La vision humaine dépend de la lumière. La lumière se reflète sur les surfaces et pénètre dans les yeux, traversant la cornée et la pupille pour former une image sur la rétine. L'œil est sensible à une très large gamme d'intensités lumineuses, mais à bas niveaux, il perd sa capacité à discerner les détails. C'est pourquoi les travaux de précision tels que la chirurgie, les mesures ou l'assemblage sont mieux réalisés sous une lumière vive. Travailler sous un mauvais éclairage provoque de la fatigue et des erreurs. Les accidents industriels sont plus fréquents lors de faibles niveaux de lumière. De plus, un bon éclairage détermine la qualité avec laquelle les gens peuvent observer un spectacle et prendre des photos de qualité. Pour aider à comprendre la mesure de l'intensité lumineuse, ce livre blanc d'OMEGA Engineering aborde les points suivants :
- Qu'est-ce que la lumière ?
- Comment mesure-t-on la lumière ?
- Situations nécessitant une mesure de la lumière
- Technologie de Mesure de la lumière
- Équipement de mesure de la lumière
Qu'est-ce que la lumière ?
La lumière est une forme d'énergie électromagnétique qui se propage dans l'espace sous forme d'onde. Tout comme les micro-ondes et les rayons X, ces ondes ont une longueur d'onde et une fréquence. La différence est que les êtres humains possèdent des récepteurs capables de détecter l'énergie dont la longueur d'onde est comprise entre 400 et 700 nm et de la transformer en images.
Chaque longueur d'onde correspond à une couleur distincte. La lumière dont la longueur d'onde est d'environ 420 nm est perçue comme bleue, celle dont la longueur d'onde est de 525 nm est perçue comme verte et celle dont la longueur d'onde est de 635 nm est perçue comme rouge. Les longueurs d'onde plus longues sont appelées infrarouges (perçues comme de la chaleur) et les ondes plus courtes sont appelées ultraviolets, puis rayons X.
Les sources de lumière basées sur la chaleur (sources « incandescentes ») émettent de l'énergie électromagnétique sur toutes les longueurs d'onde, c'est pourquoi elles apparaissent blanches. La distribution réelle des longueurs d'onde au sein de cette lumière dépend de la température de la source. Les lampes fluorescentes n'apparaissent blanches qu'en raison de la fluorescence d'un revêtement sur le verre ou le tube, et les LED n'émettent de la lumière qu'à une longueur d'onde spécifique.
Comment mesure-t-on la lumière ?
Une source lumineuse, comme le filament d'une ampoule à incandescence, émet de la lumière dans toutes les directions. En fait, elle se trouve au centre d'une sphère de lumière rayonnée (c'est pourquoi les unités de lumière font référence au stéradian). L'énergie totale de toute la lumière émise est appelée « flux lumineux ».
L'unité fondamentale de la lumière est la candela, qui correspond nominalement à la lumière émise par une bougie, ou plus précisément, « une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x 1012 hertz et qui a une intensité radiante dans cette direction de 1/683 watt par stéradian.»
Une candela par stéradian est appelée un lumen, qui est la mesure d'intensité lumineuse la plus connue. Cependant, ce qui importe le plus en termes de mesure de l'intensité lumineuse, c'est le nombre de lumens tombant sur une surface, qui est exprimé en lux. Ainsi, un lux correspond à un lumen par mètre carré, ce qui permet de relier la luminosité à la distance par rapport à la source. (Aux ÉTATS-UNIS, il est courant d'exprimer l'intensité lumineuse en pieds-bougies. Un pied-bougie équivaut à un lumen par pied carré).
En résumé, alors que le flux lumineux est exprimé en lumens, l'intensité lumineuse est mesurée en lumens par mètre carré ou en lux.
Situations nécessitant une mesure de la lumière
Studio de photographie Les principaux motifs pour mesurer l'intensité lumineuse sont de s'assurer que les normes minimales d'éclairage sont respectées et de déterminer les temps d'exposition appropriés en photographie et en cinématographie. Quatre situations courantes sont présentées ci-dessous.
