Glossaire

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  Curieux  

Les rayonnements électromagnétiques peuvent être considérés comme des oscillations suivant lesquelles se propage une certaine catégorie d'énergie, qui est l' énergie de rayonnement : comme toute forme d'oscillation, ces rayonnements ont donc une fréquence f (c'est le nombre d'oscillations par unité de temps, mesuré par exemple en hertz) et une vitesse de propagation qui dépend du milieu dans lequel se propage le rayonnement ; la plus grande valeur possible de cette vitesse est atteinte lorsque ce milieu est le vide, et elle est alors égale à la vitesse de la lumière c quelle que soit la fréquence du rayonnement. On peut ainsi caractériser un rayonnement électromagnétique par sa fréquence f ou tout aussi bien par sa longueur d'onde dans le vide λ , égale à c / f et mesurable par exemple en millionièmes de mètres ou micromètres (abr. : µm). Dans ces conditions, dire que des rayonnements électromagnétiques sont visibles, c'est dire qu'ils produisent sur les cellules rétiniennes de l'œil humain un effet qui les rend perceptibles grâce à l'exercice du sens de la vision : or, cette propriété à la fois psychologique et physiologique équivaut au constat d'une propriété physique, selon lequel leur longueur d'onde (dans le vide) λ est comprise, à l'intérieur du spectre lumineux, entre 0,38 ou 0,39 µm environ — pour les rayons les plus énergétiques — et 0,76 à 0,78 µm environ — pour les rayons les moins énergétiques ; dans cet intervalle, qui s'étend donc en gros de 0,4 à 0,8 µm, un rayonnement visible transportera d'autant plus d'énergie que la longueur d'onde λ qui lui correspond est plus petite, ou que sa fréquence f est plus grande.

Dans ce domaine de la lumière visible, la sensation de couleur inhérente à la perception d'un rayonnement monochromatique est liée à la valeur de la longueur d'onde de ce rayonnement. Cette sensation, de même que les valeurs des limites du domaine visible, peut varier d'une personne à l'autre, et deux personnes différentes n'identifieront pas forcément, en association à une longueur d'onde et un flux énergétique donnés, une nuance commune de couleur, ni même une couleur commune. Néanmoins, l'œil réagit de façon suffisamment similaire, chez la grande majorité des observateurs humains, pour que l'on puisse décrire le spectre continu du rayonnement visible à travers un modèle de référence universel, qui s'inspire des couleurs de l' arc-en-ciel pour peindre le spectre d'un faisceau de lumière blanche, c'est-à-dire composé de rayons dont les fréquences, comme pour le Soleil , sont réparties à peu près uniformément dans le domaine visible ; 6 couleurs s'y succèdent en dégradé lorsqu'on diminue la longueur d'onde de 0,8 à 0,4 µm : le rouge, l'orangé, le jaune, le vert, le bleu et le violet (l'indigo, étant intermédiaire entre bleu et violet, ne s'emploie plus guère en optique comme couleur de référence du spectre). En deçà de 0,4 µm environ commence le domaine du rayonnement ultraviolet , plus énergétique que le rayonnement visible ; ce dernier, au contraire, est plus énergétique que le rayonnement infrarouge , dont le domaine débute aux environs de 0,8 µm.

Pour un observateur ou un instrument de télédétection , la couleur d'une source lumineuse telle qu'un objet matériel ou un milieu est celle associée au faisceau de rayonnement visible qui, issu de cette source, parvient à la cible que constituent les yeux de l'observateur ou le capteur de l'instrument (si ce faisceau est quasiment inexistant, la source apparaît noire). Or, pareil faisceau regroupe non seulement le rayonnement thermique émis par la source, mais aussi les rayonnements transmis à travers elle ainsi que ceux qu'elle renvoie vers l'extérieur (en une proportion qu'exprime la valeur de l' albédo ) par réflexion spéculaire ou diffusion : les couleurs composées observables dans l' atmosphère , sur les nuages et sur la surface terrestre expriment ainsi les synthèses locales de bilans radiatifs complexes et fréquemment évolutifs.


  Initié  

Du flux de rayonnement au flux lumineux

Les définitions des notions optiques présentées dans l'article flux de rayonnement accordent une signification objective, indépendante de tout effet pouvant ou non s'ensuivre sur la vision, à la répartition physique des longueurs d'onde (dans le vide) comprises dans un domaine arbitraire D s'étendant par exemple entre deux valeurs données λ1 et λ2 . Cependant, faire appel à ces notions dans le contexte de l'observation visuelle — dont le champ s'associe au domaine de longueurs d'onde allant de la limite du violet ( λ1 voisin de 0,38 µm) à celle du rouge ( λ2 voisin de 0,78 µm) — n'a d'utilité que si l'on tient compte des réactions subjectives, non uniformes, de la vision aux différentes composantes du flux de rayonnement, puisque l'œil humain, quand il en perçoit deux composantes de même puissance, prend néanmoins celles-ci en compte avec une sensibilité différente suivant leurs longueurs d'onde respectives.

Bien que cette sensibilité soit changeante d'une personne à l'autre, il est possible de la décrire par un modèle universel d'"observateur moyen" dont elle s'écarte généralement peu. Selon ce modèle, la contribution du créneau de longueurs d'onde élémentaire allant de λ à λ + , où est très petit, correspond à une proportion variable de la composante du flux de rayonnement comprise entre λ et λ + : l'expérimentation montre que dans les conditions de la vision diurne, cette proportion est maximale pour la valeur λ0 de λ égale à 0,555 µm (correspondant à une fréquence de 540.10 12 Hz et à une couleur verte tirant sur le jaune), et si l'on pose par convention qu'elle est alors égale à 1, on peut en déduire dans ces conditions pour chaque rayonnement monochromatique de longueur d'onde λ , dans le domaine visible, la valeur de cette proportion ou "efficacité lumineuse relative spectrale" V ( λ ), nombre sans dimension qui diminue de 1 à 0 de part et d'autre de λ0 jusqu'aux limites de ce domaine.

