SIPSIPCPATCPAT

AgrégationAgrégation de Génie Civil de Génie Civil

Georges ZissisCPAT - U. Toulouse III

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Le rayonnement EM et la lumièreLe rayonnement EM et la lumière

I

UHF

VHF

TV

FM

Radar

Radiodiff

OC

Fréquence en Hz

VisibleCourant

de réseau

1010

1022 1

1

10201018 1016 1014

1012 11010108

106 104 102

102 104 106 10810-210-410-610-810-1010-12 Longueur d'onde en cm

UV Infra rouge

Rayons X

Rayons Radiodiffusioçn

Chaufage HF

380 nm 760 nm

c

E h hc

Quelques relationsQuelques relationsfondamentalesfondamentales

Bande12345678

CouleurViolet Foncé

VioletBleu

Bleu-vertVert

JauneOrangeRouge

Limites (nm)380 - 420420 - 440440 - 460460 - 510510 - 560560 - 610610 - 660760 - 760

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Que signifie "Voir" ?Que signifie "Voir" ?

Voir : Utiliser un photorécepteur afin de détecter, localiser et identifier un objet éclairé par une source de lumièreobjet

photorécepteursource de lumière

Source de lumière Puissance émise (Flux) Spectre

Photorécepteur Luminosité "Couleur"

Objet Couleur Forme

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FovéaFovéa

Le photo-récepteurLe photo-récepteur

Cônes & bâtonnets

CellulesHorizontales

Bipolaires, AmacrinesGanglionnairesL’œil humain est comparable à un appareil photographique

On ne peut pas détecter la réaction du cerveau à un seul photon

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La réponse du photorécepteurLa réponse du photorécepteur1. Luminosité1. Luminosité

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0V(

)700650600550500450400

(nm)

Q ui ckTi me™ et un décompresseurPhoto - J PEG sont requi s pour vi sual i sercette i mage.

L ’œil présente un maximum de sensibilité vers 555 nm dans les conditions de vision photopique

1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm)Autour de cette longueur d ’onde la sensibilité décroît et s’annule vers 380nm et 760nm.

Très nombreux (~125 millions)

Très sensibles (1 bâtonnet peut réagir à 1 seul photon, mais le quantique n’est que de 50%)

Insensibles à la couleurLents à l’adaptation

De la cornée à la rétine (exclue) la courbe de transmission spectrale couvre une gamme de 300 nm à 1400 nm.

Le cristallin porte la limite inférieure globale à 380 nm au lieu de 300 nm

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La réponse du photorécepteurLa réponse du photorécepteur2. Couleur2. Couleur

L'œil perçoit des longueurs d'ondeet le cerveau "voit" des couleurs

Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde

de la lumière incidente

En petit nombre (~ 5 millions/œil)

Sensibilité moyenneGrande vitesse de réponseSensibles à la couleur

Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui d’un cône !

Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms).

Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi.

Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui d’un cône !

Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms).

Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi.

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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités1. Le flux1. Le flux

Energie émise(W) Filtre V()

Flux lumineux(lm)

F P()V()d380nm

760nm

683 lm /W

Flux Débit

EquivalentEquivalent

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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités2. L'intensité lumineuse2. L'intensité lumineuse

Unité : le candela (cd)1 cd = 1 lm/sr

Source lumineuse ponctuelle

Flux dansune direction

Débit dansune direction

X

O

EquivalentEquivalent

X'

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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités3. L'éclairement3. L'éclairement

E = ∆Fabs/∆S

Unité : lx ou lm/m2

Source lumineuse

Objet

X

OL'angle solide (sr)L'angle solide (sr)

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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités4. L'excitance4. L'excitance

M = ∆Femis/∆Ssource

Unité lm/m2

Source lumineusenon-ponctuelle

F sur 2π sr

S source

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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités5. La luminance5. La luminance

L = I/Sapp

Unité cd/m2 ou lm/sr.m2

I

I

Surface apparenteA

Surface apparentea

L1 IA

L2 Ia

IllustrationIllustration

L1 « L2

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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités6. Synthèse6. Synthèse

