LA VISION ET LES SOURCES LUMINEUSES PHYSIQUE DE L’INFORMATION LUMINEUSE

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Caractéristiques des ondes lumineuses et des phénomènes optiques :

Historique

Historiquement, l’optique, apparaît dès l’Antiquité. Euclide, disciple de Platon, écrit deux livres qui ont un succès considérable et durable : l‟optique et la catoptrique. Dans l‟Optique, il propose le concept du rayon comme direction de la propagation de la lumière et le concept de la propagation rectiligne. Il faut attendre le XVIIème siècle pour comprendre le mécanisme de la vision mais, à l’époque, il subsiste encore une grande confusion au sujet de la « couleur».
Newton, Young, Helmholtz, Hering étudient les premiers la perception des couleurs. Maxwell apporte une contribution importante dans la théorie électromagnétique. Pour lui, la lumière est due à la propagation d‟un champ magnétique et d‟un champ électrique. Pour Fresnel, la lumière est formée par des vibrations transversales qui s‟effectuent dans des directions perpendiculaires à celles de la propagation. Fresnel explique ainsi les interférences, la diffraction et la polarisation. Ces nouvelles explications paraissent inconciliables avec la théorie corpusculaire, comme par exemple l‟effet photo-électrique. Einstein émet l‟hypothèse des quanta de lumière en 1905 : la lumière serait formée de petits corpuscules appelés « photons ».

Domaine de fréquence : Définition du spectre visible

Caractéristiques des ondes lumineuses et des phénomènes optiques :

Historique

Domaine de fréquence : Définition du spectre visible

Un rayonnement optique peut ainsi être caractérisé comme une onde électromagnétique [XXII]: fréquence, amplitude, polarisation. Le domaine qui nous intéresse est celui que l‟œil est capable de capter : il s‟agit du spectre visible se trouvant dans les longueurs d‟onde comprise entre 380 et 780 nm ce qui correspond à l‟observateur moyen tel que défini par la CIE. Les limites en longueur d‟onde ne sont pas absolues car les rayonnements perceptibles dépendent de l‟individu et des conditions de vision (Figure 1 ). Ce domaine du visible est encadré par les infrarouges aux fréquences inférieures, et les ultra-violets aux fréquences supérieures. Le graphique ci-dessous présente une partie du domaine de fréquence des ondes, avec leurs utilisations.
L’onde lumineuse est donc l‟un des modèles utilisés pour représenter les rayonnements lumineux. Elle est définie par son sens de propagation , son champ électrique ou sa polarisation et son champ magnétique (Figure 2 ). Les variations des champs électriques et magnétiques sont liées par les équations de Maxwell.
Toute lentille fonctionne selon le même principe. La différence est que, dans une lentille, la surface de séparation est courbe. Il y a deux famille de lentille, les lentilles convergentes, si des rayons de lumière parallèles l‟atteignent, ils sont déviés de façon à converger en un point unique appelé « foyer ». La lentille divergente, si des rayons de lumière parallèles l‟atteignent, ils sont déviés de façon divergée d‟un foyer virtuel, d‟où semblent venir tous les rayons.
Une propriété particulière de la réfraction mérite d‟être mentionnée. Le raisonnement mathématique de Huygens montre, dès le XVIIe siècle, que si la lumière passe d‟une substance à indice de réfraction élevé à une autre substance à indice de réfraction bas –du verre dans l‟air par exemple – et si elle frappe la surface de séparation suivant un grand angle, elle est tellement déviée qu‟elle ne peut plus s‟échapper et qu‟elle est complètement réfléchie. Ce phénomène est appelé « réflexion totale ».
Cette notion de réfraction nous semble importante car elle intervient avec de nombreuses situations telles que les vitres, le verre, un miroir ou même des lunettes.

Polarisation

Les ondes lumineuses vibrent dans le plan perpendiculaire à leur propagation. Cependant, certaines matières transparentes produisent un effet sur la lumière qui les traverse. Les ondes sont obligées de suivre un axe de vibration (Figure 5 ). Ce phénomène est observé pour la première fois dans certains cristaux. Le changement dans le mouvement des ondes lumineuses provient de la structure moléculaire du cristal. Deux cristaux possédant une même structure moléculaire peuvent être placés face à face dans une certaine position et transmettre librement la lumière. Cependant si l‟on tourne l‟un d‟eux, la lumière diminue jusqu‟à un point où elle ne passe plus du tout à travers le second cristal. Grâce à ce principe simple, les verres « polaroïds » peuvent atténuer l‟éblouissement. Ils suppriment toute la lumière non polarisée quand sa réflexion devient trop intense et ne laissent passer que les rayons qui se propagent dans un seul plan.
La découverte de la polarisation par le physicien français Malus fait opter pour la théorie ondulatoire de la lumière car la théorie corpusculaire n‟est pas capable d‟expliquer l‟interférence et la diffraction, considérées maintenant comme deux aspects différents du même phénomène.

