Que sont les lumens, les lux, les nits et les candelas ?

Dans notre vie quotidienne, la lumière est omniprésente : des lampes de nos maisons aux écrans de nos téléphones portables, de la lumière du soleil à l'extérieur aux néons de la nuit. Elle nous entoure sous de multiples formes. Pour décrire les propriétés de la lumière, certaines unités physiques spécialisées sont indispensables : lumens, lux, nits et candelas sont quatre des plus importantes. Bien qu'apparemment abstraites, ces unités sont intrinsèquement liées à notre perception de la lumière et à ses applications pratiques. De la sélection d'ampoules de luminosité appropriée à la conception d'effets d'affichage pour les écrans, et même dans des domaines spécialisés tels que la photographie et l'ingénierie de l'éclairage, ces unités jouent un rôle indispensable.

Cependant, ces quatre concepts sont souvent source de confusion pour de nombreuses personnes, qui peinent à distinguer clairement leurs significations et applications respectives. Il est donc essentiel de clarifier les concepts de ces quatre unités et de définir les propriétés optiques qu'elles décrivent pour mieux comprendre et utiliser la lumière.

1. Le lumen est une unité de mesure de la lumière, similaire au watt, mais dont la mesure tient compte de la sensibilité de l'œil humain. Lorsqu'on examine les spécifications d'une source lumineuse, les lumens mesurent la puissance totale de la source lumineuse, quelle que soit la direction dans laquelle la lumière est émise.

2. Le lux désigne le nombre de lumens reçus par mètre carré. Dans le langage courant, nous pourrions l'appeler ‘éclairement’, bien qu'au sein de la profession optique, il soit appelé ‘éclairement’. Il indique la quantité de lumière tombant sur une surface donnée.

3. Le nit est le nombre de lumens par mètre carré et par stéradian, que l'on pourrait appeler ‘luminosité’ dans le langage courant, bien qu'il soit appelé ‘luminance’ dans l'industrie. Si un éclairement de 1 lux tombe sur une surface diffuse-réfléchissante idéale, il produit une luminance de 1 nit.

4. La candela est le nombre de lumens par stéradian. Elle est utilisée pour les sources lumineuses ponctuelles et permet de calculer la quantité de lumière reçue par toute surface éclairée, quel que soit son emplacement.

En d'autres termes, la candela mesure l'intensité lumineuse à travers une sphère imaginaire centrée sur la source lumineuse. Pour une source ponctuelle isotrope, une candela équivaut à un lumen par stéradian. Une sphère complète entourant la source lumineuse comprend 4π (environ 12,6) stéradians. Par conséquent, une source lumineuse isotrope émettant 12,6 lumens produit une intensité lumineuse de 1 candela. Cela ne s'applique pas entièrement aux lasers typiques, mais pour les sources lumineuses telles que les lampes au xénon à arc court, il s'agit d'une approximation raisonnable. Néanmoins, la candela peut toujours être définie pour une partie d'un faisceau divergent. Par exemple, si votre laser émet 1 lumen dans un rayon de seulement 0,1 stéradian, son intensité lumineuse sera de 10 candelas.

Le pied-candle est une unité d'éclairement. L'Illuminating Engineering Society of North America le définit dans la norme ANSI/IES RP-16-1996, Terminology of Lighting Engineering, comme ‘la densité surfacique du flux lumineux incident sur un point d'une surface’.

En termes simples, l'éclairement est la quantité de lumière qui atteint un point sur une surface réelle ou imaginaire. (Il n'est pas nécessaire que ce point soit situé sur une surface physique).

Un pied-bougie équivaut à un lumen par pied carré (le lumen étant l'unité de mesure du flux lumineux ou de la quantité de lumière).

L'intensité lumineuse de la flamme d'une bougie (ou, de manière équivalente, sa candela) est d'environ 1 candela. Si vous placez la bougie à un pied d'une surface, l'éclairement sur cette surface à cette distance sera d'environ un pied-bougie en raison de l'éclairage de la bougie. À deux pieds, l'éclairement sera de 1/4 de pied-bougie ; à trois pieds, il sera de 1/9 de pied-bougie, et ainsi de suite, conformément à la loi de l'inverse du carré pour les sources lumineuses ponctuelles.

La luminosité est un phénomène psychophysique qui ne peut être mesuré directement. Le terme “luminosité photométrique” était autrefois utilisé pour désigner la luminance, mais il n'est plus employé dans les contextes scientifiques ou techniques.

