La définition

La photométrie a pour objectif d’évaluer le rayonnement lumineux tel qu’il est perçu par la vision humaine et d’étudier la transmission de ce rayonnement d’un point de vue quantitatif. Les bases de la photométrie ont été rassemblées dans un livre publié en 1729 par Pierre Bouguer à qui la paternité du premier photomètre ainsi que la loi en carré inverse sont attribués, même s’il en existe des traces plus anciennes. Cette discipline a réellement commencé à se développer à partir du moment où le perfectionnement des appareils d’éclairage est devenu un enjeu économique et technologique suffisamment important pour qu’il devienne nécessaire de comparer convenablement leurs différentes performances.

Loi en carré inverse

La naissance de la Commission Internationale de la Photométrie (lors de l’exposition universelle de Paris en 1900) est une initiative de l’industrie du gaz pour tenter de résister au succès du développement de l’électricité. Elle fût pourtant remplacée en 1913 par la Commission Internationale de l’Éclairage (CIE) en incluant l’industrie de l’électricité. Au début de la photométrie, les valeurs dépendaient de l’appréciation de chaque opérateur qui les effectuait. Au XX^e siècle, des standards de perception visuelle humaine ont été établis permettant aux données photométriques d’être obtenues par calcul indépendamment de toute appréciation subjective d’un observateur. La CIE a énormément contribué au développement de la photométrie. Elle a procédé à la constitution de correspondances précises entre les mesures radiométriques et la perception visuelle, à la mise en place d’unités de grandeurs standardisées et au développement de protocoles de mesures.

La photométrie repose sur la radiométrie. Toutes les données photométriques sont issues de mesures radiométriques. La photométrie réalise des calculs en utilisant les mesures de l’énergie du rayonnement lumineux effectuée par radiométrie à l’aide d’un photorécepteur (capteur optique) et en utilisant les standards établis de la perception visuelle. Les quatre mesures radiométriques et leurs correspondances photométriques sont : l’intensité, le flux, la luminance et l’éclairement. Elles permettent de caractériser le pouvoir rayonnant d’une source ou d’une surface réceptrice. Le flux quantifie le débit lumineux, l’intensité quantifie son taux de concentration, l’éclairement quantifie sa densité surfacique et la luminance quantifie le taux de concentration lumineux perçu par l’œil. Les représentations mentales de ces valeurs ne sont pas toujours intuitives. En radiométrie, on parle de flux, d’intensité, de luminance et d’éclairement énergétique. En photométrie, on parle de flux, d’intensité, de luminance et d’éclairement lumineux.

La radiométrie mesure l’ensemble des ondes électromagnétiques (des rayons γ aux ondes radio) tandis que la photométrie n’étudie que la perception humaine des ondes permettant la perception visuelle.

Les quatre mesures radiométriques et leurs correspondances photométriques

^{Seule la candela est reconnue par le système international (SI) ; le lumen et le lux ne le sont pas.}

Les grandeurs photométriques

La grande famille des ondes électromagnétiques

Le flux lumineux

Le flux lumineux (exprimé en lumen) est devenu l’information photométrique la plus facilement disponible. Il nous permet d’évaluer la quantité de lumière d’une source ou d’un appareil d’éclairage. Le flux lumineux d’une source nous renseigne sur son pouvoir de rayonnement dans toutes les directions, indépendamment de l’utilisation qui peut en être faite : en effet, le flux lumineux d’une source lumineuse n’est pas identique au flux lumineux de l’appareil d’éclairage dans lequel elle est destinée à être utilisée. Le flux lumineux sortant de l’appareil d’éclairage (flux lumineux utile) est composé des seuls rayonnements focalisés et dépend donc de la qualité de conception et de réalisation de son système optique pour limiter les rayonnements perdus. Le rapport entre le flux lumineux utile et le flux lumineux nominal de la source se nomme le rendement lumineux ; c’est lui qui nous renseigne sur la qualité du système optique d’un appareil d’éclairage. Plus un appareil focalise la lumière plus son rendement lumineux est faible (plus le corps de l’appareil est long, plus la quantité de rayonnements perdus est importante) ; ainsi une Découpe courte aura un meilleur rendement lumineux qu’une Découpe longue et une cycliode aura un meilleur rendement lumineux qu’une Découpe. Du point de vue du flux lumineux, il est donc important de comparer des appareils de conception optique identique. Le flux, le rendement et l’efficacité lumineuse nous renseigne sur la qualité de conception et de réalisation d’un projecteur.

L'éclairement lumineux

Les valeurs d’éclairement lumineux (Lux) fournissent des renseignements importants pour connaitre la quantité de lumière reçue par une surface dans des conditions précises. Pour que ces données soient fiables et utilisables, il faut relever avec précision la valeur d’ouverture du faisceau (angle solide du cône de lumière) ainsi que la distance entre la surface réceptrice et la source de lumière. Il faut aussi être vigilant aux conditions de mesures : selon les fabricants, la mesure de l’éclairement peut s’effectuer uniquement dans l’axe optique du faisceau ou par la moyenne de l’éclairement reçu par la totalité de la surface ; les chiffres peuvent alors être très différents pour un même niveau d’énergie lumineuse considéré.

