1- La lumière - École Nationale Supérieure d`Architecture de Grenoble

Transcription

1- La lumière
La lumière est une partie extrêmement étroite du rayonnement électromagnétique
dans lequel nous baignons, elle se déplace à une vitesse "c" de 300 000 km/s). Ce
rayonnement est caractérisé par sa longueur d'onde λ en mètres (ou sa fréquence f en
hertz (λ = c/f))1 .
Ce que l'on appelle "lumière" est la partie de ce rayonnement que perçoit l'œil humain,
elle est comprise entre 0,38 µ et 0,78 µ (380 nm et 780 nm)2 . En fait, notre œil ne
perçoit pas la lumière directement, il ne perçoit que celle qui est émise ou réfléchie par
des objets ! (entre ce document et votre œil, il y a de la lumière que vous ne pouvez
"voir").
La représentation ci-dessous montre l'étendue du spectre électromagnétique :
Longueurs d'onde électromagnétiques en µm (10 -6 m)
10-8
10-6
10-4
Rayons gamma
1
10-2
102
104
108
106
1010
U. V.
Infra rouge
Rayons
cosmiques
Radar, radio, TV
Rayons X
VISIBLE
la partie du spectre visible pour un œil humain n'en constitue qu'une toute petite fraction,
mais quelle importance elle a pour notre vie quotidienne !
La partie visible du spectre montre qu'à une longueur d'onde correspond une couleur,
et les "7 couleurs" de l'arc en ciel définies par Newton3 peuvent être retrouvées
facilement
Ci-dessous les couleurs avec les limites (λ en nm) conventionnelles
(380) violet/indigo (450) bleu (500) vert (570) jaune (590) orange (610) rouge (780)
Écran
Rouge
Source de
lumière
blanche
Prisme en verre
Violet
Cette perception des couleurs est variable d'un individu à un autre, et la Commission Internationale de
l'Eclairage (C.I.E.) a défini des limites précises qui sont exprimées dans la courbe de réponse de l'œil.
1
Les propriétés de la lumière ne peuvent s’expliquer qu »en combinant deux théories :
- une théorie corpusculaire qui considère la lumière formée de particules d’énergie (les photons) se
déplaçant en ligne droite à la vitesse « c »
- une théorie ondulatoire pour laquelle la lumière est formée d’ondes, les vibrations ayant lieu
perpendiculairement à la direction de déplacement.
Le passage d’une théorie à l’autre est nécessaire pour comprendre le comportement de la lumière,
même si ce n’est pas très satisfaisant pour l’intuition.
2
1 µ = 10-6 m et 1nm = 10-9 m
3
Newton n'avait pas le choix, il FALLAIT qu'il en trouve 7 : chiffre sacré de la chrétienté !
Données de base pour l’éclairage des bureaux – janvier 2001 - page 1
J.J. Delétré – Laboratoire CRESSON - École d'Architecture de Grenoble
2 - La vision
2.1 La courbe de réponse statistique moyenne
L'œil humain n'est pas sensible de la même façon à toutes ces longueurs d'onde.
D'une sensibilité nulle aux deux extrémités du spectre, il passe par un maximum de
sensibilité vers 555 nm (dans le jaune/vert).
La courbe ci-dessous montre la courbe de réponse d'un œil humain pour un sujet jeune et en bonne santé. Il
s'agit d'une courbe moyenne statistique, il ne faut donc pas s'étonner des écarts individuels par rapport
à cette courbe.
Courbe de réponse moyenne statistique d'un
oeil humain (sujet jeune et en bonne santé)
sensibilités relatives :
valeur 1 à 555 nm
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
800
770
740
710
680
650
620
590
560
530
500
470
440
410
380
0
longueur d'onde en nanomètres
En réalité, il existe deux courbes de réponse, l'une pour des éclairements forts (dite "photopique" et
représentée ici), l'autre pour des éclairements faibles ("scotopique") mais qui s'applique pour des
valeurs trop faibles pour faire partie d'un document sur l'éclairage (même en éclairage routier, la
courbe ci-dessus reste valable)..
Si le fonctionnement de l'œil humain est souvent comparé à celui de l'appareil photo, il
existe une différence fondamentale, c'est que notre œil n'est rien sans le cerveau qui
l'accompagne. De nombreux chercheurs ont montré que l'information lumineuse ne
fonctionne pas de façon linéaire : le cerveau interprète en permanence, recale ses
informations et ré-interprète. Cette boucle se produisant sans cesse, chaque petit
décalage par rapport à nos acquis nous permet d'avancer, et d'accumuler des
informations visuelles évolutives. C'est particulièrement vrai en ce moment avec la
profusion de nouveautés visuelles mises sur le marché.
Parfois lorsque le décalage est trop important, il se produit une rupture, une
incompréhension4 , qui nous met mal à l’aise, ou nous interroge.
Enfin, de nombreux paradoxes de vision sont connus et exploités par les médias.
4
ces phénomènes sont largement exploités par l’art visuel, la publicité…
Donc deux individus à l'œil "normal" dans des conditions "normales" pourront
avoir des réactions très différentes selon leur culture, leur histoire, leur état
psychologique, et selon bien d'autres paramètres encore.
2.2 L’œil n’est pas un appareil photographique : exemples
Revenons sur ce point, en l’illustrant par deux exemples qui nous montreront que
c’est bien le cerveau qui corrige ou trompe notre vision.
La première page de Libération d’il y a quelques années, montre de façon spectaculaire l’importance
du cerveau dans le fonctionnement de l’œil, avez vous remarqué qu’il manque le premier « I » de
Italie ? Le vérificateur du journal ne l’a pas remarqué non plus ! Pourtant vous avez bien lu ITALIE.
De même, les personnages ci-dessus ont tous la même taille, mais notre éducation à la perspective nous
incline à penser le contraire.
Lorsqu'on ne travaille que sur l'œil, il est courant de définir trois critères de
performance qui varient avec la quantité de lumière5 :
-
l'acuité visuelle, ou capacité à distinguer deux objets très rapprochés6 (qui varie
aussi notablement avec l'âge).
Acuité visuelle "a"
Variation de l'acuité visuelle
avec le niveau d'éclairement
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
50
100
150
200
Niveau d'éclairement en LUX
L'acuité varie rapidement jusqu'à 50 lux.
Au delà de cette valeur l'acuité varie peu
-
la vision des contrastes, ou capacité à distinguer une frontière entre deux objets7
contraste négatif
Plus le contraste est faible,
plus l'éclairement doit être important.
Plus le contraste est faible,
plus l'éclairement doit être important.
contraste positif
5
nous détaillerons plus loin les principaux mécanismes de la vision
L'acuité visuelle est l'inverse d'un angle (a = 1/α) avec α = sous lequel l'observateur voit l'objet. C'est
elle que l'on note en dizièmes lors de contrôles de la vue. Notez que cette notation va jusqu'à 20, et que
la note 10 ne correspond qu'à une vision "moyenne".
7
La définition du contraste, et ses valeurs recommandées ou limites seront données au § 10
6
- la vitesse de perception, ou capacité à distinguer rapidement deux objets remplissant
les deux conditions minimales précédentes.
Cas de la lecture
Nb de lettres
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
Niveau d'éclairement en LUX
L'exemple ci-dessus illustre cette vitesse de perception dans le cas de la lecture :
le nombre de lettres déchiffrées dans un temps donné croit rapidement jusqu'à 50 lux
Remarque : si les courbes ci-dessus montrent une stagnation de la performance à partir de 50
lux, il faut rappeler les conditions des tests qui permettent de les obtenir : les sujets sont en
situation de laboratoire, et leur activité est limitée dans le temps (quelques instants). Les
résultats ne sont donc pas extrapolables directement à des situations de travail où l'activité
prolongée suppose des valeurs d'éclairement plus importantes. Cependant l'allure des courbes
reste identique.
Ces trois paramètres fondent la plupart des approches de l'éclairage physique.
À ces trois paramètres, il convient d'ajouter un coefficient de variation du niveau
d'éclairement fonction de l'âge des sujets :
Variation du niveau d'éclairement
nécessaire avec l'âge : base 1 à 20 ans
14
coefficient de
correction
12
10
8
6
4
2
0
5
10
20
30
40
50
60
Age du sujet
Remarquez que la performance visuelle est optimale vers 20 ans,
elle est plus faible pour les enfants (rapport de 1 à 2)
et pour les gens plus agés (rapport 1 à 10).
3 - La couleur
Qu'est-ce que la couleur ? Cette question est au sein d'un très vaste débat, et pour
certains auteurs, la couleur n'est qu'une "valeur ajoutée" à la vision (de fait certains
animaux8 ne perçoivent le monde extérieur qu'en noir et blanc).
Nous ne voyons des surfaces colorées que parce qu'elles sont capables d'émettre (ou
de ré-émettre) de façon sélective certaines composantes du spectre visible.
Par exemple un tissu n'est vert que parce que les longueurs d'onde vertes sont réfléchies par ce tissu,
les autres longueurs d'onde étant absorbées.
Verre teinté
Source de
lumière
en rouge
blanche
Rayon
réfléchi
vert
Surface verte
Lumière
rouge
Source de
lumière
blanche
Un verre teinté ne laisse passer que certaines longueurs d'onde.
Plutôt que cette question, posons la suivante : qu'est-ce qu'une lumière blanche ? La
réponse sera pour l'instant celle de M. de La Palice : une lumière blanche est une
lumière qui n'apparaît pas colorée9 !
Reprenons l'exemple ci-dessus : si la lumière qui éclaire le tissu est blanche, le tissu paraît
vert. Mais si la lumière est rouge, le tissu absorbant le rouge (le non-vert), il apparaîtra noir !
Mais attention, les lumières blanches peuvent avoir des dominantes variées, et révéler
plus ou moins bien les couleurs des objets qu'elles éclairent.
Le tissu vert sera peu mis en valeur par une lampe à incandescence qui a une dominante
nettement rouge ! Certaines sources fluorescentes seront bien meilleures pour révéler cette
couleur verte.
En fait une couleur n'existe pas en soi ! Pour qu'une couleur existe il est nécessaire
d'avoir trois éléments : une matière (et ses pigments), une lumière (et son spectre) et
un œil (donc un cerveau) ! Chaque changement de l'un de ces trois paramètres pourra
faire changer la définition de la couleur :
- une feuille jaune sera verte en lumière bleue
- un "daltonien"10 confondra les rouges et les verts
- une surface "bleue-verte" sera sous le même éclairage tantôt appelée bleue, tantôt
appelée verte selon les personnes (œil différent ou apprentissage du nom des couleurs
différent lors de la petite enfance ?) et parfois appelée une fois bleue, une fois verte
par la même personne selon le moment.
