Le bon indicateur

Le Watt a longtemps tenu le rôle d’indicateur de quantité de lumière d’une source, ce qui constituait une erreur : le Watt nous renseigne sur l’énergie consommée, c’est-à-dire l’énergie transformée en lumière à laquelle s’ajoute l’énergie perdue sous forme de chaleur. Or, la quantité d’énergie perdue est largement supérieure lorsqu’il s’agit d’une lampe halogène que lorsqu’il s’agit d’une LED. Dès lors qu’une lampe de 10W peut produire le même flux lumineux qu’une lampe de 100W, il devient évident que le Watt n’est pas approprié pour indiquer la quantité de lumière. Avec l’utilisation de la LED, l’usage du Lumen et donc du flux lumineux, s’est légitimement imposé pour représenter la quantité de lumière d’une source.

Le rapport Lumen/Watt

L’efficacité lumineuse (en Lumen/Watt) est le rapport entre le flux lumineux utile et l’énergie consommée : autrement dit, il s’agit du rapport entre la quantité de lumière obtenue et l’énergie consommée pour l’obtenir. L’efficacité lumineuse nominale d’une source d’éclairage n’est pas identique à l’efficacité lumineuse utile de l’appareil d’éclairage dans lequel elle est destinée à être utilisée : un projecteur équipé de LEDs ayant une efficacité nominale de 140 lm/W n’aura malheureusement pas une efficacité utile de 140 lm/W ; la qualité de ce rendement (efficacité nominale/ efficacité utile) dépend des performances du système optique du projecteur.

L’efficacité lumineuse d’un système LED dépend de trois paramètres : la teinte, le courant d’alimentation et la température d’utilisation. La teinte est intrinsèque à la LED et dépend de sa propre constitution ; le courant d’alimentation et la température d’utilisation sont extrinsèques à la LED et sont liés à son intégration dans un système. Ainsi, certains projecteurs peuvent afficher une efficacité lumineuse qui peut sembler médiocre au regard de celles des LEDs qui le composent.

La LED est aujourd’hui la source de lumière qui offre la meilleure efficacité lumineuse tout en proposant une bonne qualité de lumière. En laboratoire, son efficacité lumineuse atteint les 300 lm/W. Sur le terrain, la LED blanche peut atteindre les 230 lm/W et devrait atteindre 250 lm/W dans 10 ans (en 2032). Il est théoriquement possible d’atteindre 360 lm/W dans l’hypothèse improbable d’un rendement énergétique de 100% (c’est-à-dire, où 100% de la puissance électrique (W) consommée est transformée en rayonnement lumineux). Il sera certainement possible d’atteindre 336 lm/W en 2050 en additionnant plusieurs LEDs colorées pour obtenir une lumière « blanche ».

La perception visuelle

L’être humain pense intuitivement voir la lumière : par exemple, lorsqu’un faisceau lumineux traverse une fenêtre et dessine une forme géométrique sur le sol de la pièce, ou dans la forêt, lorsque le vent joue avec le feuillage qui filtre la lumière en découpant une multitude de rayons dynamiques, ou encore sur scène, lorsque le faisceau d’un projecteur se matérialise dans une ambiance de brume artificielle. Pourtant, du point de vue de la physique, le système visuel ne permet pas de voir la lumière. En réalité, il perçoit le rayonnement de la matière. La lumière en tant qu’onde électromagnétique, n’est pas visible, mais permet de « voir ». Toute la matière environnante rayonne, le plus souvent en réfléchissant les rayonnements d’une source de lumière, tel que le soleil ; ce sont ces rayonnements qui parviennent jusqu’au système visuel et permettent au cerveau de synthétiser une image de son environnement.

La lumière blanche

La lumière du jour et celle de la plupart des sources d’éclairage artificiel est généralement perçue comme « blanche ». En fait, le système visuel synthétise mentalement cette lumière blanche à partir d’un « agrégat désordonné de rayons de toutes sortes de couleurs émis par les diverses parties des corps lumineux » (Isaac Newton). Le système visuel interprète la gamme des rayonnements auxquels il est sensible (rayonnements compris entre 380 et 780 nm) comme une variation chromatique couvrant la palette des couleurs de l’arc-en-ciel (du violet au rouge). Pourtant, il parvient à interpréter cette lumière richement colorée comme étant une lumière blanche ; Les différentes sources lumineuses utilisées dans le spectacle (halogène, iodures, fluo, LED…) produisent chacune une composition de rayonnements chromatiques différentes qui est interprétée comme « blanche » par le système de perception visuelle.

