FORMULES de PHYSIQUE
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COEFFICIENTS de VISIBILITé
-coefficients de visibilité
La visibilité est la qualité de l'oeil, lui permettant d'appréhender les détails colorés d'une structure donnée.Or l'oeil ne perçoit pas la même intensité selon la couleur qu'il reçoit.
Violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange, rouge, sont les plages du spectre visible, soit 7 zones, dites teintes (ou couleurs) Celles-ci proviennent d'une source lumineuse qui émet sous des longueurs d'onde comprises entre l = 380 nm (le violet extrême) et l = 730 nm (le rouge extrême).Le découpage en 7 zones est purement arbitraire, car il y a une continuité infinie de couleurs et leurs limites (subjectives) ne sont qu’approximativement définissables (rien ne ressemble plus à un rouge-orangé qu’un orangé-rouge !) Mais il était nécessaire de faire des compartimentages (curieusement inégaux) alors, on en a choisi 7, car c'est un chiffre mythique....
L'oeil ne perçoit pas la même intensité selon la couleur qu'il reçoit.Il est donc opportun d'établir deux lois sur ce phénomène:
--celle donnant la correspondance entre l'intensité consommée en amont par une source, lui permettant de produire une autre intensité, sous la forme de lumière colorée
--et une autre loi, exprimant comment la perception de lumière par un oeil standard évolue en fonction de la longueur d'onde d'émission.
Cette loi est de forme logarithmique et donc représentable par une courbe en cloche.
1-équivalent mécanique de la lumière(symbolisé ye)
Un système d'unités spécial a été créé pour exprimer les diverses grandeurs utilisées en photométrie: c'est le système psychophysique (ou psychométrique)
On part de la définition de l'unité d'intensité lumineuse émise, nommée candela: la candela est l'unité d'intensité visuelle d’une source qui, dans une direction donnée, émet un rayonnement monochromatique de fréquence 5,4.1014 Hz et dont l’intensité énergétique dans cette direction est de 1/683 Watt par stéradian
On y rencontre donc le nombre 683 (symbolisé ye dans cet ouvrage) et qui est nommé équivalent mécanique de la lumière et son inverse (1/683) est nommécoefficient correctif physiologique.
(ye =683) va servir identiquement de coefficient de changement d'unités pour les grandeurs voisines (telles puissance, éclairement, luminance, etc)
On en tire que 1 candela (cd)= (1/683)W/sr et parallèlement 1 lumen(lm)= (1/683)W et 1 lm-s= (1/683)J et 1 nit(ou cd/m²)= (1/683)W/m²-sr
2-facteur de visibilité ou efficacité spectrale (symbolisé F'1)
il représente le rendement F'1 = puissance émise / puissance consommée
en fonction de la longueur d'onde.Les puissances sont évidemment exprimées toutes deux en mêmes unités (des Watts) car il s'agit d'un rendement
Le point haut de la courbe en cloche de ce rendement (donc valeur maxi de F'1= 1) est atteint pour un vert légèrement jaune ayant pour longueur d'onde 555 nanomètres (soit 5,4.1014 Hertz) Dès qu'on s'éloigne de ce summum, F'1 chute très rapidement, comme le montre la liste des valeurs exprimées ci-après, échelonnées entre 0 (pour longueurs d'onde aux limites de l'infrarouge ou de l'ultraviolet) et 1 (pour l =555 nm)
En (Watt par Watt) >>> l de 385 nm(< 0,001)--l de 400 nm(=0,02)--l de 420 nm(=0,03)--
l de 440 nm(=0,05)--l de 460 nm(=0,08)--l de 480 nm(=0,15)-- l de 500 nm(=0,40)--
l de 520 nm(=0,80)--l de 540 nm(=0,95)--l de 555 nm(=1)--l de 560 nm(=0,98)--
l de 580 nm(=0,88)--l de 600 nm(=0,70)-- l de 620 nm(=0,40)--l de 640 nm(=0,23)--
l de 660 nm(=0,10)--l de 680 nm(=0,05)--l de 700 nm(=0,04)--l de 720 nm(=0,03)--
l de 740 nm(=0,01)-- l de 760 nm(< 0,001)--