Supposons ainsi que le flux étudié transporte, dans le créneau de λ à λ + , un rayonnement d'une puissance égale à E ( λ ) (le terme E ( λ) est mesurable en W.µm - 1 ) : l'œil perçoit ce flux comme si la puissance du rayonnement qui lui parvient était égale à K E ( λ ) V ( λ ) , où K est un certain coefficient de proportionnalité. Dans le cas de la lumière diurne, où l'on peut prendre un flux tel que E ( λ ) = E 0 constant quel que soit λ, les sommations respectives des deux expressions précédentes    ( E0 et E 0 K V ( λ ) ) pour toutes les valeurs de λ allant de λ1 à λ2 doivent être égales — il s'agit du même flux de lumière blanche — , et V ( λ ) étant connue pour l'ensemble du domaine visible, on calcule que K est obligatoirement égal à 683. Un " flux lumineux " de rayonnement monochromatique de fréquence 540.10 12 Hz produit donc sur l'œil de l'observateur moyen, avec une puissance de 1 W, la même sensation — à la couleur près — qu'un " flux énergétique " de lumière solaire diurne ayant pour puissance 1 / 683 W : c'est ce flux lumineux particulier qui pourra être adopté comme unité de flux lumineux, unité que l'on nomme le lumen (abr. : lm ) ; du fait qu'un flux lumineux de 683 lm est comparé à un flux de rayonnement de 1 W, le coefficient K est à considérer comme mesurable en lm.W - 1 .

Les valeurs de V ( λ ), λ 0 et K évolueraient si l'on passait à la vision crépusculaire et surtout à la vision nocturne, où les couleurs, en outre, ne se distinguent plus (alors, V ( λ ) est décalée vers les courtes longueurs d'onde, λ 0 égale 507 µm dans le bleu-vert et K est de l'ordre de 1 700) ; mais les valeurs de ces données associées à la vision diurne servent bien sûr de référence à la reconstitution instrumentale d'intensités et de couleurs, entre autres pour les images satellite .


Les principales unités de la photométrie

Partant de l'équivalence constatée plus haut chez l'"observateur moyen" entre sensibilités visuelles à un flux lumineux monochromatique et à un flux de rayonnement diurne, la photométrie module chaque notion de radiométrie rattachée aux flux de rayonnement en lui associant une notion analogue, mais qui de plus prend en compte les caractéristiques psychophysiologiques de la vision diurne ; les grandeurs photométriques sont ainsi des grandeurs radiométriques sur le domaine de longueurs d'onde visible, mais pondérées, sur chaque créneau de λ à λ + , par le nombre K V ( λ ) , ce qui substitue au flux énergétique, à l' éclairement énergétique , à l' exitance énergétique , à la luminance énergétique et à l' intensité énergétique les quantités que l'on appelle respectivement le flux lumineux, l'éclairement lumineux, l'exitance lumineuse, la luminance lumineuse et l'intensité lumineuse.

L'unité de flux lumineux, qui vient d'être présentée et qui correspond au watt, est le lumen. L' éclairement lumineux se mesure en lumens par mètre carré (abr. : lm.m - 2 ) : si un point M de l'espace est au centre d'une surface (S) d'aire S mètres carrés, qui reçoit, transmet ou émet un flux lumineux de F lumens, l'éclairement lumineux E de M résultant de ce flux est égal à F / S lm.m - 2 . Lorsque la surface (S) est considérée comme une source qui émet de la lumière, E est préférentiellement appelée l' exitance lumineuse en M ; lorsque cette surface est considérée au contraire comme une cible qui reçoit de la lumière, les lumens par mètre carré sont préférentiellement appelés des lux (abr. : lx ).

Considérons ensuite une demi-droite D issue de M, faisant un angle θ avec la perpendiculaire en M à un élément (dS) de la surface (S) centré en M et d'aire dS (la perpendiculaire est orientée du même côté de (S) que D) : si dF D est, en lumens, le flux lumineux reçu, transmis ou émis par (S) dans un cône élémentaire de sommet M, d'axe D et d' angle solide  stéradians , alors la luminance lumineuse B D en M suivant la direction D est telle que dF D = B D cos θ dS dΩ  et se mesure en lumens par mètre carré par stéradian (abr. : lm. m - 2 . sr - 1 ou, pour une surface cible, lx.sr - 1 ).

Enfin, si une source ponctuelle émet en M dans la direction de la demi-droite D, à l'intérieur du cône élémentaire de sommet M, d'axe D et d'angle solide stéradians, un flux égal à dE D lumens, alors l' intensité lumineuse C D de cette source suivant la direction D est telle que dE D = C D et se mesure en lumens par stéradian, appelés des candelas (abr. : cd ) ; de ce fait, la luminance lumineuse d'une source lumineuse se mesure aussi bien en cd.m - 2 .

De toutes ces grandeurs, c'est l'intensité lumineuse qui se plie le mieux à la précision de l'expérience : les définitions officielles de leurs unités partent donc de la détermination de la candela en tant qu'"intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540.10 12 hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1 / 683 watt par stéradian", après quoi le lumen peut être caractérisé comme le "flux lumineux émis dans un angle solide de 1 stéradian par une source ponctuelle uniforme située au sommet de l'angle solide et ayant une intensité lumineuse de 1 candela" ; pour finir, le lux est l'"éclairement lumineux d'une surface qui reçoit, d'une manière uniformément répartie, un flux lumineux de 1 lumen par mètre carré".