Les travaux de James C. Maxwell au XIX^e siècle, puis ceux de la CIE, ont établi que toutes les couleurs du spectre visible pouvaient être produites à partir de trois couleurs primaires (réelles ou fictives) à condition que leurs longueurs d’ondes soient suffisamment éloignées les unes des autres et que leur mélange en proportions égales produise une lumière « blanche » (blanc équi-énergétique). En réalité, à partir d’un mélange de seulement deux longueurs d’ondes complémentaires (espacées d’environ 100 à 110 nm) le système visuel est capable de percevoir une lumière « blanche ». En somme, si le système visuel parvient à interpréter une lumière richement colorée comme étant une lumière « blanche », il est aussi capable de le faire à partir d’une lumière pauvre en rayonnements colorés.

Spectre de la lumière visible

Les valeurs tristimulus

L’évaluation de la perception visuelle de la lumière est rendue complexe par certaines caractéristiques de l’appareil visuel humain : celui-ci possède plusieurs types de cellules photosensibles (les cônes et les bâtonnets) qui n’ont pas toutes le même seuil de réactivité et permettent d’adapter la vision à différents niveaux d’éclairements (nuit, jour, pénombre…). La CIE a déterminé trois niveaux d’énergie lumineuse : scotopique (nocturne), photopique (diurne) et mésopique (crépuscule). Les bâtonnets ont un seuil de détection très faible mais ne permettent pas de bien différencier les couleurs (ils assurent la vision nocturne) tandis que les cônes ont un seuil de détection beaucoup plus élevé et permettent de très bien distinguer les couleurs (ils assurent la vision diurne). Il existe trois types de cônes (L, M, et S) ; leurs sensibilités respectives ne couvrent pas complètement certaines zones du spectre visible, pourtant la superposition des trois courbes de sensibilité permet au système visuel d’en percevoir l’ensemble. Les valeurs de sensibilité aux rayonnements lumineux des trois types de cônes sont appelées valeurs tristimulus.

• Sensibilité optimale des cônes L : 560 nm (vert/jaune)
• Sensibilité optimale des cônes M : 530 nm (vert)
• Sensibilité optimale des cônes S : 420 nm (violet)

Sensibilité des cônes

La courbe d'efficacité lumineuse spectrale

Les photorécepteurs de l’œil sont sensibles aux rayonnements compris entre 380 et 780 nm mais la plupart des individus ne perçoivent que les rayonnements compris entre 400 et 700 nm. Par ailleurs, du fait de la disparité de répartition et de quantité des différents types de cônes à l’intérieur de la rétine, il apparaît que la perception visuelle humaine dépend essentiellement des rayonnements verts (un peu des rouges et très peu des bleus). La réactivité des cônes est maximale pour les longueurs d’onde d’environ 555 nm (vert citron) tandis que celle des bâtonnets l’est pour celles d’environ 507 nm (vert). La CIE a ainsi pu établir une courbe d’efficacité lumineuse qui illustre la réactivité de l’œil en fonction de la longueur d’onde et constitue le standard du rendement énergétique de l’œil sur lequel se base la photométrie.

Courbe d'efficacité lumineuse spectrale

Le métamérisme

L’œil est un photorécepteur médiocre : les cellules photosensibles de la rétine sont beaucoup moins performantes que celles des capteurs photographiques (CCD ou CMOS). Le système visuel humain est capable d’une diversité de perception insignifiante au regard de la diversité de compositions chromatiques lumineuses possibles. La vision humaine peut percevoir de façon identique, certains spectres de compositions chromatiques pourtant différentes : ces deux perceptions identiques de spectres différents sont appelées des métamères. Il s’agit de deux stimuli différents qui donnent la même impression de couleur ; ils sont physiquement différents mais apparaissent identiques du point de vue de la perception.

Ce phénomène est connu des professionnels de l’éclairage de scène de façon empirique : deux surfaces éclairées d’une certaine façon peuvent paraître de couleur identique, tandis qu’elles peuvent paraître de couleurs différentes sous un autre éclairage. Ce principe peut être mis à profit pour des effets scéniques : par exemple, un motif peut apparaître sur une surface qui paraissait unie sous un autre éclairage. A l’inverse, deux faisceaux lumineux perçus par l’œil comme étant de teinte identique peuvent donner des résultats différents sur le décor, les costumes ou la peau. Cette particularité du métamérisme peut d’autant mieux être exploitée avec des projecteurs LEDs multicolores puisqu’il est possible de faire varier leur composition chromatique : il est ainsi possible de changer la perception colorée d’un décor ou d’un costume sans changer la perception colorée du faisceau de lumière. (Voir aussi : Gérer les métamères)

Ellipses de Mac Adam