Relation entre lux et lumen

L'intensité lumineuse

L'intensité lumineuse (Candela) nous renseigne sur la concentration d’énergie lumineuse. La concentration d’énergie lumineuse d’un projecteur est beaucoup plus importante lorsque que le faisceau est « fermé » que lorsque celui-ci est « ouvert », alors que le flux lumineux reste lui quasiment constant (en dehors des pertes optiques qui peuvent être plus ou moins importantes) lors de cette variation de focale. Pour représenter ce mécanisme, il est possible de faire une analogie avec le débit de l’eau dans un tuyau : à débit identique, il y a beaucoup plus de pression dans un tuyau de petit diamètre que dans un tuyau de gros diamètre. Comme l’éclairement, l’intensité peut être mesurée dans l’axe optique (valeur très ponctuelle) où être rapportée à l’angle solide du faisceau (valeur moyenne) ; selon ces différentes conditions les chiffres peuvent alors être très différents et à l’origine de certaines confusions.
L’intensité stérangulaire (Mean Spherical candelpower) donne une indication de puissance relative (mesure rapportée à l’angle solide) ; elle varie considérablement selon l’ouverture du zoom d’un projecteur (dans un rapport de 3 à 4) et renseigne sur la qualité de son système optique. L’intensité mesurée dans l’axe optique du faisceau (Center Beam Candlepower) fournit une valeur maximale et renseigne sur la capacité de concentration d’un système optique. Pour un même flux lumineux, l’intensité varie selon les qualités du système optique utilisé et selon le réglage des lentilles.

Dispersion angulaire d'un projecteur Lustr3 avec objectif XDLT 36° ou 50°

La luminance

La luminance quantifie la perception humaine de la luminosité, lorsque l’œil de l’observateur se tourne en direction de la source. Il s’agit du flux lumineux provenant d’une surface éclairée et orientée vers l’œil. La luminance (cd.m²) est liée à la surface d’émission ou de réémission (lumière réfléchie) ; cette surface peut être celle de la source elle-même, d’une lentille, d’un filtre dépoli, d’un cyclorama, d’un écran à LEDs, d’un ciel bleu ou gris, etc… La luminance permet de nous renseigner sur le niveau d’éblouissement. La luminance d’une LED nue (en dehors de tout système optique, ou de collimateur) est très élevée (de l’ordre de 30 000 000 cd/m²) car la surface émettrice est très petite par rapport à l’intensité lumineuse délivrée. Cet effet est atténué lorsque l’on considère l’ensemble du système à l’intérieur duquel la source LED est intégrée (collimateur + système optique). Toutefois, la luminance d’un projecteur LED reste plus élevée que celle d’un projecteur incandescent et peut se révéler gênante pour un artiste qui aurait à regarder dans sa direction. Cette sensation peut être atténuée par l’ajout d’un filtre dépoli ; certains fabricants intègrent d’ailleurs cet élément à leurs appareils.

Luminance des sources de lumière artificielles

Les performances photométriques

Aucune valeur photométrique ne suffit à elle seule à décrire les caractéristiques lumineuses d’un appareil d’éclairage. Chacune d’entre elles nous renseigne sur une caractéristique particulière. Les performances photométriques sont largement mises en avant par les fabricants d’appareils d’éclairage et constituent un des fondements de leur argumentation commerciale ; elles sont parfois présentées dans des conditions pouvant présenter les meilleurs résultats ; pour les interpréter correctement il faut être vigilant à bien identifier le contexte dans lequel sont effectuées les mesures. Les données photométriques sont généralement disponibles sur les sites internet des fabricants au format de fichier .ies. Ils sont lisibles par le logiciel gratuit IES Viewer.

Les données photométriques permettent aussi aux utilisateurs de pouvoir évaluer les performances des différents appareils selon des critères et des caractéristiques comparables ; aujourd’hui ces données sont essentielles lorsqu’il s’agit de devoir confronter les performances des nombreux nouveaux projecteurs LED entre eux et aussi de les comparer avec les projecteurs à incandescence. Cette comparaison doit s’effectuer entre éléments rigoureusement comparables, c’est-à-dire mesurables et objectivables (flux, intensité, éclairement, température de couleur corrélée, etc) ; elle ne peut pas s’effectuer selon des caractères subjectifs auxquels est associé le vocabulaire usuel : « grain », « dureté », « douceur », « chaleur », « couleur criarde ou baveuse », etc. Ces appréciations d’ordre esthétique peuvent bien sûr être débattues mais ne sont pas objectivables et ne relèvent pas du champ de la photométrie.

Même pour les plus grands experts en physique quantique, la lumière conserve une part de mystère ; Cette part de mystère ainsi que la difficulté à se représenter le phénomène lumineux, alimentent et justifient certains jugements et certaines croyances. Elles permettent à certaines interprétations subjectives de se répandre et de s’affirmer comme des vérités.