8
et certains hommes atteints d'achromatopsie
il en est des lumières comme des lessives : il y en a de plus blanches que blanches !
10
il existe plusieurs formes de troubles de la vision colorée, celle appelée "daltonisme" n'est que la
plus courante
9
4 - Comportement des matériaux
4.1 Les coefficients en lumière blanche
Un matériau qui reçoit une puissance (sonore, lumineuse ou thermique) transforme ce
flux incident en trois composantes : réfléchie, transmise et absorbée.
Le schéma ci-dessous montre les rapports conduisant à la définition des trois coefficients.
Puissance incidente P
La conservation de l'énergie donne
P=A+T+R
soit en divisant par P
1 = A/P + T/P + R/P
Valeur
absorbée
A
On appelle
α = A/P le coefficient d'absorption
τ = T/P le coefficient de transmission
ρ = R/P le coefficient de réflexion
Valeur
transmise
T
Valeur
réfléchie
R
α+τ+ρ=1
Cette équation est toujours valable, mais elle varie avec
les longueurs d'onde (les fréquences)
Les valeurs α, τ, ρ changent avec chaque longueur d'onde (couleur des objets). Pour
permettre une comparaison facile du comportement lumineux des matériaux, il existe
des coefficients globaux qui prennent en compte, sous lumière blanche, l'ensemble des
longueurs d'onde pondérées de la manière dont l'œil humain les reçoit (courbe de
réponse de l'œil).
Par exemple, cette feuille de papier a un coefficient de réflexion de 80%, ce qui signifie
qu'elle réfléchit 80% du flux incident d'une lumière blanche. Cette réflexion est diffuse
(elle s'effectue dans toutes les directions).
4.2 Le comportement en réflexion et en transmission
Les matériaux peuvent avoir deux comportement extrêmes en réflexion comme en
transmission : régulier ou diffus.
Un matériau a un comportement régulier si un rayon qui le frappe continue son
chemin (après déviation) sous forme d'un rayon, il a un comportement diffus si ce
rayon devient multiple.
Les matériaux opaques ont un coefficient de transmission nul.
Les matériaux transparents répondent à la loi de Descartes, ceux qui sont translucides
répondent à la loi de Lambert.
À titre indicatif, et sans préjuger du type de comportement (régulier ou diffus), le
tableau ci-dessous donne quelques valeurs de facteurs de réflexion en lumière blanche
Matériaux
béton clair
béton sombre
brique
plâtre
bois sapin
vitrage
0,35
0,15
0,2
0,65
0,35
0,08
Peinture
Claire
Moyenne Sombre
blanc
0,8
0,7
jaune
0,7
0,5
0,3
gris
0,5
0,2
0,05
bleu
0,5
0,2
0,1
rouge
0,35
0,2
0,1
Pour les facteurs de transmission :
vitrage simple : 0,9
vitrage double : 0,8
vitrages spéciaux : de 0,4 à 0,8 selon le type
matériaux plastiques neufs : maximum 0,7... les mêmes après quelque temps : 0,3
Comportement d'un matériau en réflexion
i
I = I maxcos α
r
α
Loi de DESCARTES
angle d'incidence =angle de réflexion
Réflexion régulière
Loi de LAMBERT
quelque soit l'angle d'incidence,
la réflexion se fait dans toutes les
directions, de façon à ce que
l'extrémité des rayons réfléchis
soit sur la sphère tangente au
point de contact.
Réflexion diffuse
Comportement d'un matériau quelconque,
plus proche de la loi de Lambert que de celle de
Descartes
Réflexion régulière
Réflexion diffuse
=
=
matériau brillant
matériau mat
Dans le cas d'une réflexion diffuse, la luminance est constante quelque soit la direction
ρ/π)x E .
d'observation, et l'on a alors l'expression : L = (ρ
D'une manière générale, les matériaux classiques de construction répondent plutôt à
cette loi de réflexion diffuse.
Comportement d'un matériau en transmission
α
Transmission diffuse (matériau translucide) et semi-diffuse.
La transmission directe (régulière) est donnée par les matériaux transparents.
5 - La photométrie
C'est la science de l'éclairage. Elle s'appuie sur la physique de la lumière et sur la
physiologie de l'œil. Le schéma ci-dessous permettra de définir les concepts et les
unités. Nous définirons plus tard chacun d'eux plus précisément.
Le flux est constitué par l'ensemble de la "puissance utile pour l'œil humain" qui sort de la source
lumineuse (de la lampe).
Son unité est le LUMEN (lm).
Le flux des sources est fourni par les fabricants (lecture sur catalogue).
Le flux qui sort du luminaire dépend du rendement de celui-ci.
Il existe bien entendu un flux relatif aux sources naturelles (soleil, ciel) dont nous n'avons pas à nous
soucier.
L'intensité lumineuse est le "rayon lumineux" qui sort du luminaire dans une direction donnée
(intensité directe vers le bas, indirecte vers le haut).
Son unité est la CANDELA (cd).
La façon dont se répartissent les rayons lumineux, et la valeur de chacun d'eux dépendent de l a
"Courbe photométrique" du luminaire (de sa conception optique). Cette courbe est fournie par l e
fabricant du luminaire.
Les sources naturelles créent aussi des rayons lumineux d'intensité variable, ils ne seront pas utilisés
dans le projet.
L'éclairement est la quantité de flux qui arrive sur une surface donnée.
Son unité est le LUX (lx).
L'éclairement est généralement mesurée sur une surface plane (bureau, mur, chaussée, façade...) au
moyen d'un luxmètre.
Les éclairements sont fixés en fonction de l'activité qui est exercée dans le local (valeur de base à
corriger : âge, fatigue, ...). C'est généralement l'outil réglementaire.
La luminance est la partie de la lumière qui arrive dans l'œil.
Son unité est la CANDELA par mètre carré (cd/m2)
Les luminances primaires sont causées par des sources lumineuses, les luminances secondaires sont
causées par des réflexions (sur un bureau...) ou transmission (à travers un vitrage ...).
La luminance sert à caractériser des contrastes, donc à quantifier la fatigue et l'éblouissement.
6 - Les paramètres à prendre en compte
Nous nous centrerons essentiellement sur ceux qui ont une incidence directe sur le
travail de l'éclairagiste11 .
La performance visuelle
Caractérise à la fois la vitesse à laquelle notre système visuel fonctionne, et la précision
avec laquelle il effectue une tâche donnée. On constate facilement que la performance
visuelle augmente avec le niveau d'éclairement jusqu'à un certain niveau (fonction de
nombreux autres paramètres : contraste, taille de l'objet, couleur, ...).
Le niveau d'éclairement optimum
Cette notion est très complexe à définir, elle varie fortement avec la tâche à accomplir,
et les valeurs sont reconsidérées en permanence pour tenir compte de l'évolution des
techniques, du désir des usagers, du coût des installations...
Actuellement cette notion est définie par la Commission Internationale de l'Éclairage
(CIE) sous la forme d'un "éclairement moyen à maintenir"12 dont voici quelques
valeurs recommandées13 par l'Association Française de l'Éclairage (AFE)14 :
Valeurs d'éclairement moyens à maintenir en lux)
voie de circulation intérieure
hall d'accueil
bureaux (travaux généraux) et bibliothèques
salle de classe
salles de dessin
mécanique générale (pièces moyennes)
mécanique délicate
125
250
425
325
850
425
1250
Le confort visuel
Il fera intervenir des notions de fatigue, de sentiment de sécurité, de distribution des
luminances... La notion d'uniformité des luminances (équilibre d'aspect visuel entre les
différentes valeurs d'un espace), qui a longtemps été la règle pour les locaux de
travail, ou pour l'éclairage urbain, est fortement remise en cause par les réalisations
récentes et le désir des usagers. Elle s'impose encore dans certains cas (éclairage
routier, tâche très difficile ou à risque ...).
Luminance -Luminosité
Il faut séparer les deux notions pour éviter par la suite des incompréhensions.
La luminance a une définition mathématique et physique claire, elle est mesurable, et
peut faire l'objet d'un chiffrage dans un cahier des charges.
La luminosité est un outil subjectif, utilisé dans le langage courant, et en psychologie
expérimentale. Il s'agit d'une "sensation visuelle selon laquelle une surface semble
émettre plus ou moins de lumière". Il s'agit d'un sentiment individuel, qui peut donner
des résultats statistiques sur un grand nombre d'observations, elle n'est pas accessible
directement à la mesure.
Exemple : nous avons sans difficulté la possibilité de dire qu'une surface est foncée et une
autre claire, même si la surface foncée est très éclairée, et la surface claire très peu éclairée (la
11
une installation d'éclairage peut cependant être bruyante (ballasts) dégager de la chaleur (lampes à
incandescence) poser des problèmes de sécurité (en particulier électrique) ... et des controverses
esthétiques !
12
notion qui fait appel à la qualité de la maintenance que nous verrons plus tard;
13
il ne s'agit donc pas de réglementation, mais ces valeurs se substituent le plus souvent à la
réglementation.
14
Cette association édite régulièrement des brochures de recommandations selon les usages de locaux,
les dernières concernant les locaux de travail datent de 1993
luminance étant proportionnelle à l'éclairement, les rapports de luminance peuvent alors être
inversés par rapport à la luminosité).
L'ambiance lumineuse
Plus subjective, cette notion fera apparaître la variabilité de l'éclairage, sa coloration,
l'éventuelle convivialité qu'elle entraînera... Les notions d'esthétique n'en seront pas
absentes, apportant là un élément personnel très important dans une culture
occidentale surtout basée sur un mode de communication et d’apprentissage visuels.
Chacun pourra se référer à sa propre expérience pour décrire un espace visuel éclairé,
et comparer ses impressions avec celles de ses proches.
Les sources lumineuses15
Il existe sur le marché une importante variété de sources lumineuses. Elles se
caractérisent essentiellement par :
- leur dominante de coloration (température de couleur)
- leur capacité à restituer la « vraie » couleur d’un matériau (indice de rendu des
couleurs)
- leur durée de vie (qui varie selon les cas entre 1000 et 100 000 heures)
- leur flux lumineux (de quelques centaines à quelques dizaines de milliers de
lumens)
- leur puissance électrique (de quelques unités à plusieurs centaines de Watts)
Les catalogues des fabricants fournissent tous ces renseignements.