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Lois de baseLois de base1. Loi de l'inverse du carré de la 1. Loi de l'inverse du carré de la

distancedistance

SourcePonctuelle

X

d1

d2

I = ∆F/∆∆

S1

S2

E FS

I F

E

Id 2

E1 I

d12 » E2

Id2

2

L'éclairement diminue en s'éloignant de la source

ConséquenceConséquence

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Lois de baseLois de base2. Loi du 2. Loi du cosinuscosinus

O P

h

d

SourcePonctuelle

Plan utile

I

E Id 2

I I0 cos

h d cos

E I0 cos3

h2

Pour une source uniforme etnon-ponctuelle

E Ei I0cos3 i

hi2

i

i

GénéralisationGénéralisation

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Lois de baseLois de base3. Loi de 3. Loi de LambertLambert

L I0

I

P

Pour une surface parfaitement diffusante

L() = constante

I = I0 cos

Loi de Lambert

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Réflexion - TransmissionRéflexion - Transmission

Pin Pr

PtPin = Pr + Pt

+ = 1

Pin Pr

Pt

Pin = Pr + Pt + Pth

+ + = 1

Pth

La températureaugmente

Coef. de réflexion

Coef. de transmission

Cas idéalCas idéal Cas réelCas réel

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Réflexion SpéculaireRéflexion SpéculaireLoi de DescartesLoi de Descartes

La vitesse de la lumière est constante

La lumière se déplace sur le chemin le plus court

entre deux points dans l'espace (ligne droite)

|| OP || = || OP' ||

= (angle de départ = angle d'arrivée)

Les points POO' définissent un planperpendiculaire à la surface de réflexion

Surfaceparfaitement lisse

O

P

P'

O'

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Réflexion DiffuseRéflexion Diffuse

Faisceauincident

Etat microscopiquede la surface

Réflexions

Pas de direction ni plan privilégiés

Surface réelle

O

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Coefficients de réflexionCoefficients de réflexion

Dans tous les cas tot ≤ 1et

tot + + = 1

Réflexion diffuse : d

Réflexion spéculaire s

Réflexion totale tot = s+d

Surface parfaitement diffusanteSurface parfaitement diffusante Surface parfaitement réfléchissanteSurface parfaitement réfléchissante

L dE

Lout sLin

RelationsRelations

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La couleurLa couleur1. Le rôle de 1. Le rôle de

cônescônes

Il existe 3 types de cônesIl existe 3 types de cônes

Bâtonnets

Trois "couleurs" principales : Rouge, Vert, Bleu

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La couleurLa couleur2.2. L'œil perçoit des longueurs d'onde L'œil perçoit des longueurs d'onde

et le cerveau "voit" des couleurset le cerveau "voit" des couleurs

En moyenne, notre œil est capable de discerner plus de 350 000 couleurs différentes

Mais très peu de personnes ont une perception correcte des couleurs

Synthèse additive

Synthèse soustractive

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La couleurLa couleur3. Représentation 3. Représentation

RVBRVB

[0,0,1]

[0,1,0]

[1,0,0]

Cyan[0,1,1]

Jaune[1,1,0]

Magenta[1,0,1] Blanc

[1,1,1]Noir

[0,0,0]

R

V

B

Le système RVB

Couleur "a"[r,v,b]

r' r

r v b

v' v

r v b

b' b

r v b

Base : R= 700 nm, V = 546,1 nm, B = 435,8 nmLR = 1 cd/m2, LV = 4,59 cd/m2, LB = 0,06 cd/m2

Coordonnées du blanc (W) : 1/3 - 1/3 - 1/3

En réalité beaucoup de couleurs ne peuvent pasentrer dans cette représentation !