Définition du lumen: Flux lumineux d'une lumière monochromatique à une fréquence de 540 térahertz (ou une longueur d'onde d'environ 555,5 nanomètres) d'une puissance de 1/683 watts. Il convient de noter que le lumen est une unité dérivée de la candela (1 candela équivaut à 1 lumen par stéradian), alors que la candela est une unité de base (elle représente la ‘puissance candela du faisceau’ de 1/683 watts par stéradian pour la lumière monochromatique à une fréquence de 540 térahertz). Pour la lumière dont la longueur d'onde est différente de 555,5 nanomètres, le nombre de lumens par watt d'énergie rayonnée est différent. Pour les longueurs d'onde autres que 555,5 nanomètres, les lumens par watt correspondent à 683 multiplié par la valeur de la fonction d'efficacité lumineuse photopique pour cette longueur d'onde, puis divisé par la valeur de la fonction d'efficacité lumineuse photopique à 555,5 nanomètres (je crois que cette valeur est très proche de 1, mais pas exactement 1).

Lumens par watt est un indicateur de l'efficacité de la conversion de l'énergie électrique en énergie lumineuse. En multipliant cette valeur par la puissance consommée par une DEL, on obtient son flux lumineux (en lumens). Les LED rouges, orange, jaunes ou jaunes-vertes typiques présentent une chute de tension d'environ 2 volts et consomment environ 0,04 watt pour un courant standard de 20 milliampères. En revanche, les DEL bleues, blanches ou vertes non jaunâtres présentent généralement une chute de tension de 3,5 volts à 20 milliampères, ce qui se traduit par une consommation d'énergie de 0,07 watt.

La candela est le nombre de lumens par stéradian, également connu sous le nom de ‘puissance de la bougie lumineuse’. (En pratique, comme indiqué précédemment, la candela est l'unité métrique fondamentale, tandis que le lumen est défini en fonction de la candela). Par conséquent, le lumen est égal à la candela multipliée par l'angle solide couvert par le faisceau. Idéalement, la candela est égale au lumen divisé par l'angle solide couvert par le faisceau - en supposant que toute la lumière est contenue dans le faisceau et que la ‘puissance de la candela’ dans le faisceau est constante.

Vous pouvez vous demander ce qu'est la sphéricité. La sphéricité est égale à 1/(4π) de la sphère entière, ou 1/(2π) d'un hémisphère, soit environ 3283 ‘degrés carrés’. La formule pour calculer la sphéricité en fonction de l'angle du faisceau est la suivante : Sphéricité = 2 × π × (1 - cos(0,5 × angle du faisceau))

Par conséquent, si l'on calcule l'angle sphérique couvert par le faisceau et qu'on le multiplie par la valeur de la candela (ou 1/1000e de la valeur de la millicandela), on obtient approximativement le flux lumineux (en lumens) ! Toutefois, comme le faisceau n'est pas uniformément réparti et que toute la lumière n'est pas contenue dans le faisceau, ce calcul n'est qu'approximatif. Le calcul des lumens en fonction de l'angle du faisceau et de la candela peut facilement donner lieu à des erreurs allant de +100% à -50%. Pour les angles de faisceau de 8 degrés ou moins, le flux lumineux réel est généralement plus élevé que ce que prévoit cette formule, car le faisceau nominal ne tient pas compte des faisceaux secondaires ‘en halo’ qui entourent souvent le faisceau principal. Il convient également de noter que certaines valeurs d'angle de faisceau sont trop optimistes, ce qui peut conduire à des attentes exagérées concernant le flux lumineux réel reçu.

En résumé, les quatre unités optiques - lumen, lux, nit et candela - décrivent chacune les propriétés de la lumière selon des perspectives distinctes, formant collectivement les critères essentiels par lesquels nous comprenons et mesurons l'éclairage.

Les lumens se concentrent sur la quantité totale de lumière émise par une source lumineuse, quantifiant le flux lumineux pour indiquer la quantité de lumière qu'une source peut produire ; le lux, quant à lui, concerne le flux lumineux reçu par unité de surface par un objet éclairé, reflétant le degré d'éclairage d'un objet et révélant la luminosité d'une surface. Le nit, en tant qu'unité de luminance, s'applique aux sources surfaciques en combinant l'intensité lumineuse avec la surface d'émission. Il est couramment utilisé pour décrire la luminosité visuelle des surfaces lumineuses telles que les écrans. La candela, quant à elle, est la principale mesure de l'intensité lumineuse des sources ponctuelles. Elle caractérise la capacité d'une source lumineuse à concentrer la lumière dans une direction spécifique, révélant l'intensité de la lumière émise par la source elle-même.