Les trois derniers paramètres sont à prendre en compte pour le bilan économique à
long terme de l’installation.
Les luminaires16
Un luminaire doit remplir plusieurs fonctions :
- répartir le flux de façon à moduler l’éclairement selon les besoins
- protéger l’utilisateur de la vision directe des sources lumineuses
- assurer les protections électriques, contre les chocs, ainsi que la pénétration des
poussières ou de l’eau.
Selon les usages, en éclairage intérieur, il peut être nécessaire d’avoir recours à des
luminaires étanches ou d’une protection électrique élevée (locaux humides).
Le rendement des luminaires (rapport entre le flux lumineux sortant et celui des
sources qu’il renferme) varie entre 40% et 75%.
Ce critère doit également intervenir dans la partie économique du projet.
Installation, suivi et entretien17
Une installation d'éclairage est éphémère par nature : elle n'existe que si on la
connecte à une source d'énergie (en général électrique), et que si une maintenance est
assurée. Ce paramètre est au coeur de tout choix des sources lumineuses (qui durent
selon les cas 1 000 h ou 100 000 heures), des hauteurs d'installation (à hauteur
d'homme, avec échelle ou camion à nacelle ?), et des luminaires (ouverts, fermés,
étanches, anti effraction ...). Un projet qui ne prendrait pas correctement en compte ce
paramètre serait voué à l'échec, quelque soit ses qualités par ailleurs.
15
pour plus de détails voir annexe 1 et § 8
pour plus de détails voir annexe 2
17
pour plus de détails voir annexe 3
16
7 - La lumière naturelle
L'éclairage par la lumière du jour se fait à travers des prises de jour dont la fonction
dépasse très largement le rôle de dispositif optique permettant la pénétration
lumineuse.
Paramètres qualitatifs :
La vue
Notre connaissance visuelle du monde extérieur passe par une baie vitrée
transparente et latérale à hauteur de vision. Ce dispositif sert de transition, et permet
une appropriation particulière de son espace proche : plantes, séchage du linge,
disposition du mobilier... De nombreuses études ont permis de mieux cerner les
qualités demandées au panorama perçu à travers une fenêtre, elles font toutes
ressortir trois éléments importants :
- une référence géographique qui permet la localisation de son espace de travail (ou
de résidence) dans l'environnement local
- une référence temporelle et météorologique, permettant de suivre l'évolution de la
journée, des saisons, et du climat
- un contact avec l'activité extérieure (mouvements de population, de véhicules sur
une durée suffisante...)
On constate sur la représentation ci-dessous que le panorama visuel est limité avec des
fenêtres “ classiques ”, et dès que l’on se trouve en recul dans le local, à la vision des
bâtiments d’en face. L’observateur perd la vision du ciel (météorologique) et celle du
sol (vie urbaine).
Plus précisément on peut remarquer que lorsque les dominantes urbaines et rurales
s'équilibrent la satisfaction visuelle est accrue, et, lorsque l'espace visuel est très
ouvert, une réduction de la taille des prises de jour devient possible.
Le critère visuel est le plus souvent à double sens : si une baie vitrée ouvre sur
l'extérieur, elle ouvre aussi l'intérieur à la vision externe. L'intimité d'un local peut
dans ce cas être perturbée, et l'ouverture masquée par ses occupants. On obtient alors
un effet contraire à celui qui était recherché.
Les aspects psychophysiologiques
L'exclusion de la lumière du jour et de la pénétration des rayons solaires dans un
bâtiment développent chez les occupants un sentiment de frustration et d'oppression
générateur de tensions et de conflits18 . Il est parfois nécessaire de recourir à ces
pratiques (locaux de haute sécurité par exemple), mais le plus souvent il ne s'agit que
d'intentions plus ou moins explicites : intimité ou discrétion, augmentation des
surfaces destinées à l'affichage ou au rangement, local central sacrifié au profit des
locaux périphériques, sur-isolement acoustique... qui sont déconseillées surtout pour
des occupations de longue durée, et pour des locaux de petite dimension.
18
on parle alors de local "aveugle"
Nous avons vu au paragraphe précèdent que la prise de jour avait un caractère social,
temporel et géographique. Il s'y ajoute la stimulation qu'entraîne une variabilité
importante des niveaux d'éclairements (parfois plusieurs centaines de lux par minutes)
et de la coloration de la lumière et de notre environnement19 . Notre œil accepte très
bien ces variations s'il sait qu'elles proviennent d'une prise de jour (des variations bien
plus faibles en éclairage électrique sont mal ressenties).
Deux techniques sont souvent employées :
- la prise de jour latéral, qui, par l'orientation qu'elle induit, privilégie les zones
d'ombre et de pénombre, et introduit une variation quantitative avec le recul
- la prise de jour en plafond qui uniformise l'éclairement dans le local, et s'apparente
plus de ce fait à l'éclairage électrique (noter que l'éclairage par sheds est orienté, le
shed n'étant souvent qu'une baie latérale mise en hauteur !).
Les sensations les plus souvent décrites sont exprimées dans le tableau ci-dessous20
Le facteur de lumière du jour est le rapport constant qui existe entre l’éclairement en
un point intérieur du local et l’éclairement horizontal extérieur (site dégagé).
Les zones pour lesquelles le facteur de lumière du jour est inférieur à 0,5% sont à
considérer comme des lieux où l’éclairage électrique est quasi-permanent.
Enfin, la lumière naturelle est un facteur d'équilibre psychophysiologique important
(penser aux expériences d'isolement total au fond de gouffres, aux cosmonautes, ...).
Des troubles liés à sa raréfaction apparaissent en hiver pour les personnes âgées, pour
les expéditions hivernales aux pôles21 ... ils sont en partie compensés par des
expositions journalières d'une heure ou deux à des niveaux d'éclairement élevés
(environ 5 000 lux).
19
d'une manière statistique : lumière du nord ressentie froide et uniforme, lumière du sud chaude et
variable; les lumières provenant de l'est et de l'ouest étant respectivement vertes et rouges
20
extrait de SNU 418 905 : Recommandations pour l'éclairage naturel et artificiel des locaux scolaires.
Association Suisse des électriciens - 1981
21
appelés SAD (seasonal affective disorders) par Rosenthal, qui a prouvé qu'ils pouvaient être
traitées par une exposition à des niveaux lumineux élevés
8 - La lumière électrique
Il existe une grande différence entre notre réaction aux variations de l’éclairement
naturel (souvent dans des rapports de 1 à 10 sans que nous en soyons affectés) et à la
stabilité que nous exigeons de l’éclairage électrique.
D’autre part, nous acceptons de travailler avec un niveau d’éclairement très faible (ou
très élevé) en éclairage naturel, alors que notre fourchette de tolérance pour
l’éclairage électrique est réduite (penser au niveau d’éclairement pour lequel nous
nous décidons à allumer le soir).
Ces remarques préalables permettent de rappeler que l’éclairagisme n’est pas de la
physique, même si la suite de ce chapitre sera surtout physique.
Rayonnement du corps noir
Les physiciens ont imaginé un corps ayant un comportement particulier : il absorbe
toute l'énergie qui lui est envoyée (α = 1 pour toutes les longueurs d'onde), c'est
également lui qui émet le plus d'énergie sous forme de rayonnement. Un tel corps
n'existe pas, mais pour les expériences que nous allons décrire nous pouvons nous en
faire une représentation "correcte" en imaginant un morceau d'acier.
Nous allons décrire l'allure du rayonnement de notre morceau d'acier avec l'élévation
de température. Au début, à la température ambiante (≈ 300°K)22 il émet un
rayonnement non visible (maximum à 10 microns). Au fur et à mesure de l'élévation
de température, le maximum de l'émission se déplace vers les longueurs d'onde plus
courtes, et il se produit une lueur (rouge sombre) lorsque le spectre d'émission atteint
la valeur 700 nm23 . En continuant à chauffer nous obtenons un rouge clair, puis un
orangé, un jaune, enfin un blanc de plus en plus lumineux24 . Ce blanc est considéré
correct vers 2 700°K, car à ce stade, il contient suffisamment de longueurs d'onde très
courtes (bleues - violettes) par rapport aux plus longues (rouges). C'est la température
de fonctionnement du filament d'une lampe à incandescence "classique" (constituée de
Tungstène qui ne fond qu'à 3 700°K). Si nous continuons à chauffer, nous atteignons
2 900 à 3 000°K, qui est la température du même filament dans les lampes à
incandescence halogène. Dans ce cas, l'équilibre entre les extrêmes est encore meilleur,
et on a tendance à dire (à juste titre) que la lampe à halogène est "plus blanche" que
celle à incandescence.
Continuons à chauffer (sans nous préoccuper de la fusion éventuelle du matériau).
Nous voici à 5 000°K, le maximum est à 0,58µ dans le jaune, c'est la température de la
couche extérieure du soleil. Puis à 6 000°K, le maximum est à 0,48µ dans le bleu, la
courbe s'apparente à l'émission du ciel bleu.
22
le degré Kelvin n'est que le degré Celcius auquel on ajoute 273°. Il est systématiquement utilisé en
physique, et caractérise une température dite "absolue" (à 0°K, il n'y a plus de mouvement atomique).
23
Les pyromètres optiques sont basés sur cette propriété de correspondance entre couleur et
température :
rouge sombre vers 1000°K – rouge vif vers 1200°K – rouge cerise vres 1500°K – orange vers 1600°K – enfin
blanc vers 1800°K, et nous sommes alors proches de la fusion de l’acier.
24
à ce stade notre morceau d'acier a fondu, mais pas le corps noir !
Courbes d'émission du corps noir
8000°K
Intensités
relatives
60
50
40
6000°K
30
20
5000°K
10
3000°K
2
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
Allure des courbes d’émission du corps noir en fonction de la température
Le terme "s'apparente" ci-dessus montre que nous avons une courbe identique à
l'émission du ciel bleu, mais que celui-ci n'est évidemment pas porté à 6 000°K (se
trouver à l'ombre en été nous le rappelle).
Toutes les sources ci-dessus ont une lumière "blanche", pourtant leur composition
spectrale varie, et si une lampe à incandescence émet son maximum dans le rouge, le
ciel émet son maximum dans le bleu, mais toutes deux nous semblent "blanches".