Dualité onde/corpuscule

Le grand théoricien anglais de la physique, James Maxwell identifie la lumière comme une partie de l‟immense spectre continu des radiations électromagnétiques, perçue en tant que lumière naturellement parce que l‟œil y est sensible. Le point commun mis en relief par Maxwell est que toutes les radiations électromagnétiques, lumière visible comprise, se déplacent dans le vide à la même vitesse, soit environ 300 000 kilomètres par seconde.
En 1905, Albert Einstein, appliquant la théorie quantique de Max Planck, suppose que la théorie de la lumière doit être incomplète et qu‟elle possède certaines caractéristiques propres à la physique des particules.
Il développe un système mathématique pour expliquer comment un électron peut absorber une petite quantité d‟énergie lumineuse, qu‟il appelle « quantum » de lumière – plus tard dénommé « photon » – et obtenir ainsi l‟énergie nécessaire pour changer d’état énergétique. Il trouve que, si l‟énergie d‟un photon est inversement proportionnelle à la longueur d‟onde, plus celle-ci est petite, plus l‟énergie est grande, de sorte qu‟une lumière de courte longueur d‟onde permet de donner aux électrons injectés des énergies élevées.
En 1923, le physicien américain Arthur Compton démontre que les photons possèdent un moment mais comme sa vitesse est c, la relativité impose que sa masse soit nulle. Ce qui est un facteur important en faveur de la théorie d‟Einstein. D‟autres expériences suivent démontrant que, lorsque la lumière agit sur la matière, tous les phénomènes qui ont lieu ne peuvent être compris qu‟en considérant que la lumière est formée de grains énergétiques distincts.
Ces découvertes troublent la physique théorique. L‟hypothèse ondulatoire a remporté un succès spectaculaire et explique une grande variété de phénomènes (inférence, diffraction) qui ne peuvent pas être expliqués par la théorie corpusculaire. Cependant de nombreux phénomènes ne peuvent être compris qu‟en termes de photons. Où est la vraie solution ?
La réponse vient d‟une théorie physique complexe appelée « mécanique quantique » et développée par les grands noms de la physique moderne : Max Planck, Niels Bohr, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born et beaucoup d‟autres. D‟une manière générale, cette théorie montre comment une radiation électromagnétique peut posséder des caractéristiques à la fois ondulatoires et corpusculaires. Ces deux qualités sont des aspects complémentaires d‟une seule réalité.
Au début du XXe siècle les théories d’Einstein sur la nature corpusculaire de la lumière donnent naissance au photon et à l’optique quantique. Les physiciens sont alors contraints d’admettre que la lumière présente à la fois les propriétés d’une onde et d’un corpuscule. À partir de là, Louis de Broglie considère, au travers de la mécanique ondulatoire, que si le photon peut se comporter comme un corpuscule, alors, à l’inverse, les corpuscules tels que les électrons ou les protons peuvent se comporter comme des ondes.

Les grandeurs photométriques

Les principales grandeurs et unités photométriques et radiométriques sont résumées dans le tableau ci-dessous (Table 1 ). Elles sont utilisées dans le système international d‟unité (SI).[XXII]
Les rayonnements lumineux peuvent être considérés d’un point de vue énergétique (domaine de la radiométrie) ou d’un point de vue photométrique. Les grandeurs photométriques (flux, intensité, éclairement lumineux) ont été définies pour quantifier les grandeurs relatives aux quantités de lumière perçues par l’homme. Nous exposerons les courbes de la sensibilité de l’œil dans la partie relative aux différents types de visions.

Eclairement lumineux Lux (lm/m²)

L‟éclairement lumineux (Figure 6 ) est la densité de flux lumineux tombant sur une surface.
L‟unité d‟éclairement est le Lux : un Lux correspond à un lumen reçu par m².

La mesure de l‟éclairement :

Un filtre ayant la réponse de l’œil (v(λ)) est placé au dessus d’une photodiode qui produit des charges proportionnellement au flux qu‟elle reçoit, dans la mesure où sa surface sensible est définie une fois pour toutes lors de sa fabrication, le signal électrique qu‟elle produit est donc proportionnel à l‟éclairement qu‟elle reçoit.
Si on définit l‟angle θ comme l‟angle entre l‟axe passant par la source et le centre de la surface, et un axe perpendiculaire à la surface, l‟éclairement s‟exprime de la façon suivante :
I = Intensité (W/sr ou Cd)
E = éclairement sur la surface (lux ou W/m2)
D = distance entre source et surface de mesure (m)
θ = angle entre la direction d‟émission de la source et la perpendiculaire à la surface
L‟éclairement sur une surface varie selon une fonction cosinus en fonction de son orientation par rapport à la source.

