NOTIONS D'OPTIQUE

POUR LES ASTRONOMES AMATEURS

Mesure des quantités de lumière

On distingue deux domaines :

- La radiométrie (ou photométrie énergétique) : pour exprimer l'énergie rayonnée indépendamment de notre physiologie.
- La photométrie (ou photométrie visuelle) : pour exprimer l'énergie rayonnée telle qu'elle est perçue par l'œil humain dont la sensibilité est limitée à un petit domaine spectral.

Il s'agit juste de quelques définitions.

La Radiométrie

Le flux énergétique P est la puissance émise, transportée ou reçue sous forme de rayonnement. Son unité de mesure est le watt (W).

L'intensité énergétique définit le flux énergétique dP limité à l'angle solide dΩ qui est centré sur la direction étudiée.
Elle se mesure en watt par stéradian (W.sr^-1 ou W/sr).

Figure 1 : L'intensité énergétique

L'éclairement énergétique définit la puissance de rayonnement reçue par une surface dS. Il se mesure en watts/m² (W/m²) :

Rappel : La lettre grecque π (lire "pi") désigne le nombre 3,14159…

Arrivé sur la Terre, ce flux est responsable d'un éclairement énergétique E. En considérant que la Terre évolue à 149,6 million km du Soleil, nous obtenons :

ou si vous préférez : E = 1367 watts par mètre carré.

Sur une autre page, je vous propose de calculer la perte de masse du Soleil causée par son seul rayonnement électromagnétique.

La Photométrie

Les grandeurs photométriques sont adaptées à la sensibilité spectrale de l'œil humain. Pour les concevoir, il fallait considérer un "œil moyen". Celui-ci est défini par la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE). La courbe de la figure 2 est tracée à partir des valeurs indiquées par la CIE, elle montre l'efficacité de l'œil humain pour les différentes longueurs d'onde de la lumière visible. Pour la définition des unités photométriques, on considère la sensibilité de l'œil pendant la vision diurne (vision photopique).

Figure 2 : Efficacité lumineuse de l'œil relativement à la longueur d'onde de la lumière pour la vision diurne (vision photopique). Cette courbe a été obtenue à partir des valeurs normalisées par la CIE.

Le tableau suivant est lui aussi extrait des valeurs normalisées par la CIE, il précise quelques points de cette courbe.

L'intensité lumineuse correspond à l'intensité énergétique modulée par la sensibilité de l'œil humain. Son unité de mesure est la candela (cd).

Exemple : Considérons deux rayonnements monochromatiques de même intensité énergétique, l'un a une longueur d'onde de 555nm et l'autre 600nm. D'après le tableau et la courbe ci-dessus, la valeur de l'intensité lumineuse mesurée à 600nm vaudra 63,1% de la valeur mesurée à 555nm.

Une candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de 555nm de longueur d'onde et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.

On définit de la même manière le flux lumineux dont l'unité de mesure est le lumen (lm).

Un lumen est un flux lumineux émis dans un angle solide de 1 stéradian par une source ponctuelle ayant une intensité uniforme de 1 candela.

Pour une longueur d'onde donnée, le flux lumineux est proportionnel au flux énergétique. Toutefois, le rapport entre ces deux valeurs dépend de l'efficacité lumineuse de l'œil pour ce rayonnement.

Si on considère des rayonnements monochromatiques :
      - à 555 nm, 1 watt vaut 673 lumen
      - à 600 nm, 1 watt vaut 430 lumen.
La courbe ou le tableau ci-dessus nous permettent d'extrapoler cette correspondance aux autres longueurs d'onde.

L'éclairement lumineux (ou éclairement) représente le flux lumineux reçu par unité de surface dS. Il se mesure en lux (lx).

Un lux est l'éclairement d'une surface qui reçoit, d'une manière uniformément répartie, un flux lumineux d'un lumen par mètre carré.

1 lx = 1 lm/m²

Voici quelques exemples d'éclairements, ces valeurs sont approximatives :