Chacune a donc une couleur dominante qui lui donne des qualités (ou des défauts)
selon l'usage que l'on en fait.
Pour qualifier rapidement la "couleur" d'une source (l'allure de son spectre d'émission)
les éclairagistes ont pris l'habitude de lui donner la valeur de la température du corps
noir dont la courbe serait la plus proche. On appelle cette dénomination : Température
de couleur (en °K).
Température de couleur (T°K)
Rappelons d'abord un préalable : nous n'éclairons qu'avec des sources de lumière
"blanche" (nous ne créons que rarement des "discothèques") et lorsque nous
employons le terme de "lumière à dominante rouge" ou "lumière à coloration rouge",
il faut bien entendre : lumière dans laquelle la dominante rouge est prédominante,
mais qui semble blanche aux utilisateurs.
Dans ces conditions, on appelle "Température de couleur" d'une source lumineuse, la
température à laquelle il faudrait porter le corps noir pour qu'il ait le même aspect
coloré que la source que l'on considère. Cette température n'est en général pas celle
de fonctionnement de la source (sauf pour des sources à incandescence). Elle peut
varier entre 2 500°K et 10 000°K.
Les tubes fluorescents varient entre 2 700 et 6 500 °K, le rayonnement naturel de 3 000
°K (coucher de soleil), 6 000°K vers midi, ou par ciel couvert, et de 8 000 à 20 000°K
pour un ciel bleu profond.
Attention au vocabulaire !
Pour l'éclairagiste une source qui a une température de couleur de 3 000°K est une source
froide, cette source "froide" a une dominante de couleur rouge (voir ci-dessus), et une source
à dominante rouge est qualifiée par les plasticiens et les néophytes comme une source à
coloration "chaude" !
Température de couleur
chaude
(5000 à 6000 °K)
Couleur froide
(bleutée)
Température de couleur
froide
(2700 à 3500 °K)
Couleur chaude
(rougeâtre)
Indice de rendu des couleurs (IRC ou Ra)
Deux sources ayant la même température de couleur, n'ont pas la même composition
spectrale, ni celle du corps noir qui sert de référence. Si ces diverses sources éclairent la
même surface colorée, son aspect ne sera pas forcément identique. Pour exprimer ces
différences, les éclairagistes ont introduit la notion d'Indice de Rendu des Couleurs
(IRC25 ) qui permet d'apprécier l'écart qui va exister entre l'aspect coloré d'une surface
sous un éclairage donné, et celui qui serait donné par le corps noir à la même
température de couleur. Cet indice varie entre 0 et 100, mais il n'a de sens qu'entre 50
et 100. Plus les aspects sont identiques, plus on se rapproche du chiffre 100.
Le schéma ci-dessous donne des indications sur les performances de l'IRC
____________________________________________________________________________
0/
50/
70/
80/
85/
95/
_______________________VALEURS D'IRC _____________________
sans signification/
médiocre/
mauvais/
moyen/
bon/
excellent/
E urbain
ou
industriel
E urbain
ou
industriel
E intérieur
(couleur
peu fiable)
E intérieur
(cas le plus
courant)
E intérieur
(couleur
parfaite)
100/
Exemples :
Un catalogue de fabricant nous donne 3 références de sources fluorescentes à 4 000°K ayant
respectivement les valeurs suivantes d'IRC : 65/85/93.
La première (IRC = 65) ne pourra être utilisée que pour des situations n'ayant pas de
prescription particulière pour la reconnaissance des couleurs (atelier, stockage, ... et encore à
condition que ce critère de discrimination des couleurs ne soit pas déterminant, comme par
exemple un atelier de carrosserie).
La seconde (IRC = 85) sera utilisée dans tous les cas où une distinction "correcte" des
couleurs est nécessaire (bureaux, locaux scolaires... à l'exception des locaux de dessin d'art).
Enfin la troisième (IRC = 93) sera réservée à des locaux nécessitant une très bonne
discrimination colorimétrique (les exceptions des cas ci-dessus par exemple).
Chacune de ces sources n'ayant évidemment pas le même coût d'achat ni les mêmes conditions
d'utilisation.
On admet que la lampe à incandescence et la lumière du jour ont un IRC égal à 100 (valeur de
référence).
25
Ra pour les anglo-saxons
Choix des sources lumineuses
Il n'y a pas de relation logique entre T°K et IRC, vous pouvez trouver sur le marché
de l'éclairage toutes les combinaisons possibles entre ces deux paramètres (en
particulier avec des sources fluorescentes).
pour l'IRC : le choix est lié à l'usage qui en sera fait dans le local d'installation, avec
l'échelle donnée ci-dessus, et une logique d'économie.
pour la température de couleur :
1 - un premier élément de choix pourra être la tonalité des parois du local : si le local
est plutôt bleuté, une température de couleur de 3 000°K (rouge) affadira le bleu des
parois, même si l'IRC est proche de 100. Dans ce cas il vaudrait mieux choisir la T°K la
plus élevée (bleue) compatible avec la contrainte suivante
2 - des essais répétés sur de nombreux cobayes-utilisateurs ont montré qu'il existait
des préférences de "coloration" (de T°K) en fonction du niveau d'éclairement, lors de
l'utilisation de tubes fluorescents. Les résultats se présentent sous la forme du
diagramme ci-dessous dû à Kruithoff :
On voit, par exemple, sur ce diagramme que pour un éclairement proche de 400 lux,
la plage de T°K utilisable se situe entre 2 900 et 5 000 °K.
Nous pourrions choisir une T°K de 4 500°K (5 000°K étant à la limite de zone ne sera pas retenu)26 .
26
dans ce diagramme, nous retrouvons le fait que notre œil est habitué depuis des milliers d'années à
une lumière à faible T°K sous faible éclairement (le feu, la bougie...) et à forte T°K sous fort
éclairement (lumière du jour). La lumière électrique n'a que 120 ans, et la perception que les humains en
ont est en perpétuelle évolution. Quelle sera l'allure d'un tel diagramme dans 100 ans ?
9 - Les principaux mécanismes de la vision
L'œil est facile à décrire, même si son fonctionnement est plus complexe
qu'il n'y paraît. Il se présente comme un globe mobile dans une orbite.
L'œil n'est rien sans
le cerveau qui
l'accompagne, donc
tout ce qui suit ne
décrit que les
fonctions mécaniques
de l'œil humain :
sa physiologie
Le cristallin est une lentille
convergente (une loupe) à
distance focale variable. Cette
variation
(appelée
accommodation) lui permet au
moyen des muscles de commande
de former en permanence
l'image de l'objet observé sur l a
zone sensible : la rétine. Le
pouvoir d'accommodation varie
avec l'âge, la presbytie (qui
intervient entre 40 et 45 ans)
traduit une baisse de ce pouvoir.
Il est important de ne pas
solliciter
inutilement
le
cristallin, en disposant par
exemple le texte à saisir et
l'écran de l'ordinateur à une
même distance
de
vision
(utilisation
de
supports
inclinés). Dans la majorité des
cas, une défaillance de réglage
du cristallin peut facilement
être compensée par le port de
lunettes
(myopie,
hypermétropie). Une trop forte
déformation de la cornée dans
une direction donnée se corrige
aussi (astigmatisme).
Pour s'adapter à la lumière
incidente, l'iris possède en son
centre une ouverture :
la pupille (qui joue un rôle de
diaphragme) dont la surface
peut varier dans un rapport de 1
à 20. Ce mécanisme porte le nom
d'adaptation. Comme pour l e
diaphragme
d'un
appareil
photographique, une pupille
très fermée permet d'obtenir une
grande profondeur de champ.
Une pupille largement ouverte
risque de créer plus facilement
de la gène sur la zone
périphérique de la rétine par
vision parasite de sources qui ne
sont pas directement dans l'axe
de vision.
Le mouvement répété de l a
pupille se traduit par une
fatigue visuelle, il convient
donc d'éviter les situations
favorisant
ces mouvements,
l'œil passe constamment d'une
zone visuelle à une autre. Donc
éviter, par exemple, de regarder
la télévision dans le noir, ou de
travailler avec uniquement l a
lampe de bureau éclairée (zone
de l'écran ou du bureau très
claire et pourtour sombre).
La rétine est constituée de
cellules sensibles de deux types :
les cônes et les bâtonnets. Les
cônes (nombreux autour de l'axe
optique) réagissent aux forts
éclairements, sont sensibles aux
couleurs et permettent une vision
des détails.
Les bâtonnets
(nombreux loin de l'axe optique)
réagissent
aux
faibles
éclairements, au noir et blanc,
et
permettent
une vision
globale. Notre propos étant de
créer de l'éclairement à niveau
suffisamment
nous
ne
considérerons que les cônes, et
admettrons qu'il n'y a qu'un type
de réaction de l'œil à l a
27
lumière .On parle alors de
vision photopique.
Il existe trois sortes de cônes,
qui sont capables de distinguer
de façon plus précise les trois
couleurs : rouge, vert, bleu. Une
déficience d'un type de cône
entraîne une vision des couleurs
déformée.
27
la nuit, nous ne percevons plus
les couleurs (la nuit tous les
chats sont gris !), mais ceci se
produit à des niveaux
d'éclairement qui ne nous
concerneront que rarement en
situation de projet.
Aspects psycho-physiologiques
La lumière a un impact biologique marqué par des variations de la spasmophilie ou de
la fixation du calcium (vitamine D). Des études montrent que les dépressions
hivernales peuvent être traitées par photothérapie à 5 000 lux, deux heures le matin
avec une lumière type lumière du jour.
Nous restons sensible à la variation de l'éclairage solaire et l'angoisse de la chute du
jour est bien connue chez les insomniaques. On connaît aussi les peurs des enfants
devant l'obscurité.
Dans les locaux sans fenêtre, on a parfois créé une modulation de l'éclairage artificiel
reproduisant le cycle solaire de la journée pour que les hommes se situent dans le
temps.
La physiologie de la perception des formes conditionne la majorité des processus
intellectuels et a une grande importance dans le développement non seulement
mental de l'enfant, mais aussi dans le développement de sa personnalité. Tous les
degrés de la vision binoculaire sont atteints à 1 an, mais ce n'est que vers 5 ans qu'ils
deviennent automatiques et irréversibles. En vision centrale (vision photopique),
l'enfant est plus sensible au papillotement que l'adulte. A trois ans l'enfant doit savoir
reconnaître les couleurs. C'est généralement la sensibilité au bleu qui est la plus
tardive, ayant pour conséquence un fonctionnement réduit de l'iris.