Intensité lumineuse (cd) et le flux (lumen)

L’intensité lumineuse (Figure 7 ) est la grandeur photométrique faisant partie du système international d‟unités (SI). Elle est toujours relative à une direction donnée et est exprimée en candela (cd). Elle est définie en 1979 par l‟Office des Poids et Mesures comme :
La candela est l‟intensité lumineuse, dans une direction donnée, d‟une source qui émet un rayonnement électromagnétique de fréquence 540 * 1012 hertz et dont l‟intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.

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Table des matières

INTRODUCTION AUX TRAVAUX DE LA THESE
PREMIERE PARTIE : LA VISION ET LES SOURCES LUMINEUSES PHYSIQUE DE L’INFORMATION LUMINEUSE
CARACTERISTIQUES DES ONDES LUMINEUSES ET DES PHENOMENES OPTIQUES :
HISTORIQUE
LA REFRACTION
POLARISATION
DUALITE ONDE/CORPUSCULE
LES GRANDEURS PHOTOMETRIQUES
NOTION DE TYPE DE SOURCES :
SYNTHESE DES COULEURS
TEMPERATURE DE COULEUR PROXIMALE (TCP)
VISION HUMAINE
PRINCIPE DE L’OEIL
PHYSIOLOGIE DE L’OEIL
PHOTORECEPTEURS
LES TYPES DE VISION
LA VISION DES COULEURS
LES ESPACES COLORIMETRIQUES DE LA CIE
ADAPTATION DE L’OEIL.
PROPRIETES PHYSIQUES ET CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DES ECLAIRAGES
LA LAMPE A FILAMENT : DU TUNGSTENE A L’HALOGENE
LES LAMPES A DECHARGE: LES FLUO ET LES LAMPES A HAUTE PRESSION DIODES ELECTRO-LUMINESCENTES
DEUXIEME PARTIE : CARACTERISATIONS PHYSIQUES ET QUALITE DES ECLAIRAGES
CARACTERISATIONS DES ECLAIRAGES
LES MOYENS DE CARACTERISATIONS PHYSIQUES ET LEURS ETALONNAGES DEVELOPPEMENT DES OUTILS DE CARACTERISATION
GONIOCAM
TETE OPTIQUE
ETAT DE L’ART DE LA MESURE DE LA QUALITE DES ECLAIRAGES
LE RENDU DES COULEURS
LE CONFORT VISUEL
TROISIEME PARTIE : PRESENTATION DES EXPERIENCES SUBJECTIVES EXPERIENCE SUR LE RENDU DES COULEURS
DESCRIPTION DU SALON
PRESENTATION DES MESURES PHYSIQUES
PRESENTATION DES RESULTATS
EXPERIENCE SUBJECTIVE SUR LE CONFORT VISUEL :
DESCRIPTION DES QUATRE CONFIGURATIONS
BUT DE L’EXPERIENCE
LES TECHNOLOGIES UTILISEES
DESCRIPTION DU PROTOCOLE D’EXPERIMENTATION
PRESENTATION DES MESURES PHYSIQUES
PRESENTATION DES RESULTATS SUBJECTIFS
QUATRIEME PARTIE : EXPLOITATION DES RESULTATS ET DEVELOPPEMENT
RENDU DES COULEURS
COMPARAISON DES METRIQUES EXISTANTES
CORRELATION DES METRIQUES AVEC L’EXPERIENCE SUBJECTIVE
IMPACT DE CERTAINS PARAMETRES
DEVELOPPEMENT D’UN INDICE:
CONCLUSION SUR LE RENDU DES COULEURS
CONFORT
REALISATION DU MODELE DE CONFORT VISUEL
PARAMETRE D’INCONFORT: L’EBLOUISSEMENT
PARAMETRE DE CONFORT
PRESENTATION DES PARAMETRES VISUELS
PREMIERE APPROCHE D’UN MODELE DE CONFORT VISUEL
CORRELATION DU MODELE AVEC L’EXPERIENCE SUBJECTIVE
APPROCHE MATHEMATIQUE
CORRELATION DU MODELE MATHEMATIQUE AVEC L’EXPERIENCE SUBJECTIVE
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
SOURCES DES FIGURES
ANNEXE 1 : INTERFACE DU PROGRAMME
ANNEXE 2 : METROLOGIE DES RAYONNEMENTS OPTIQUES EN FRANCE
ANNEXE 3: RESULTATS DE L’EXPERIENCE SUBJECTIVE SUR LA COULEUR
ANNEXE 4 : RESULTATS DE L’EXPERIENCE SUBJECTIVE SUR LE CONFORT VISUEL
ANNEXE 5 : VALEURS DES PARAMETRES PHYSIQUES ISSUES DES MESURES ET UTILISEES DANS LES CALCULS DES MODELES SUR LE CONFORT VISUEL
ANNEXE 6 : NOTION D’UNE SOURCE LAMBERTIENNE
ANNEXE 7 : STATISTIQUES POUR LES EXPERIENCES SUR LE CONFORT VISUEL