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LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURSComposition de la lumière blanche

Interactions lumière-matière

Perception visuelle

2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIELCritères de choix

Sources à incandescence

Sources à décharge

Sources spéciales

Support de cours réalisé par Sandra Fiori, Jean-Jacques Delétréet Nicolas Remy

Laboratoire CRESSON

LUMIERE ET COULEUR

INTRODUCTIONLa lumière comme rayonnement électro-magnétique visible

La lumière est la partie du rayonnement électro-magnétique visible par l’œilhumain (380-780 nm)

10-8 1010108106104102110-210-410-6

Longueurs d'onde électromagnétiques en m (10 -6 m)

Rayons gamma

Rayons cosmiques

Rayons X

U. V.

Infra rouge

Radar, radio, TV

VISIBLE

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LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURS1.1 Lumière blanche = lumière composée

La lumière du soleil est une  lumière blanche composée de l’ensemble deslongueurs d’onde visibles.

Cette composition représente le spectre.Chaque longueur d’onde correspond à une radiation “colorée”

Composition de la lumière blanche

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LUMIERE ET COULEUR

Le mélange en proportions égales de 3 lumières primaires (bleu, vert, rouge) créeune lumière blanche. On peut obtenir d’autres couleurs par la superposition defaisceaux colorés projetés sur un écran blanc.

1. GENESE DES COULEURS1.1 Lumière blanche = lumière composée

Synthèse additive

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LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURS1.2 Interactions lumière-matière

La couleur bleue du ciel est due à une forte réfraction des ondes courte de lalumière solaire par les molécules gazeuses de l’atmosphère.

Quand le soleil est au zénith, lesrayons lumineux traversentl’atmosphère verticalement.

Quand le soleil est à l’horizon, lesrayons sont plus longs et la couched’atmosphère à traverser plusgrande : ce sont surtout leslongueurs d’onde élevées qui sontréfractées (couleurs chaudes)

Couleurs atmosphériques

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LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURS1.2 Interactions lumière-matière

L’arc-en-ciel est du à la réfraction età la réflexion des rayons solairesdans les gouttes de pluie.

L’apparition d’un arc-en-ciel dépendde l’angle de vision de l’observateur.

Couleurs atmosphériques

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LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURS1.2 Interactions lumière-matière

Transmission-absorption-réflexion

Puissance incidente P

Valeur réfléchie R

Valeur transmiseT

Valeur absorbéeA

La conservation de l'énergie donneP = A + T + Rsoit en divisant par P1 = A/P + T/P + R/P

On appelle = A/P le coefficient d'absorption= T/P le coefficient de transmission = R/P le coefficient de réflexion

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’énergieincidente.

LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURS1.2 Interactions lumière-matière

Couleur des objets

Nous ne voyons des surfaces colorées que parce qu’elles sont capablesd’émettre ou de ré-émettre de façon sélective certaines longueurs d’onde de lalumière incidente.

Un tissu noir absorbe toutes leslongueurs d’onde.

Un tissu n’est vert que parce que leslongueurs d’onde vertes sontréfléchies, toutes les autres étantabsorbées.

Source : M. Zwimpfer

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LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURS1.2 Interactions lumière-matière

Synthèse soustractive

Dans le cas d’un mélange de matières colorées, on parle de synthèsesoustractive. Les pigments absorbent une partie du rayonnement lumineux.Mélanger deux pigments signifie faire absorber par l’un ce que l’autre renvoie.

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

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1. GENESE DES COULEURS1.3 perception visuelle

Système visuel

La perception visuelle naît dans l’œil mais prend forme dans le cerveau: l’optiquede l’œil permet la formation de l’image rétinienne et la rétine transforme lalumière reçue en un ensemble de stimulations capables d’être traitées par lecerveau.

Les cellules de la rétine :- les cônes : réaction au fortséclairements, vision de détail etsensibilité à la couleur (rouge, vert,bleu);- les bâtonnets : insensibles à lacouleur, réaction aux faibleséclairements.

Source : www.Thorn. fr

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LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURS1.3 perception visuelle

Sensibilité de l’œil humain

L’œil humain n'est pas sensible de la même façon à toutes les longueurs d'ondedu spectre visible. D'une sensibilité nulle aux deux extrémités du spectre, il passepar un maximum de sensibilité vers 0,555 (dans le jaune).