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La couleurLa couleur4. Le triangle de 4. Le triangle de

couleurscouleurs

V

B

RPlan r'+v'+b'=1

Lieux de couleursdu spectre

Projection (x, y)

Cette représentation n'est valable que pour la lumièreémise par un source ("lumières d'orifice")

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La couleurLa couleur5. Approche 5. Approche

visuellevisuelle

L'espace de Munsellet sa représentation simplifiée

T = teinteS = saturationL = luminosité

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La couleur des objetsLa couleur des objets

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Sources de lumièreSources de lumièreQuelques ordres de grandeurQuelques ordres de grandeur

Sources primaires

SoleilLampe à incandescence 100 claireLampe à incandescence 100 dépolieLampe fluorescente 40W (T12)Bougie stéarique

Sources secondaires

Lune

Papier banc (=0,8)Papier gris (=0,4)Papier noir (=0,04)

165 000 x104

600 x104

125 x103

7 x103

5 x103

2,5 - 3 x103

100 50 5

Eclairées avec une lampe de 100 W équipé d'un diffuseur en verre opalin (Ø38)Eclairement 400 lx

Luminance (cd/m2)

La luminance minimumsusceptible d'impressionner

l'œil est de :

10-9 cd/cm2

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Comment produire de la lumièreComment produire de la lumièresans électricitésans électricité

CHAUDCHAUD

Feu Torches Chandelles Lampes à huile

FROIDFROID

LuminescenceLuminescence

Bio-luminescence Phosphorescence Tribo-luminescence Thermo-luminescence Foudre

LUMIERELUMIEREJe dois trouverbeaucoup de

lucioles

IncandescenceIncandescence

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Comment produire de la lumièreComment produire de la lumièreavec électricitéavec électricité

Humphry Davy &Humphry Davy &Michael FaradayMichael Faraday

1812181218121812

Arc au charbonArc au charbon

Arc Electrique

Thomas EdisonThomas Edison

1878187818781878

Filament au charbonFilament au charbon

Incandescence

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LuminescenceLuminescenceLuminescenceLuminescence

DéchargeDéchargeélectriqueélectrique

Electro-Electro-luminescenceluminescenceIncandescenceIncandescenceIncandescenceIncandescence

La famille des lampesLa famille des lampesélectriquesélectriques

Moded'excitation

Pressionopérationnelle

Type de spectred'émission

ClassiqueFilament de W

Halogène

Filtresélectif

Agrégats

L.E.D

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Production de la lumièreProduction de la lumière

Spectre de raies

Méthode "chaudeMéthode "chaude""Méthode "chaudeMéthode "chaude""

Méthode "froide"Méthode "froide"

FilamentFilamentmétalliquemétallique

chaudchaud

FilamentFilamentmétalliquemétallique

chaudchaud

Milieu DenseMilieu Dense

Interactions Fortes

AtomesMoléculesAtomes

Molécules

Milieu dilué

Interactions Faibles

Spectre ContinuSpectre Continu

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Les lampes sont partout !Les lampes sont partout !

EclairageIntérieur

ApplicationsIndustrielles

Véhicules &Transport Panneaux

d'affichage

Eclairage Public

Eclairage desMonuments

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Public10%

Rsidentiel30%Tertiaire

60%

Quelques chiffresQuelques chiffres

30 milliards de lampes fonctionnent chaque jour sur terre10 milliards de nouvelles lampes sont produites chaque année1 000 TWh d'énergie électrique sont consommées par an

1000 millions de tonnes de CO2 sont

injectées dans l'atmosphère par an

80 tonnes de déchets contaminés au Hg sont collectées chaque année en France

10% de la production mondiale de l'électricité

11,5 % pour la France 21% pour les USA 34% pour la Tunisie

En 1979 : 5 TWhEn 1999 : 14 TWh

40 GWh pour Toulouse (1995)

41 TWh pour la France en 1999

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La question: La question:

La ré

ponse

est

plu

tôt

La ré

ponse

est

plu

tôt

com

plexe

com

plexe

!!

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Quelques définitionsQuelques définitions(le photorécepteur)(le photorécepteur)

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

V()

700650600550500450400

(nm)

Q ui ckTi me™ et un décompresseurPhoto - J PEG sont requi s pour vi sual i sercette i mage.