Pour ce qui est de la couleur, il existe d'importantes variations culturelles. Par exemple
: la plupart des sources utilisées en Scandinavie sont plutôt à dominante rouge (T°K
faible) alors que celles qui sont utilisées en Europe du sud sont plutôt à dominante
bleue (T°K élevée), et le rouge n'est pas, comme on a tendance à le croire trop
facilement, une référence de danger universelle !
Les performances visuelles
le champ visuel
On distingue le champ de perception distincte (vision précise) qui mesure environ 1°,
le champ central (environ 30°) et le champ périphérique qui englobe toute la zone vue
plus ou moins nettement par un observateur (proche de 2π sr).
la vitesse de perception
Elle varie très vite avec l'éclairement, puis se stabilise. Le schéma ci-dessous montre
l'évolution de la vitesse de lecture en fonction de l'éclairement.
acuité visuelle
Généralement mesurée par la lecture de lettres sur un tableau rétro-éclairé vu à une
distance de 6 mètres. L'acuité moyenne est de 10, mais des acuités de 13 sont
courantes, et certains sujets atteignent 18. L'acuité visuelle varie avec l'âge, elle
n'atteint son maximum de performance que vers 20 ans, puis décroît à partir de 40/45
ans. Les enfants n'ont donc pas une acuité maximale contrairement à l'idée commune
(les enfants n'ont pas de "bons yeux" !). Chez certains sujets, l'acuité plafonne vers 3 à
4, ils sont amblyopes, et leur activité demande un surcroît d'éclairement.
Mais ces tests sont réalisés dans des conditions précises d'éclairement, l'acuité
maximale étant atteinte pour 1 500 lx environ. Dans la pratique on définit la luminance
d'adaptation qui dans ce cas est proche de 300 cd/m2.
J.J. Delétré –Laboratoire CRESSON - École d'Architecture de Grenoble
La courbe ci-dessous montre comment varie l'acuité visuelle en faible luminance
Acuité visuelle en
dizièmes
Variation de l'acuité visuelle avec
la luminance
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0,3
1
Luminance
2
3
d'adaptation(cd/m2)
On constate sur ce schéma que pour une personne ayant une vue "normale", son acuité
visuelle tombe à 3/10 pour 0,3 cd/m2, et à 7,5/10 pour 2 cd/m2. Or ces deux valeurs
correspondent respectivement à une conduite de nuit soit avec les feux de route seuls
(phares), soit sur une chaussée normalement éclairée (entrée ou sortie de ville). On
comprend mieux à la lecture de ce graphique les risques liés à ce type de conduite, et
l'intérêt d'un éclairage routier.
la vision des contrastes
Ce point sera repris lors de la définition du contraste dans le chapitre suivant.
papillotement et effet stroboscopique
Il existe de nombreuses études sur le sujet qui montrent de larges différences de
résultats selon le protocole de test. On peut cependant retenir qu’une fluctuation de
l'ordre de 10 Hz crée des dérèglements chez de nombreux sujets (phénomène
souvent constaté chez des automobilistes conduisant le long d'une rue bordée
d'arbres). Au delà de 80 Hz, il n'y a généralement plus de sensation de papillotement.
Mais il ne s'agit encore une fois que d'une valeur statistique, et il reste un faible
pourcentage de la population qui perçoit ce papillotement jusqu'à des valeurs bien
supérieures. Pour ces sujets, un éclairage par lampes fluorescentes sur le réseau
électrique à 50 Hz (d'où une fréquence de papillotement de 100 Hz) pose un réel
problème d'inconfort. L'alimentation en haute fréquence (plusieurs kHz) résous ce
problème.
L'effet stroboscopique (qui consiste, par exemple, à percevoir une machine tournante
comme si elle était à l'arrêt) peu se produire également avec des sources sur 50 Hz. On
élimine ce risque en couplant des sources déphasées dans un même luminaire
(montage duo ou trio).
effet de l'âge sur les performances visuelles
On constate facilement un effet de l'âge sur les performances visuelles, mais il est
difficile de fournir des valeurs, car, bien souvent lors de tests, les sujets âgés
compensent leurs perte de performance par d'autres biais (expérience concernant la
tâche à exécuter par exemple). D'une manière générale il est demandé d'augmenter le
niveau d'éclairement pour compenser cette perte de performance.
10 - Compléments et remarques
1) Les raisonnements et les calculs
Ceux que nous pouvons réaliser en photométrie ont une particularité : nous
disposons d'outils qui appartiennent à de la "pseudo-physique" ! (de la physique
mélangée à de la physiologie statistique : la courbe de sensibilité moyenne de l'œil
humain). Nous pourrons donc à effectuer de nombreux calculs éventuellement très
savants, mais nous ne serons plus en physique !
Nos résultats ne seront valides que dans la limite de la validité de notre courbe de
sensibilité moyenne de l'œil humain.
Tout résultat mis en défaut par l'expérience (insatisfaction usagère par exemple) n'est
souvent que l'expression d'une divergence de l'œil de la personne insatisfaite par
rapport à la courbe "moyenne". Le praticien peu attentif à cette remarque
fondamentale croirait en toute bonne foi avoir réussi un éclairage "sans reproche"
sous prétexte qu'il a appliqué scrupuleusement les consignes de calcul.28
2) L'éclairement est fonction de trois paramètres :
- l'intensité lumineuse qui arrive dans une direction donnée, plus elle est importante,
plus le point est éclairé
- l'inverse du carré de la distance (d'où une décroissance rapide de l'éclairement avec
la distance) pour une source lumineuse ponctuelle
- l'inclinaison de la surface éclairée (cos α).
Ordres de grandeur :
Pleine lune, ciel sans nuage
0,2 lx
bougie de ménage à 1m
1 lx
Route, rue bien éclairée
20 à 30 lx
Aube, crépuscule
50 lx
bureau normalement éclairé
400 lx
Éclairement horizontal extérieur
- par ciel très couvert
5000 lx
- dans une rue étroite par beau temps
10 à 20 000 lx
- maximum mesurable sur terre
100 000 lx
Seuil différentiel en éclairement
Le seuil différentiel exprime la différence minimale qu’il doit exister entre deux
éclairements pour que notre œil perçoive une différence.
Cette notion est difficile à exprimer simplement, les valeurs ci-dessous doivent être
considérées comme des rapports simples et commodes pour les projets.
Seuil différentiel à long terme
(la durée de sensation varie selon les individus) : E1/E2 = 1,2 (valeur pour des
éclairements autour de 400 lx). Ce qui signifie que dans une salle qui doit être éclairée
avec une valeur moyenne de 400 lux, les valeurs extrêmes peuvent varier entre 360 et
440 lux ( ± 10% = 20% au total) pour que peu de personnes ne s'en aperçoivent. On
comprend alors que les consignes pour réaliser un éclairement moyen fixent une
uniformité de 0,829 .
Seuil différentiel à très court terme
(vision de la différence quasi immédiate pour toute personne) : E1/E2= 2 soit une
variation de l'éclairement dans un rapport de 1 à 2.
28
les cas d'insatisfaction usagère alors que le projet est correct du point de vue théorique sont nombreux,
l'œil humain individuel révèle une grande dispersion par rapport à la moyenne !
29
l'uniformité est le rapport : Emini/Emoyen (dans une salle ou sur une route)
Comparaison d'éclairements
Il est très difficile de comparer deux éclairement entre eux. Cela ne peut être réalisé
qu'à deux conditions rarement réunies (sauf au laboratoire) :
- les deux éclairements doivent être vus simultanément
- les deux éclairements doivent avoir la même composition spectrale.
Ces conditions ne sont pas remplies, par exemple, lorsque vous regardez dehors un
jour très couvert (et que vous avez éprouvé le besoin d'éclairer votre bureau). Vous
aurez tendance à trouver votre bureau plus éclairé que l'extérieur (influence de
l'éclairement proche) alors que de façon quasi-systématique c'est dehors qu'il y a le
plus de lumière (parfois dans un rapport 10 en faveur de l'extérieur : 400 lux dedans, 4
000 lux ou plus dehors).
3) La luminance
Par contre si elle n'ont pas la même couleur (en
fait, le même facteur de réflexion), notre
jugement sera faussé.
À facteurs de réflexion identiques, nous
pouvons aussi comparer :
une page et le mur d'un local, dans ce cas :
- surface
- distance
- angle de vision
sont différents
la notion d'éclairement ne suffit plus, la notion
de luminance s'impose.
Si les deux pages de ce livre sont éclairées
différemment, et si elles ont la même couleur
(puisqu'elles sont constituées du même
matériau), il est facile de dire que la plus
éclairée est celle qui reçoit le plus de
d'intensité, donc celle qui a la plus grande
luminance.
La luminance c'est la partie de l'éclairement
qui parvient à l'œil
- soit d'une source lumineuse : le risque est alors
celui de l'éblouissement
- soit de l'ensemble des éléments éclairés qui
nous entourent, on parle alors d'équilibre des
luminances de l'environnement, ou de contraste
entre deux zones
Dans tous les cas, il est conseillé de ne pas dépasser :
- L < 2000 cd/m2 pour des sources de surface réduite (luminaires)
- L < 500 cd/m2 pour des surfaces plus importantes (plafond murs)
- pour les baies vitrées, ces valeurs sont souvent largement dépassées, il s'agit alors de
prévoir des protections fixes ou mobiles pour ramener cette luminance à une valeur
acceptable.
3.1 Le contraste
Il y a deux expressions possibles du contraste :
- celui qui sert au spécialiste de la vision
Il caractérise la vision d'un objet sur un fond.
On l'exprime sous la forme : C = (Lo - Lf)/Lf
Avec :
Lf = Luminance du fond
Lo = Luminance de l'objet
Exemple : un objet est vu si C > 0,01 (1%) c'est ce que l'on appelle le seuil différentiel en luminance
On parle alors de
contraste positif (objet plus clair que le fond) qui varie de 0 à ∞
contraste négatif (objet plus sombre que le fond) qui varie de -1 à 0
- celui qui sert à l'éclairagiste :
Le déséquilibre constaté ci-dessus dans l'expression des contrastes conduit souvent à
ne prendre en compte que le rapport simple entre les luminances :
C = L1/L2
On compare alors facilement deux zones du champ visuel.