1. Ergonomie et sécurité
Des niveaux d'éclairage minimaux sont recommandés pour de nombreux environnements. Si certains, tels que les chantiers de construction et les chantiers navals, sont soumis à des exigences OSHA très spécifiques, pour les applications industrielles générales, l'OSHA se réfère à la norme ANSI/IESNA RP-7-2001, « Practice for Industrial Lighting » (Pratiques en matière d'éclairage industriel). Celle-ci définit l'intensité minimale requise pour effectuer de manière sûre et précise toute une série de tâches. Dans certaines organisations, l'intensité lumineuse n'est mesurée que de manière réactive, généralement après une chute ou un autre accident. Une approche plus prudente consiste à réaliser une étude de l'éclairage, en documentant les niveaux d'éclairage sur l'ensemble du lieu de travail. Si certaines zones se révèlent inférieures aux niveaux minimaux acceptables, un plan d'amélioration peut alors être mis en œuvre.
2. Photographie et cinématographie
L'intensité lumineuse est au cœur de la photographie. Une faible luminosité oblige le photographe à augmenter le temps d'exposition ou à ouvrir l'ouverture de l'objectif, et parfois les deux. Bien que de nombreux appareils photo modernes soient équipés d'un posemètre intégré, il est toujours avantageux de connaître les niveaux de luminosité autour du sujet, en particulier pour la photographie en studio ou le portrait.
Connaître les niveaux de luminosité permet également de garantir la reproductibilité d'une prise de vue, ce qui est important en cinématographie. En mesurant les niveaux de lumière, un caméraman peut obtenir des résultats cohérents, garantissant ainsi la continuité.
3. Surveillance météorologique
Bien que de nombreux posemètres soient configurés pour la lumière incandescente, ils restent utiles pour effectuer des comparaisons à l'extérieur. Un posemètre pourrait par exemple produire des enregistrements montrant la différence d'intensité entre le solstice d'été et le solstice d'hiver. La cartographie des intensités lumineuses dans une zone destinée à accueillir des panneaux solaires pourrait aider à déterminer l'emplacement optimal de chaque panneau. Les acteurs du secteur agricole pourraient tirer profit de l'identification des zones à faible intensité lumineuse dans une serre.
4. Décors de théâtre et conception d'intérieur
Les différences d'intensité lumineuse constituent un moyen efficace d'attirer l'attention du public. Un décorateur peut souhaiter qu'un accessoire ou un acteur particulier soit plongé dans l'ombre pour une scène et mis en valeur pour la suivante. De même, un architecte d'intérieur utilisera les différences d'intensité pour créer une ambiance particulière. La définition des niveaux d'éclairage permet également de garantir la reproductibilité d'une ambiance particulière et de confirmer que la lumière est suffisante pour que le public puisse voir les traits des acteurs.
Technologie de Mesure de la lumière
La lumière tombe sur un capteur où l'énergie des photons est convertie en charge électrique. Plus la surface est éclairée, plus la charge accumulée est importante. En général, les deux sont corrélés. Un étalonnage dans l'électronique de mesure convertit le courant ou la tension en une valeur lux.
Pour compliquer les choses, l'œil humain n'est pas également sensible à toutes les longueurs d'onde de la lumière et est plus sensible au vert. Ainsi, si des intensités égales de lumière bleue et de lumière verte frappent un Posemètre, la valeur lux brute peut être la même, mais l'observateur humain percevra plus de lumière verte. Pour remédier à cela, les Posemètres sont configurés pour s'attendre à une lumière dont la distribution spectrale correspond à celle de l'éclairage domestique à filament de tungstène. Celui-ci est défini comme l'illuminant standard A de la CIE et ajuste la mesure d'intensité brute afin de mieux correspondre à la perception humaine de la luminosité. L'illuminant standard A de la CIE est recommandé pour toutes les applications impliquant l'utilisation d'un éclairage à incandescence.
Posemètres
Environnement de travail intérieur Les appareils de mesure environnementaux portatifs robustes pour la mesure du régime et de la lumière sont conçus comme des instruments portatifs faciles à utiliser pour mesurer l'intensité lumineuse. Basés sur l'illuminant standard A de la CIE, ces appareils sont idéaux pour une utilisation dans des zones éclairées par des lampes à incandescence et fournissent des mesures sous un éclairage fluorescent avec une faible marge d'erreur, dans une plage de mesure comprise entre 1 et 200 000 lux (0 à 18 580 foot-candles).
Ces instruments sont parfaits pour tous ceux qui ont besoin de vérifier les niveaux de lumière dans les environnements de travail intérieurs, pour la photographie, la conception de décors de théâtre, la décoration d'intérieur et la cinématographie. Ils peuvent être utilisés à l'extérieur lorsque des valeurs ou des ratios comparatifs sont suffisants, mais ne doivent pas être utilisés pour obtenir des valeurs d'intensité précises en raison de leur étalonnage CIE.
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