Le lumen, une perspective humaine

Une caractéristique importante des luminaires est le flux lumineux, exprimé en lumens. Mais qu'est-ce que le lumen ? Dans un article précédent, nous avons comparé le flux lumineux d'une lampe à l'écoulement de l'eau d'un robinet et, dans cette analogie très simple, le lumen correspondait alors au débit. Ouvrir ou fermer davantage le robinet revenait à réduire l'intensité lumineuse de la lampe ou à l'augmenter. Dans cet article, nous expliquons cette analogie de manière un peu plus scientifique et nous l'associons à la sensibilité de l'œil.

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La lumière visible et le spectre électromagnétique

La lumière est un rayonnement : des ondes électromagnétiques contenant une certaine quantité d'énergie. Cependant, la lumière visible n'est qu'une petite partie du spectre électromagnétique, située entre les ondes courtes (haute fréquence) telles que les rayons X et le rayonnement UV, d'une part, et les ondes plus longues (basse fréquence) telles que les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio, d'autre part.

Pour déterminer la quantité de lumière émise par une lampe, il faut donc mesurer la quantité d'énergie émise dans la partie visible.

L'œil humain délicat

Ici, la sensibilité de l'œil humain est également importante. Nos yeux détectent la lumière et la couleur grâce aux cônes : ce sont des cellules sensibles à la lumière situées sur la rétine, au fond de l'œil. Il existe 3 types de cônes, chacun sensible à une couleur de lumière différente. La réponse des cônes (et leur interprétation dans notre cerveau) donne la vision photopique, qui fonctionne à un bon niveau d'éclairement, par exemple pendant la journée.

En cas de faible luminosité, notre vision est possible grâce aux bâtonnets, qui se trouvent également sur notre rétine. Les bâtonnets ne distinguent pas les couleurs. Il s'agit de la vision scotopique, qui nous permet de voir lorsque l'éclairage est faible, par exemple la nuit. Les couleurs ne sont pas perçues par la vision scotopique.

La définition du lumen

La CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) a défini une fonction officielle de sensibilité de l'œil photopique.
 

 
Cette courbe montre que l'œil humain est le plus sensible dans la partie verte du spectre. La sensibilité maximale se situe sur les ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde de 555 nm (nanomètres, un millionième de millimètre).

La définition des lumens est directement liée à cela : par définition, un faisceau lumineux monochromatique vert d'une longueur d'onde de 555 nm a une efficacité de 683 lumens/Watt.

C'est la constante Kcd : 683 lm/W. C'est l'une des sept constantes utilisées dans le système métrique pour décrire notre univers. La particularité de cette constante est qu'elle est la seule directement liée à l'homme et à sa perception du monde.

L'unité lumen est donc définie comme la puissance émise par une source lumineuse multipliée par la fonction de sensibilité de l'œil photopique.

Pourquoi 683 lumens/Watt ?

« Un faisceau lumineux monochromatique vert d'une longueur d'onde de 555 nm et d'une puissance de 1 watt a, par définition, un flux lumineux de 683 lumens. Cette valeur définie arbitrairement est le résultat de méthodes historiques antérieures visant à imposer une valeur normalisée pour le flux lumineux.

Les toutes premières méthodes d'étalonnage visant à caractériser la luminosité d'une source lumineuse utilisaient des bougies normalisées d'un certain poids et d'un certain matériau.

Pour être plus précis, depuis 1933, le flux lumineux est calibré à l'aide d'un émetteur noir avec du platine solidifié (à une température de 1773°C). Puis, comme ce n'était pas très pratique, et grâce aux progrès de la radiométrie, la définition actuelle a été adoptée en 1979. La valeur de 683 lm/W a été choisie pour que les valeurs mesurées qui en résultent correspondent à l'ancienne définition.

La lumière la plus efficace

La conséquence de cette définition des lumens, en utilisant cette courbe, est que la lumière verte est la lumière la plus efficace. Si nous émettons la même quantité d'énergie en lumière rouge, le flux lumineux est deux fois moins important, car l'œil y est deux fois moins sensible.

Il en va de même pour la lumière bleue. Une variante du luminaire E2-ATEX d'ETAP, qui émet de la lumière bleue, en est un exemple pratique. Ce luminaire éclaire les emplacements des douches oculaires dans l'industrie chimique avec une lumière bleue très visible. 

Avec une consommation de 44 watts, ce luminaire émet un flux lumineux bleu de 1100 lumens, soit une efficacité de 25 lm/W. Ce chiffre peut sembler faible mais s'explique par le fait que le luminaire E2-ATEX n'émet que de la lumière bleue (longueur d'onde comprise entre 450 et 465 nm) comme le montre la courbe.

Ainsi, la lampe la plus performante que l'on puisse théoriquement construire n'émettrait que de la lumière verte monochromatique à 555 nm et aurait un rendement maximal de 683 lm/W. Dès que l'on émet de la lumière dans un spectre plus large, l'efficacité diminue automatiquement. Cela explique également pourquoi les appareils ayant une valeur IRC plus élevée doivent souvent sacrifier un peu de lumen/Watt. Ils diffusent la lumière sur un spectre légèrement plus large.

Nous voyons la lumière

La lumière est plus qu'un simple phénomène physique, c'est un symbole de connaissance, d'espoir et de vie. La lumière du soleil est la source de toute vie sur terre et nous permet de percevoir le monde qui nous entoure. Le lumen, l'unité qui mesure le flux lumineux, est un pont entre le monde abstrait des ondes électromagnétiques et notre expérience sensorielle. De toutes les unités scientifiques (telles que le kilogramme, la seconde, le mètre, etc.), le lumen est donc notre préférée, car sa définition est directement liée à la façon dont les gens perçoivent le monde et l'univers.