Le résultat est souvent fourni sous la forme 1/X.
Ci dessous un exemple de mesure de luminance dans un espace de travail
(d'après : BAU DOC Bulletin n° 3 - mars 1993)
Contrastes constatés :
écran/document : 1/3 à 1/5 - écran/stores : 1/14 - écran/luminaires : 1/44 - écran/ciel : 1/167
C'est le contraste qui est important pour l'œil, donc pour l'impression de luminance.
Pourtant, souvent encore les projets, ou les vérifications, s'arrêtent à l'éclairement
(pour des raisons de coût d'appareillage et de durée de mesure). Dans le cas des
locaux de travail, les consignes européennes vont dans le sens d'une obligation de
prise en compte de la luminance.
Les différentes valeurs de contraste tolérées sont indicatives, pour une tâche de
travail, on peut retenir :
- dans la zone centrale du poste de travail (l'ergorama) qui est concentrée sur une
zone d'environ 1°, le contraste doit être au maximum de 2 (au pire de 10)
- dans la zone périphérique (le panorama) ce contraste doit souvent ne pas dépasser
10 (au pire de 50)
3.2 Éblouissement
L'éblouissement consiste en une sensation visuelle désagréable qui se produit lorsque
l'équilibre des luminances dans notre champ visuel est trop déséquilibré. Cette notion
fait appel à des techniques de détection et à des formulations parfois complexes, elle
varie fortement avec l'âge : stable de 20 à 35 ans, elle varie du simple au double entre
35 et 70 ans. Pour simplifier, nous dirons qu'il y a deux sortes d'éblouissement :
- l'éblouissement perturbateur
qui entraîne une perte momentanée de la vision, et qui se produit lorsque la
luminance atteint ou dépasse des valeurs extrêmes (vision du soleil sans protection,
vue sur une partie de paysage très claire et très ensoleillée ...) ou que le contraste
devient trop important (phares de voiture de nuit, vue sur l'extérieur depuis le fond
d'une pièce sombre ...). Cet éblouissement qui fait référence à une "douleur" visuelle
doit être systématiquement combattu lors de la réalisation d'un projet d'éclairage.
Données de base pour l’éclairage des bureaux –25/11/03- page 23
J.J. Delétré - École d'Architecture de Grenoble
Il existe une situation particulière appelée "luminance de voile" qui se produit lorsque
la brillance de l'objet observé crée une réduction de contrastes empêchant
l'observation correcte (lecture sur papier glacé, vision sur écran d'ordinateur, reflet
dans une vitre ...). Les écrans d'ordinateur à contraste négatif (lettres sombres sur
fond clair) sont moins sensibles à ce problème que ceux à contraste positif.
Il est souvent possible d'orienter différemment la tâche visuelle
par rapport aux sources lumineuses pour éviter ce problème :
La position de gauche montre une réflexion parasite.
La position de droite évite les ombres et les reflets gênants.
- l'éblouissement inconfortable
qui entraîne une diminution de la performance visuelle sans atteindre la notion de
douleur. Cet éblouissement est exprimable par le contraste (dans la plupart des cas).
Le schéma ci-dessous donne les valeurs limites habituelles :
Dans le cadre de l'ergonomie visuelle, les critères sont définis selon le schéma ci-dessous
(le point au sommet du cône représente l'œil de l'observateur):
limites du contraste de luminance entre la tâche visuelle (ergorama) et les sources parasites,
selon leur positions dans le champ visuel (panorama).
3.3 Les luminaires
Lorsqu'ils sont situés dans le champ de vision, ils constituent un cas particulier
d'éblouissement. Il a été étudié par différents auteurs, et actuellement les abaques de
Bodmann et Söllner sont à la base de la définition des luminaires de basse et très basse
luminance pour l'éclairage intérieur. Ils s'appuient sur une échelle de cotation allant de
l'éblouissement inexistant (côté 0) à intolérable (côté 6), sur la nature de la tâche à
effectuer, et sur le niveau d'éclairement nécessaire.
La gène créée par un luminaire peut être instantanée ou à long terme. La vision sans
protection du filament d'une lampe à incandescence crée une douleur instantanée, la
vision de phares automobiles de nuit crée un contraste excessif, lié surtout au fait que
la pupille est grande ouverte.
Ci-dessous un exemple d'éblouissement inconfortable, la valeur mesurée de 22 000 cd/m2 est bien audessus de la limite acceptable (courbe) pour le luminaire n° 1.
Cet exemple est tiré de mesures dans une salle de classe.
D'après cours de DEA de M Fontoynont
Pour permettre le choix de luminaires adaptés, les fabricants donnent les courbes de
luminance de leurs luminaires en fonction de l'angle d'observation.
Ces abaques (de Söllner) ne constituent que la méthode la plus communément
adoptée à ce jour.
D'autres techniques existent dont la dernière (UGR30 ) nécessite un traitement
informatique par photographie (prise en compte de l'angle solide et de la position des
sources dans l'espace).
30
Unified Glare Ratio : qui devient l'outil européen de travail sur les luminances
4 Notions d'ergonomie visuelle
4.1 Définition
L'ergonomie c'est : l'organisation méthodique du travail associée à l'aménagement de
l'équipement en fonction des possibilités de l'homme31 .
Il est utile de préciser que l'ergonomie est un tout, et qu'une approche qui ne prend en
compte que la composante visuelle est incomplète. Il est commun de trouver des interactions
avec des paramètres de posture, d'acoustique, de thermique... Nous renvoyons chacun à
d'autres formations ou aux conseils d'un ergonome.
Pour l'approche visuelle, disons tout de suite que l'éclairage idéal n'existe pas, il est
toujours le résultat d'un compromis entre des données :
techniques, culturelles (esthétiques... ), individuelles, relationnelles, historiques,
économiques...
Chacun d'entre nous diffère par sa façon de regarder le monde, il est donc important
de prévoir un environnement lumineux variable dans l'espace et dans le temps. Cela
dit, il est souhaitable en plus, que chacun puisse avoir le contrôle de cette variabilité.
Le seul outil pertinent pour étudier le confort d'un local est la luminance.
Elle seule permet de mesurer les catégories d'éblouissement, c'est à dire la mauvaise
répartition des luminances. Malheureusement pour des raisons de rapidité, de
matériel, et de coût, c'est souvent l'éclairement seul qui est pris en compte.
4.2 Les approches pluridisciplinaires32
Les approches in-situ des phénomènes d'ambiance (thermiques, acoustiques,
lumineux... voire olfactifs et tactiles) montrent rapidement les limites de la
monodisciplinarité. En effet, le même son ou la même lumière peuvent être ressentis
de façon très différente, voire opposée, selon les sujets, les groupes sociaux, ou les
moments.
Par exemple :
- un fragment sonore que vous aimez, selon qu'il est passé sur votre propre chaîne
HI-FI à un moment qui vous convient, ou sur celle du voisin (donc à niveau bien plus
faible) à un moment inopportun, conduira à deux comportements radicalement
différents
- un rayon de soleil pénétrant dans votre bureau peut selon le moment vous réjouir
ou vous gêner fortement. Même si les conditions de température et d'éblouissement
sont identiques, votre humeur ou votre activité induiront fortement cette réaction.
Il s'agit donc de convoquer différentes disciplines pour comprendre la complexité de
ces réactions.
Différents travaux ont montré que trois approches complémentaires peuvent
permettre une bonne compréhension des ambiances architecturales et urbaines :
- une approche environnementale, qui privilégie les aspects physiques et
physiologiques, et qui constitue l'essentiel du document que vous avez entre les
mains, et met en avant le côté fonctionnel des rapports de l'homme au contexte.
- une approche médiale (traitant du milieu) qui privilégie les aspects psychologiques et
sociaux, et qui met en avant le côté fusionnel des rapports de l'homme au contexte.
- une approche paysagère, qui privilégie les aspects sensibles, esthétiques et spatiaux,
et qui met en avant le côté perceptif des rapports de l'homme au contexte.
Cette nouvelle grille d'analyse se présente donc sous la forme d'un triangle au
sommet duquel nous pouvons positionner nos trois approches, et on voit bien sur ce
31
Larousse 1998 - Nota : avant 1970, la 2 ème partie était libellée ainsi :
- étude des conditions d'adaptation de l'homme à son travail (les notions évoluent !)
32
le texte qui suit s’appuie sur les travaux développés par le laboratoire CRESSON à l’école
d’architecture de Grenoble, en particulier pour ces trois approches sur les travaux de P. AMPHOUX.
schéma qu'une intervention dans un seul des trois domaines n'a de sens que si c'est
bien ce domaine qui concentre l'essentiel des problèmes rencontrés.
La représentation ci-dessous donne une vue d'ensemble des ces trois domaines d'intervention
ENVIRONNEMENT VISUEL
Connu
Physique/Physiologique
Qualité visuelle
MILIEU VISUEL
Vécu
Psychologie/Sociologie
Confort visuel
Éclairement sur la tâche visuelle
Vitesse et précision
Clarté
Sécurité objective
Bien-être/Convivialité
Agrément/fatigue
Sentiment de sécurité
PAYSAGE VISUEL
Sensible
Création/Esthétique
Beauté visuelle
Équilibre des luminances et des couleurs
Variabilité
Impression d'espace, d'intimité
On situe assez facilement sur cette figure
les erreurs qui peuvent être commises :
augmenter le niveau d'éclairement quand c'est sur la variabilité qu'il faudrait agir
ou les actions à entreprendre:
éclairer les murs pour donner une impression d'espace
S'il faut bien convenir que ces approches varient d'un individu à l'autre et parfois en
fonction du moment (par exemple l'effet de la mode : le "boum" des lampes indirectes
à halogènes dans les années 1980, puis dans les années 1990, celui des halogènes
miniatures basse tension...) elles permettent au moins de ne pas considérer l'éclairage
comme une approche unique, et de se poser à chaque fois des questions dans ces trois
domaines.
La démarche pluridisciplinaire est toujours nécessaire pour traiter de notions aussi
complexes que celles de confort ou d'ambiance, et des outils de ce type peuvent
constituer des garde-fous pratiques, même si ils ne sont pas applicables à tous les cas.
4.3 Bref aperçu de l'évolution historique des techniques d'éclairage
L'histoire de l'éclairage électrique, bien que fort récente (la lampe à incandescence
d'Edison date de 1879) peut aussi compléter notre vision du problème.
