvert, le flux lumineux reçu par cette optique est sensiblement F = LΣS/2. L'ensemble des rayons issus de l'optique forme à peu près un tronc de cône d'angle solide Ω = Σ/2. L'éclairement produit à la distance x est sensiblement (aux pertes près) :

Projecteur : principe

Dessin : Projecteur : principe

Principe d'un projecteur 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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τ étant le facteur de transmission de l'ensemble des pièces optiques et de l'atmosphère. Le phare se comporte donc, dans la région éclairée (aux pertes près, d'ailleurs importantes), comme une source d'intensité LS (ce produit est souvent appelé « puissance » du phare). Il y a intérêt à utiliser autant que possible des arcs de grande luminance et des optiques de grandes dimensions. On est limité, notamment, par la nécessité de former, à partir de chaque point de la source, un faisceau bien parallèle, ce qui interdit, S étant choisie, une valeur trop faible de f. Quant aux dimensions de la source, elles conditionnent, une fois f et S choisies, l'ouverture des faisceaux, qu'on se fixe selon l'utilisation prévue.

On trouvera dans les articles qui les concernent des indications sur les caractéristiques photométriques des instruments d'observation. Rappelons seulement que la luminance L′ de l'image (non ponctuelle) d'un objet de luminance L est :

n et n′ étant les indices de réfraction des milieux objet et image, et τ le facteur de transmission des milieux interposés.

Le rapport des éclairements des images rétiniennes, qu'on appelle la clarté C est, par suite, sensiblement égal à τ n2/n2, tant que les diamètres de pupille oculaire dans la vision instrumentale (soit œ′) et dans la vision directe (soit œ) sont égaux. Mais quand le grossissement G est assez grand, œ′ devient inférieur à œ, et C est réduite sensiblement dans le rapport : œ2/œ2.

Dans l'observation des étoiles ou des particules ultramicroscopiques, en admettant que les flux F′ et F qui pénètrent dans l'œil, armé ou non de l'instrument, se concentrent sur les mêmes éléments rétiniens, on définit la clarté C* comme le rapport F′/F ; on démontre que C* varie avec G selon la loi : C* = G2C.

Enfin, lorsqu'on forme des images réel [...]

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Valeurs de l'éclairement

Valeurs de l'éclairement
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Émittance d'une source en un point O

Émittance d'une source en un point O
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Intensité d'une source ponctuelle

Intensité d'une source ponctuelle
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Luminance d'un élément de source

Luminance d'un élément de source
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : professeur à l'université de Paris-XI, Orsay, directeur des études à l'École supérieure d'optique, Orsay
  • : directeur honoraire de l'Institut d'optique théorique et appliquée de Paris, professeur honoraire au Conservatoire national des arts et métiers

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Pour citer l’article

Michel CAGNET, Pierre FLEURY, « PHOTOMÉTRIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/photometrie/