L'œil perçoit des longueurs d'ondeet le cerveau "voit" des couleurs

Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde

de la lumière incidente1 watt (W) émit à 555 nm

vaut 683 lumens (lm)

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Un exemple de "Couleur"Un exemple de "Couleur"

OriginalOriginalSodium

Basse pression

SodiumHaute

Pression

MercureHaute

Pression

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Puissance émisePr ()

SpectreI

Quelques définitionsQuelques définitions(la source de lumière)(la source de lumière)

Puissance électriquePin

Efficacité électriqueEfficacité électrique (%) : (%) :

Efficacité lumineuseEfficacité lumineuse (lm/W) : : (lm/W) : :

Pr ( )d

0

Pin

k

Pr ()Vph( )d400

700

Pin

Indice Rendu CouleursIndice Rendu Couleurs IRC

Temp. de couleurTemp. de couleur Tc

ContinuRaies (ou bandes)Mixte

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Une première réponseUne première réponse

La qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'applicationLa qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'applicationpour laquelle a été réaliséepour laquelle a été réalisée

La qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'applicationLa qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'applicationpour laquelle a été réaliséepour laquelle a été réalisée

0 100

12 lm/WIRC~100

200 lm/WIRC~0

Bon

Faible

Moyen

IRC

Sodium Haute Pression

MercureHaute Pression

MHL(quartz)

MHL(céramique)

Sodium Haute Pression

"White"

incandescence

Sodium Basse Pression

Éclairageintérieur

Éclairageroutier

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Histoire du développement Histoire du développement des lampesdes lampes

(1e Période)(1e Période)

Filament autungstène

Incandescenceremplie avec du gaz

Néon

Systèmes à arcexpérimentaux

1897-1913

HPS

MHLLED

Halogène

Incandescence(filament axial)

FluorescenteForte intensité

(T8)

1955-1965(J. Waymouth, LS:5, 1989)

MHP

LPS LampeFluorescente

(T12)

Incandescence(filament spiralé)

1930-1938

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Histoire du développement Histoire du développement des lampesdes lampes

(2e Période)(2e Période)

Fluorescentcompact (CFL)

MHLminiature

Ballastélectronique Incandescence

(filtre sélectif)

1970-1989

????1990-…

(J. Waymouth, LS:5, 1989)

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Évolution de l'efficacité lumineuseÉvolution de l'efficacité lumineusedes sources des sources

(J. Waymouth, ALITE-95)

L'industrie des lampes a-t-elle atteintL'industrie des lampes a-t-elle atteintquelque limite thermodynamique ?quelque limite thermodynamique ?

Lampe au Soufre

Fluo Compacte (CFL)

Na Haute Pression (SON)

Na HP blanche

Fluorescent

Na Basse pression (LPS)

HID/MHL

Incandescence

Evolution de l'efficacité

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La limite théorique pourLa limite théorique pourla lumière blanchela lumière blanche

800

600

400

200

0750700650600550500450400

(nm)

0.3xLCN (Wm-2nm

-1)

Vphot( (lm W-1)

683 lm/W

BB

(J. Waymouth, ALITE-95)

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Histoire du développement Histoire du développement des lampesdes lampes

(3e Période)(3e Période)

Sans électrodesHF/RF

Contrôlede la couleur Soufre HP

Agrégats

Excimer

Configurations 2-D

Fluorescentes(T5 et

sans mercure)

LED forteIntensité

EtLED UV

1990-…

LampeSans mercure

(Zinc)

Hg-UHP

Fluorescentcompact (CFL)

MHLminiature

Ballastélectronique Incandescence

(filtre sélectif)

1970-1989

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RécepteurRécepteurLampeLampe

h

La lampe n'est qu'un élémentLa lampe n'est qu'un élémentd'un système complexed'un système complexe

Source deSource depuissancepuissance

RéseauRéseau

EnvironnementEnvironnement

EnergétiqueArchitecture...

PhysiologieErgonomie

Psychologie...

Phys. plasmas Chimie

Matériaux...

Génie électriqueElectronique...

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Les "10 commandements"Les "10 commandements"d'une bonne lamped'une bonne lampe

Produit le maximum delumière avec le minimumde l'énergie électrique

Ait une longue vie

Soit interchangeableavec d'autres lampes

Produit une lumière stable sans fluctuationsconstante sur toute ta vie

Ne pollue pasChaleurUVInterférences EM

Matériaux toxiques

Soit légère et compacte

Ne coûte pas cher Produit toute

ta lumièreinstantanément

Soit recyclableProduit une "bonne" lumière Spectre IRC Température de couleur

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Dans un monde sans lampes...Dans un monde sans lampes...

… tous les chats sont gris !