3-l'efficacité spectrale relative (F'2)
est la même chose que le facteur de visibilité, sauf que les valeurs sont alors exprimées en pourcentages (au lieu de parties d'unité) et elles sont donc 100 fois plus fortes
Les efficacités spectrales relatives, symbolisées maintenant F'2 s'échelonnent entre 0 (aux extrêmes fréquences visibles) et 100 (pour le vert 555 nm) selon chiffrage ci-après >>>
l de 385 nm(< 1)--l de 400 nm(=2)--l de 420 nm(=3)--l de 440 nm(=5)--l de 460 nm(=8)--l de 480 nm(=15)--l de 500 nm(=40)--l de 520 nm(=80)-- l de 540 nm(=95)--l de 555 nm(=100)--l de 560 nm(=98)--l de 580 nm(=88)--l de 600 nm(=70)--l de 620 nm(=40)--
l de 640 nm(=23)--l de 660 nm(=10)--l de 680 nm(=5)--l de 700 nm(=4)--l de 720 nm(=3)--
l de 740 nm(=1)--l de 760 nm(<1)
4-la sensibilité lumineuse spectrale (F'3)
est la même chose que le facteur de visibilité, sauf que les valeurs sont maintenant exprimées en unités dites psychophysiques (au lieu de parties d'unité) et elles sont donc 683 fois plus fortes
Les valeurs de F'3 sont échelonnées entre 0 (aux extrêmes fréquences visibles) et 683 (pour le vert 555 nm) selon chiffrage ci-après(en lm/W) >>>
l de 385 nm(< 5)--l de 400 nm(=10)--l de 420 nm(=20)--l de 440 nm(=30)--l de 460 nm(=54)--l de 480 nm(=102)--l de 500 nm(=275)--l de 520 nm(=546)--l de 540 nm(=650)--l de 555 nm(=683)--l de 560 nm(=670)--l de 580 nm(=600)--l de 600 nm(=478)--l de 620 nm(=273)--l de 640 nm(=157)--l de 660 nm(=68)--l de 680 nm(=34)--l de 700 nm(=27)--l de 720 nm(=20)--l de 740 nm(=10)--l de 760 nm(< 5)
Nota 1: les données ci-dessus correspondent à la lumière du jour (elles sont dites photopiques).La nuit, les bâtonnets de l'œil prennent le relais sur ses cônes et la longueur d'onde de sensibilité maxi est plus faible (507 nm) et on dit que c'est le domaine scotopique. Dans ce cas, toutes les valeurs ci-dessus sont dévaluées (par ex. à 555 nm, F'3 = 402)
Nota 2: la sensibilité spectrale (F'3) n'est pas toujours très précise pour un œil standard, car celui-ci favorise un peu les bleus, quand l'intensité émise par la source est faible.
Nota 3: l'appréciation des intensités lumineuses est nommée leucie.
Nota 4: on trouve parfois une synonymie (sensibilité spectrale pour les particules), qui n'y ressemble en rien
5.le rendement (énergético-)lumineux
est un coefficient de même nature que la sensibilité lumineuse spectrale, mais qui change de nom parce qu'il est utilisé dans le domaine commercial
Il est plus motivant pour un constructeur de parler d'un rendement référencé envers 683 plutôt qu'envers 1 (ou 100) Donc on appelle la sensibilité spectrale à ce moment
"rendement (énergético) lumineux" et on met bien en avant son quotient en lumen par Watt (et cependant, au sens strict, ce n'est pas un rendement)
En pratique, les sources habituelles de luminosités (qui sont des ampoules électriques) présentent d'importantes pertes -à cause de l'effet Joule, à cause de l'angle solide de diffusion, à cause de la dissipation des longueurs d'ondes variées, etc et on n'atteint guère mieux que 25% des 683 lm/W théoriques
Quelques valeurs de ce rendement énergético-lumineux (en lumen par Watt)
9 lm/W pour les anciennes faibles lampes à incandescence (< 50 W)
13 lm/W pour les anciennes moyennes lampes à incandescence (60 à 120 Watts)
17 lm/W pour les anciennes fortes lampes à incandescence (> à 200 Watts)
24 lm/W pour les lampes à iode
50 à 80 lm/W pour les tubes fluorescents
230 lm/W pour les meilleures LED
Le soleil lui-même ne fait guère mieux, car il produit un éclairement moyen de 40.000 lux et il
donne par ailleurs une densité de flux de chaleur de 168 W/m² ce qui équivaut à 238 lm/W