Nous utilisons le mot “lumineux” tous les jours, mais pour les ingénieurs en optique, cette expression pourrait déclencher une “guerre des concepts”. Faites-vous référence à l'éblouissement de la lampe elle-même ou à la clarté avec laquelle elle éclaire le plateau de la table ? Derrière cela se cache tout un système de “métrologie” décrivant précisément comment la lumière est générée, transmise et reçue. Aujourd'hui, nous allons décortiquer ces concepts fondamentaux comme des briques : flux lumineux, intensité lumineuse, éclairement, luminance, angle solide et angle solide projeté. Une fois ces notions maîtrisées, vous maîtriserez vraiment la lumière.
Imaginez un tuyau d'eau. Le flux lumineux (Φ, mesuré en lumens lm) est le volume total d'eau s'écoulant du tuyau par unité de temps. Il décrit la somme de toute l'énergie lumineuse visible émise par une source lumineuse - un concept de “rendement total emballé”. Une ampoule à incandescence de 100 watts produit environ 1 300 lumens - son “rendement lumineux” total. Mais le rendement total ne suffit pas : la lumière se propage dans toutes les directions. Cela nous amène au deuxième concept clé : l'angle solide.
Si un angle plan correspond à la découpe d'une part de pizza, un angle solide (Ω, mesuré en stéradians sr) correspond à la découpe d'une “part de pizza tridimensionnelle” au centre d'une sphère. Une sphère complète a un angle solide de 4π stéradians. Imaginez que vos yeux soient le centre d'une sphère ; toutes les directions que vous pouvez voir forment un “espace visuel” complet. Toute zone partielle de cet espace, comme la portée limitée par un abat-jour, représente un angle solide inférieur à 4π. Les angles solides mesurent l'ampleur de la divergence de la lumière dans l'espace.
Nous combinons maintenant les concepts de flux lumineux et d'angle solide. Si le flux lumineux est comprimé et émis dans un angle solide spécifique, sa “densité” augmente. L'intensité lumineuse (I, unité : candela cd) est précisément la grandeur physique décrivant ce degré de concentration : I = Φ / Ω, c'est-à-dire le flux lumineux émis par une source lumineuse à l'intérieur d'un angle solide unitaire dans une direction spécifique.
Un pointeur laser, malgré son faible flux lumineux total (Φ), émet toute la lumière dans un angle solide extrêmement petit (Ω). Il en résulte une intensité lumineuse (I) extrêmement élevée dans cette direction, ce qui la rend très éblouissante. Une bougie, en revanche, émet un flux lumineux important dans toutes les directions. Cependant, en raison de son grand angle solide, son intensité lumineuse n'est pas élevée.
L'éclairement (E, mesuré en lux lx) décrit la quantité de flux lumineux reçu par unité de surface éclairée : E = Φ / A. Il répond à la question “Quelle est la luminosité de cette table ?” en fonction de la source lumineuse et de la distance. C'est pourquoi la lecture sous un lampadaire est plus claire qu'au clair de lune : bien que la lune (qui reflète la lumière du soleil) ait un flux lumineux total énorme, sa distance est si grande que la “densité de flux lumineux” (c'est-à-dire l'éclairement) qui atteint la page du livre est négligeable.
C'est le concept le plus facilement confus, mais c'est pourtant le véritable paramètre “roi”.
La luminance (L, mesurée en nits ou cd/m²) représente la luminosité perçue d'une source lumineuse dans une direction spécifique, telle qu'elle est perçue par l'œil humain (ou un détecteur). Sa définition synthétise tous les concepts précédents : L = I / (A - cosθ). Ici, I est l'intensité lumineuse dans cette direction, A est la surface d'émission lumineuse de la source, et θ est l'angle entre la direction d'observation et la normale.
La luminance décrit le flux lumineux par unité de surface de la source lumineuse dans une unité d'angle solide. Il s'agit d'une propriété intrinsèque indépendante de la distance. Par exemple, un réverbère a une intensité lumineuse (I) et un flux lumineux total (Φ) bien supérieurs à ceux d'un écran de smartphone, mais sa surface (A) est plus grande et sa lumière diverge dans toutes les directions (grand angle solide Ω). En revanche, l'écran d'un smartphone concentre son flux lumineux sur une petite surface et dans un angle solide étroit. Les calculs montrent que la luminance de l'écran (L ≈ I/A) peut facilement dépasser 1000 nits, ce qui est bien supérieur à la luminance de la surface d'un vieux lampadaire. C'est pourquoi le fait de regarder directement l'écran d'un smartphone donne l'impression d'être plus éblouissant.
Dans la définition de la luminance, le terme de surface est A - cosθ, représentant la surface projetée. Pourquoi projeter ? Parce que lorsque la direction d'observation est inclinée, la surface lumineuse effective que vous percevez se réduit. Cela introduit naturellement le concept d'angle solide projeté.
Lors du calcul de l'éclairement sur une surface éclairée, l'angle solide entre la source lumineuse et la surface doit également tenir compte de ce facteur d'inclinaison, l'angle solide projeté. Il comble le fossé entre la luminance de la source lumineuse et l'éclairement de la surface, servant d'outil de base pour des calculs plus précis dans le traçage des rayons et la radiométrie.
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