Les sources actuelles et leur utilisation
Depuis la crise de l'énergie, de nouvelles sources (ou plutôt des améliorations de
sources anciennes) sont apparues, et chacun dispose d'une large palette pour éclairer
l'espace.
Le développement de sources intenses de petite dimension (incandescence - halogène,
halogénures métalliques, sodium haute pression blanche) a relancé l'éclairage indirect
très en vogue jusque dans les années trente. Cette technique qui évite les ombres et
les reflets est très répandue pour l'éclairage des écrans d'ordinateurs. Elle commence à
être utilisée même en situation industrielle, l'intérêt étant une maintenance facilitée
par une hauteur moindre des sources (nettoyage plus facile donc plus courant,
remplacement moins coûteux... donc coût d'installation et de maintenance réduits).
Son principal handicap réside dans une plus grande difficulté de projet, les données
sur la réflexion des matériaux des parois ne sont pas toujours simples ni faciles à
obtenir.
L'halogène suscite un engouement dans le grand public et les commerces, cette
passion est justifiée33 , du moins dans la mesure où cela ne conduit pas aux surchauffes
que l'on peut rencontrer dans certaines boutiques basses de plafond (le réflecteur
dichroïque34 n'étant pas suffisamment efficace dans ce cas). De nombreux commerces
s'orientent de plus en plus vers les nouvelles sources sodium blanches, plus
performantes et à durée de vie bien plus longue.
Inversement la fluorescence est toujours injustement boudée en France. La diversité
des teintes et des indices de rendus de couleurs devrait briser la connotation
"industrielle" de ces sources. En plus leur rendement 4 à 5 fois supérieur à
l'incandescence classique, et leur durée de vie 8 à 10 fois plus longue, sont des facteurs
économiques majeurs lors d'un bilan global (il est vrai que le faible coût du kWh en
France est probablement pour beaucoup dans cette différence avec les autres pays
industrialisés). Ces sources existent depuis quelques années sous forme de
fluorescence compacte, pouvant remplacer en de nombreuses circonstances
l'incandescence. De nombreux pays en voie de développement ne s'y sont pas
trompés, et les utilisent plus largement, puisqu'elles allient faible consommation et
peu d'apport sous forme de chauffage.
Enfin des lampes fluorescentes alimentées en haute fréquence (10 à 20 000 Hz)
permettent une augmentation de l'efficacité lumineuse (de 20 à 30%), une gradation
de la lumière, et éliminent totalement l'effet de "papillotement" qui reste gênant pour
certaines personnes. Leur coût très légèrement supérieur aux lampes fluorescentes
classiques devrait baisser avec une généralisation de leur utilisation.
33
le principal progrès vient des sources TBT (très basse tension) qui par leur miniaturisation ont permis
une meilleure photométrie des luminaires, et une plus large liberté dans leur création.
34
réflecteur sélectif constitué d'une mosaïque de petits miroirs capables de réfléchir la partie visible
de la lumière vers l'avant, tout en laissant passer la partie infra-rouge (chaleur) vers l'arrière ... ce
dispositif n'a de sens que si l'on évacue cette chaleur arrière !
L'éclairage fonctionnel
C'est celui qui fait l'objet des projets d'éclairage au sens technique du terme.
"Les techniques d'éclairage sont un ensemble de méthodes permettant d'assurer, en
qualité et en quantité, une distribution de lumière adaptée à l'usage désiré" 35
Les cas d'espaces clos ont fait l'objet d'études, de méthodes de calcul, et de
recommandations depuis de nombreuses années (pour mémoire l'AFE36 en est en
1993 à sa 11e édition revue et corrigée de valeurs recommandées d'éclairement des
locaux de travail).
Actuellement l'AFE préconise par exemple 425 lux comme éclairement moyen à
maintenir37 pour un éclairage de bureau (travaux généraux)... qu'en était-il
précédemment ?
- en 1951 : 200 lux étaient préconisés par R.Laurent38
- en 1961 : entre 400 et 800 lux............. par les services de Philips39
- en 1965 : 300 lux .................................. par Dourgnon et Déribéré40
- en 1971 : 400 lux .................................. par l'AFE (recommandations)
- en 1977 : 500 lux .................................. par l'AFE (recommandations)
- et enfin en 1993 : 425 lux ..................
par l'AFE (recommandations dont la
base de calcul à changé, et qui correspond en fait aux 500 lux précédents).
En fait, en 1971, les valeurs d'éclairement réellement réalisées dans des immeubles de
bureau (bureaux paysagés) étaient plus proches de 800 lux que des 400 lux préconisés,
et P. Lemaigre-Voreaux41 pouvait conclure dans un article de la Revue Française de
l'Électricité (EDF) de 1972 : "L'évolution des niveaux d'éclairement en éclairage
artificiel pourrait conduire en France au slogan publicitaire : 2000 lux en l'an 2000 " !
A la même époque, et toujours pour un travail de bureau, l'écart d'éclairement
réellement réalisé entre les différents pays industrialisés était énorme42 (les chiffres cidessous sont des valeurs moyennes relevées in-situ) :
Allemagne
750 lux
Australie
650 lux
Autriche
625 lux
Canada
3000 lux
Danemark
600 lux
Etats Unis
3000 lux
France
650 lux
Grande Bretagne 750 lux
Japon
750 lux
Pays Bas
625 lux
Pologne
400 lux
On voit là encore le décalage entre les richesses nationales, les cultures, la pression des
grands fabricants... où se situe la valeur "idéale" ?
La réponse à cette question n'est pas apportée par l'année 1973 (et le premier choc
pétrolier), qui marque une date charnière dans la course au "toujours plus"43 .
35
VANDEPLANQUE P. : L'éclairage : notions de base, projets d'installation - Paris - Technique et
Documentation - 1981 - 170p
36
AFE : Association Française de l'Eclairage : 52 Bd Malesherbes - 75008 Paris - C'est une association
de type "société savante" regroupant la majorité des chercheurs, constructeurs, projeteurs et
installateurs en éclairage. Elle travaille en liaison avec la CIE (Commission Internationale de
l'Eclairage). Ses recommandations sont en général reprises par les législations ou les cahiers des
charges.
37
limite inférieure de l'éclairement moyen, au moment où les opérations d'entretien doivent être
obligatoirement effectuées, pour garantir la pérennité des performances visuelles des utilisateurs. Ce
nouveau concept est lié à une homogénéisation internationale des valeurs.
38
LAURENT R. : L'éclairage électrique moderne - Paris - Dunod - 1950
39
FAVIE J.W., DAMEN C.P., HIETBRINK G., QUAEDFLIEG N.J. : Eclairage - Eindhoven Bibliothèque Technique Philips - 1961 - 196p
40
LEBLANC M.,DOURGNON J., DERIBERE M.: L'éclairage et l'installation électrique dans le
bâtiment - Paris - Eyrolles - 1965
41
physicien, animateur de l'AFE durant de nombreuses années
42
Résultat d'une enquête de la CIE menée en 1970 par le comité technique 4.1
Enfin, il n'est pas possible de terminer ce tour d'horizon sans pointer quelques autres
valeurs recommandées plus anciennes :
- en 1913, la CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) est crée, elle préconise
alors d'atteindre 19 lux pour un travail de mécanique 44 ,
- en 1924, cette même CIE préconise un niveau d'éclairement de 50 lux pour le même
travail de mécanique fine. Actuellement le même travail est recommandé avec un
éclairement minimum de 1500 lux !
S'il fallait convaincre que ces valeurs ne sont pas que physiologiques !
43
même si les nouvelles sources permettent actuellement d'atteindre un niveau d'éclairement
équivalent pour un consommation moindre (les valeurs actuellement mises en œuvre et mesurées in-situ
sont proches des recommandations).
44
Rappelons au passage que 1 lux est l'éclairement fourni par une bougie à 1 mètre de distance, que c'est
sur cette base que s'est construite la photométrie à ses débuts, et que bien sûr en 1913 il était
remarquable de fournir l'équivalent de 19 bougies à un mécanicien !
11 - Les éléments du projet d'éclairage intérieur
1 - Dans le cas d'un local de travail (éclairement uniforme)
C'est généralement dans ce cas que le "projet type" qui est décrit dans les ouvrages
s'applique. Il fait référence à un local parallélépipédique, mais il est toujours possible
de traiter des locaux différents par approximation.
Les principaux points à prendre en compte sont les suivants :
- les sources lumineuses : par soucis évident d'économie les sources incandescentes ne
sont quasiment jamais utilisées
- les luminaires :
le premier critère est celui du "non éblouissement" sous des angles horizontaux
faibles (la luminance de la source doit rester dans des limites fixées par des abaques :
abaques de Söllner, résultant de mesures effectuées sur un grand nombre de sujets)
le second critère est celui de l'ouverture du luminaire (angle d'ouverture)
donné dans les catalogues par une lettre majuscule variant de A à J (A pour un
luminaire très fermé, J pour le plus ouvert).
Plus le luminaire sera fermé (lettre proche de A), plus il faudra les rapprocher pour
avoir une valeur relativement constante de l'éclairement. Dans ce cas on imagine
facilement que la réflexion des murs aura peu d'importance (pas ou peu de flux
réfléchi).
le troisième critère est son rendement photométrique (en général compris
entre 40 et 80 %). Ce critère conditionne son coût d'usage.
et bien sûr des critères esthétiques et économiques...
- l'éclairement à réaliser dans le local est donné par des tables régulièrement mises à
jour par l'AFE (association Française de l'Éclairage) en fonction de l'usage du local. Ces
valeurs sont à corriger en fonction de différents paramètres, par exemple : âge des
utilisateurs, local aveugle, ...45
- cet éclairement est à corriger aussi en fonction de l'entretien du local.
en effet, les sources vieillissent, et perdent du flux, les luminaires et les murs se
salissent... un coefficient de "dépréciation" (variable entre 1,1 et 2) tient compte de
toutes ces pertes. Remarquer d'affecter un coefficient de dépréciation de 1,5 revient à
majorer de 50% la puissance installée au départ46 .
- le dernier point, le moins important dans l'ordre d'influence est donné par le facteur
de réflexion des parois, qu'il ne faut pas confondre avec leur couleur (à couleur
différente peut correspondre un même facteur de réflexion, et vice-versa).
On a vu au-dessus que ce point aura d'autant plus d'importance que les luminaires
seront ouverts, il sera également plus important que le local aura une faible surface au
sol par rapport à la surface des murs.