En réalité, il existe deux courbes deréponse, l'une pour des éclairementsforts (dite "photopique" etreprésentée ici), l'autre pour deséclairements faibles ("scotopique »).

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1. GENESE DES COULEURS1.3 perception visuelle

Contrastes de couleurs

Une couleur est toujours perçue par rapport aux autres couleurs présentes dansle champ visuel. Deux couleurs placées côte à côte tendent à être perçuesdifféremment que si elles étaient vues séparément.

Le vert central paraît plus vif à gauchequ’à droite

Le gris paraît plus foncé à droite qu’àgauche

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LUMIERE ET COULEUR

1. GENESE DES COULEURS1.3 perception visuelleVariations de la lumière du soleil et

constante perceptive

La loi de constante perceptive désigne le fait que nous avons tendance àpercevoir un objet avec des qualités permanentes.

La couleur de la lumière du jour semodifie selon les moments de lajournée (position du soleil) et lesconditions atmosphériques. Cechangement est progressif, notre œils’y adapte sans en prendreconscience.

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.1 Critères de choix

Température de couleur d’une source

La température de couleur d’une source lumineuse caractérise sa teinte.

Le corps noir est un corps imaginaireétalon, qui permet de comparer etcaractériser l ’émission de différentessources

La température de couleur d’unesource lumineuse représente latempérature à laquelle il faudraitchauffer le corps noir pour qu’il ait lem^me aspect coloré que cettesource.

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LUMIERE ET COULEUR

2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.1 Critères de choix

Température de couleur d’une source

Attention au vocabulaire !

Température de couleurélevée(5000 à 6000 °K)

Teinte froide(bleutée)

Température de couleurfaible(2700 à 3500 °K)

Teinte chaude(rougeâtre)

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.1 Critères de choix

Indice de rendu des couleurs d’une source (IRC)

L’indice de rendu des couleurs d’une source désigne la capacité de cette sourceà restituer les couleurs de surfaces. L’IRC s’échelonne de 0 à 100. Il n’estsignificatif qu’à partir de 50.

Deux sources ayant la mêmetempérature de couleur n’ont pasforcément le même spectre.

Si ces deux sources éclairent lemême objet, l’aspect coloré de cetobjet ne sera pas forcémentidentique.

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LUMIERE ET COULEUR

2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.1 Critères de choix

Indice de rendu des couleurs d’une source (IRC)

Sur la photo du haut, les fruits ont unaspect bleuté ; la source qui leséclaire ne restitue pas leur colorationnaturelle.

Sur la deuxième photo, l’IRC estmeilleur.

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.1 Critères de choix

Autres critères de choix :Flux et efficacité lumineuse d’une source

Le flux lumineux, exprimé en lumen (lm), tient compte de lacourbe de sensibilité de l’œil humain ; il représente les « wattutiles » pour l’œil émis par une source (1 watt émis dans le jauneest beaucoup plus “efficace” qu’1 watt émis dans le bleu).Le flux lumineux des sources est donné par les fabricants dans lescatalogues.

L’efficacité lumineuse d’une source est le rapport entre le f luxlumineux émis par cette source et sa puissance consommée(lm/W).Seule une petite partie de l’énergie consommée par une lampe produit de lalumière.

Ordres de grandeur :lampe à incandescence 100 W : 1500 lm = 15 lm/Wlampe à incandescence à halogènes 100 W : 2500 lm = 25 lm/Wtube fluorescent de 18 W (IRC = 85) : 1500 lm = 85 lm/Wlampe à iodures métalliques de 150 W : 11 200 lm = 75 lm/W

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LUMIERE ET COULEUR

2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.1 Critères de choix

Autres critères de choix :durée de vie moyenne d’une source

Ce critère, exprimé en heures, est donné par chaque fabricant.

Quelques ordres de grandeur :- source à incandescence : 1000 h- source à incandescence halogène : 2 000 à 4 000 h- lampe fluocompacte : 6 000 à 10 000 h- lampe à induction : 60 000 h- LED : 100 000 h

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.2 Sources à incandescence

Incandescence classique

Principe : la lumière est émise par lefilament de tungstène porté àincandescence dans une atmosphèrede gaz inerte.

Les sources à incandescencedégagent plus de 80 % de chaleur ;elles noircissent et ont une faibledurée 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 ontun spectre continu

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.2 Sources à incandescence

Incandescence halogène

Principe : idem que l’incandescenceclassique mais l’introduction decomposés halogénés permet larégénération du filamentLes sources halogènes noircissentmoins et ont une durée de vie pluslongues que les incandescencesclassiques/

Puissance : 50 à 2000 WEfficacité lumineuse : 13 à 20 lm/WTc : 2800 à 3000 KIRC : 100Durée de vie : 2000 à 4000 h

Doc .EDF

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.2 Sources à incandescence

Sources à incandescence à réflecteur interne

Les lampes PAR sont en verrepressé pour mieux résister auxchocs et être utilisées enextérieur. Le réflecteur internepermet de faire varier la forme dufaisceau.

DichroïquesPuissance : 15 à 150 WEfficacité lumineuse : 16 à 22 lm/WTc : 3000 KIRC : 100Durée de vie : 2000 à 4000 h

Doc .EDF

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.3 Sources à décharge

Principes de fonctionnement

La lumière est produite dans une ampoule électrique renfermant un ou plusieursgaz (vapeurs métalliques). Lorsqu’une tension suffisante est appliquée, un arcélectrique se crée, qui met en mouvement les atomes de gaz (ionisation).En changeant la composition en gaz ou en modifiant la pression, on obtient desqualités de lumière différentes.

Les sources à décharge possèdent des « spectres à raies ».

Les sources à décharge requièrent un appareillage spécial : système d’allumage etballast.

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.3 Sources à décharge

Sources à vapeur de mercurelampes fluorescentes (vapeur de mercure bassepression)

La vapeur de mercure excitée àcette pression émet un spectreultra-violet. L’ajout de poudresfluorescentes sur les paroisintérieures de l’ampoule permet detransformer cette énergie enrayonnement visible(fluorescence).

Tube dont seulement une partie estrecouverte de poudre fluorescente

Les sourcesfluorescentes couvrentune large gamme dequalités de lumière et deformes.

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.3 Sources à décharge

Sources à vapeur de mercuretubes fluorescents

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

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.3 Sources à décharge

Sources à vapeur de mercurelampes fluocompactes

Ces lampes ont unfonctionnement identique à celuides tubes mais leur appareillageincorporé permet de les substitueraux sources à incandescence

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

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.3 Sources à décharge

Sources à vapeur de mercuresources aux iodures métalliques (vapeur de mercurehaute pression)

Ces lampes à vapeur de mercurehaute pression contiennent deshalogénures métalliquespermettant un meilleur IRC.

Depuis peu, les brûleurscéramique tendent à remplacer lesbrûleurs à quartz.

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

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.3 Sources à décharge

Sources à vapeur de sodiumsources à vapeur de sodium basse pression

Ces sources ont un spectred’émission monochromatique

Exemple de spectre

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.3 Sources à décharge

Sources à vapeur de sodiumsources à vapeur de sodium haute pression

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)

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.4 Sources spéciales

Lampes à induction

Puissance : 55 et 85 WEfficacité lumineuse : 70 lm/WTc : 3000 et 4000 KIRC : > 80Durée de vie : 60000 h

Ce sont des sources à déchargemais l’excitation est créée nonplus par un arc électrique mais parun champ électromagnétique.

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.4 Sources spéciales

LED (lighting emitting diodes)

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 queces sources éclairent au-delàd’une fonction signalétique

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.4 Sources spéciales

Lumière noire

Lampes à vapeur de mercurebasse pression conçues pourn’émettre que des UV ; leur verreretient toute lumière visible maisrend visible les matièresréagissant aux UV.

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2. SOURCES D’ECLAIRAGE ARTIFICIEL2.4 Sources spéciales

Tubes « néon »

Il s’agit de tubes à déchargehautes pression. La couleurobtenue est fonction du gazemployé (rouge pour le néon, bleupour l’argon).

LUMIERE ET COULEUR

Eléments bibliographiqueset sources de documentation

ZWIMPFER M., couleur, optique et perception, Paris, Dessain et Tolra, 1992(éd. originale 1985)ITTEN J., Art de la couleur (éd. abrégée), Paris, Dessain et Tolra, 2000.

Principaux fabricants de lampes :OSRAM : www.osram.fr

PHILIPS-MAZDA : www.lighting.philips .com

GE Lighting : http://www.gelighting.com/eufr/home/index.html