2 - Dans les autres cas
Seules les techniques de calcul point par point, et des expérimentations peuvent
donner des résultats dans ces cas.
L'expérience du projeteur ou de l'architecte et la comparaison à des situations
semblables sont des atouts appréciables.
45
Voir dans les annexes l'usage de la norme X35 103 : principes d'ergonomie visuelle appliqués à
l'éclairage des lieux de travail
46
Voir dans les annexes la partie maintenance
12 - Le cas du travail sur poste informatique
Les différents contrastes des écrans, induisent des comportements visuels différents,
et ne nécessitent pas exactement le même environnement lumineux :
- fond sombre et caractères clairs (contraste positif), dans ce cas, le fond d'écran doit
être malgré tout suffisamment clair pour éviter la vision scotopique (déplacement de
la courbe de réponse de l'œil).
- fond clair et caractères sombres (contraste négatif) souvent plus confortables.
Pour ce qui est de l'environnement lumineux, il faut bien entendu éviter les réflexions
parasites (plus visibles sur un écran sombre) ou les contrastes importants :
- il ne faut donc pas situer un poste de travail face ou dos à une baie vitrée non
protégée (store ou autre système)
- le choix des luminaires est important : luminaires à basse ou très basse luminance. Il
sera d'autant plus nécessaire de soigner l'implantation que la luminance des
luminaires sera élevée.
Dans de nombreux cas, un éclairage individuel de complément réglable en position et
en puissance est souhaitable. Pour éviter les contrastes trop intenses, cet éclairage ne
doit jamais être utilisé seul, et son éclairement ne doit pas dépasser 5 fois l'éclairement
général47 .
Les schémas ci-dessous résument les principales consignes classiques.
Contrastes maximums à ne pas dépasser entre l'écran, la feuille de lecture, le plan de travail et les
fonds proches et éloignés
(Remarquez que la feuille est sur un support permettant de la situer à la même distance de l'œil que
l'écran)
Représentation des zones qui peuvent être source de reflets sur un écran.
Dans la plupart des cas, le changement de position de l'écran ne sera pas suffisant pour éviter ces
reflets, il faut alors intervenir aussi sur les sources de lumière.
47
Attention, dans la pratique, l'éclairement apporté par une lampe d'appoint est toujours très élevé
(souvent plus de 1000 lux) et le déséquilibre de luminances lié à cette source devient vite très
fatiguant, surtout si elle est utilisée seule : zone de travail très éclairée, reste du local sombre.
ANNEXE 1 - CRITÈRES DE CHOIX DES SOURCES LUMINEUSES
1 - Le Flux lumineux et l'efficacité lumineuse :
L'expression de l'efficacité lumineuse (rapport du flux de la source à sa puissance :
exprimé en lm/W) montre bien les différences de coût que peut induire le choix d'une
famille de source par rapport à une autre.
2 - Température de couleur (T°K) et indice de rendu des couleurs (IRC).
T°K : de 2 700 °K à 8 000 °K selon les sources
IRC : de 0 à 100
Les deux valeurs sont indépendantes, mais n'ont de signification qu'ensemble (un
rendu ce couleur dépend de la dominante de la teinte).
3 - Durée de vie moyenne
Il s'agit pour les lampes à incandescence d'une durée normalisée : 1000 h, et pour les
incandescence à halogène : 2000 h. De nombreuses lampes du second type durent en
réalité plus longtemps.
Pour toutes les autres lampes, leur durée de vie varie avec le nombre
d'allumage/extinction, les valeurs données tiennent en général compte de 2 cycles de
ce type par jour.
Le tableau de la page suivante résume ces caractéristiques.
Il existe trois grandes familles de sources lumineuses
1 – Les sources qui éclairent parce qu’un élément est porté à haute température
(incandescence).
C’est la famille la mieux connue du grand public, elle s’est enrichie depuis une
vingtaine d’années des sources à halogènes, plus blanches et d’une durée de vie plus
longue.
2 – Les sources à excitation électronique dans les gaz, dites sources « à décharge ».
Les gaz commerciaux utilisés pour l’éclairage sont essentiellement le mercure et le
sodium. Les pressions de gaz dans l’ampoule sont basses ou élevées (basse et haute
pression).
Les sources à sodium sont plutôt jaunâtres, et leur appellation commerciale comporte
toujours le terme sodium.
Les sources à mercure sont plutôt verdâtres, et elles comprennent une famille
particulière : les sources fluorescentes, qui sont excitées dans l’ultraviolet, et dont le
rayonnement devient visible par action photochimique du revêtement intérieur de la
source. Les fluo-compactes constituent l’élément de substitution aux sources
incandescentes. Les lampes à induction ont la particularité de ne pas avoir d’électrodes
(qui constitue la partie d’usure des autres sources).
3 – Les sources à excitation électronique dans un solide (électroluminescence) dont
les représentants principaux sont actuellement les LED (Light-Emitting Diodes). Peu
commercialisées pour l’instant, elles sont probablement promises à un bel avenir du
fait de leur durée de vie (plus de 100 000 heures).
ANNEXE 2 - CRITÈRES DE CHOIX DES LUMINAIRES
Le choix d'un luminaire (du point de vue photométrique, en oubliant les questions de
coût et d'esthétique) se ramène à la connaissance de sa courbe photométrique et de sa
luminance en fonction de l'angle d'observation.
1 - la courbe photométrique : répartir le flux
Elle représente la façon dont le flux sort du luminaire (courbe de répartition des
intensités lumineuses).
Selon les usages, on préfèrera une courbe pointue (très directionnelle) ou très aplatie
(peu directionnelle). De nombreux luminaires ont actuellement des courbes en "aile de
chauve-souris" qui permettent d'équilibrer l'éclairement à plus grande distance, et
possèdent l'appellation "très basse luminance" garantissant l'éblouissement.
large ouverture
faible ouverture
aile de chauve-souris
lèche-mur
La façon dont le flux sort des luminaires permet de nommer le type de luminaire. Cidessous les appellations courantes :
APPELLATION COURANTE DES LUMINAIRES EN FONCTION DE LA RÉPARTITION DU FLUX INFÉRIEUR
Intensif
Extensif
100%
100%
Semi direct
90%> Fi > 60%
Mixte
Diffus
50%
Semi indirect
Indirect
40%> Fi > 10%
0%
2 - La luminance en fonction de l'angle d'observation : cacher la source
Le schéma ci-dessous montre que les luminaires les plus éloignés sont ceux qui risquent le plus de se
trouver dans le champ visuel d'un usager.
γ1
γ2
Plan de l'oeil
Ceci est d'autant plus vrai que le local est plus profond.
Les constructeurs proposent diverses solutions pour cacher la source de la vue directe,
la plus simple consiste à définir un angle de défilement γd inférieur à une valeur
donnée (proche en général de 70°).
Lampe compacte
Luminaire ouvert
γd
Luminaire à paralume
γd
γd
Les fabricants fournissent pour les luminaires les plus performants les courbes de
luminance en fonction de l'angle d'observation, et tracent ces courbes sur des réseaux
de luminance-limite en fonction de la tâche à accomplir et du degré de qualité exigé.
La lecture et l’interprétation de ces courbes ne fait pas partie d’une initiation rapide à
l’éclairage des locaux.
3 – Les critères de choix non photométriques
3.1 – protection électrique
Il existe 3 classes selon le principe mis en oeuvre
Classe 1
Isolation avec
mise à la terre
des parties
métaliques
Classe 2
Classe 3
Double
Isolation
Alimentation
en très
basse tension
12 V
3.2 - protection contre les influences extérieures
Il s’agit des corps solides (doigt, objet, ou poussière) et de l’eau
Degré
0
1
2
3
4
5
6
1 er chiffre
introduction de corps
solides
2 ème chiffre
introduction de
l'eau
non protégé
eau verticale
verticale à 15°
eau en pluie
projections
jets d'eau
paquets de mer
plus de 50 mm
plus de 12 mm
plus de 2,5 mm
plus de 1 mm
poussière
poussière sous
pression
7
8
immersion
immersion prolongée
3.3 - protection contre les chocs
Degré de protection contre les chocs
1
5
7
9
Energie de chocs (en Joules)
0,225 J
2 J
6 J
20 j
Qui correspond à une chute d’une 150 g
500 g
1,5 kg
5 kg
Masse d’une hauteur de : de 15 cm de 40 cm de 40 cm de 40 cm
ANNEXE 3 - LE SUIVI D'UNE INSTALLATION
1 - Perte de flux des sources
Toutes les sources perdent du flux durant leur fonctionnement, le schéma ci-dessous
montre le cas de tubes fluorescents :
100
90
dernière génération
amélioré
80
70
60
50
40
standard
30
20
15000
12500
10000
7500
5000
2500
10
0
0
Flux lumineux relatif (en %)
Perte de flux de différents types de tubes
fluorescents
durée de fonctionnement (en heures)
Il est facile de voir sur ce diagramme qu'au bout de 3 ans de fonctionnement (7500 heures)une
installation peut avoir perdu : 6% ; 20% ou 27% selon le type de tubes fluorescents choisis.
Entre les extrêmes il y a un rapport de flux résiduel de 94/73 = 1,28 ! soit 28% de tubes en moins à
installer pour un résultat identique (si il y a un changement de tubes tous les trois ans).
2 - Entretien
Variation de l'éclairement d'un local avec la durée d'utilisation
Perte de flux
Éclairement
100%
80%
Valeur
maintenue à
3 ans
60%
40%
2500 h
1 an
5000 h
2 ans
7500 h
3 ans
10 000h
4 ans
12500 h
5 ans
Durée d'utilisation de l'installation
On voit que le premier entretien qui a lieu au bout d'un an (nettoyage des sources et des luminaires)
remonte l'éclairement de 70 à 90%, et qu'un nettoyage plus complet au bout de 3 ans permet de
retrouver la perte de flux des tubes.
Les résultats ci-dessus sont explicites, mais si l'on ne change pas les tubes au bout de 3
ans, la valeur minimale va vite décroître et passer sous les 60%.
Or avec 60% de flux maintenu à 3 ans, il faut installer : E/0,6 = 1,6E ! soit un
éclairement de départ majoré de 60% : pour un bureau cela signifie passer de 425 à 680
lux le jour de la réception des travaux !
ANNEXE 4 - LA RÉGLEMENTATION
•
Décret 83-721 (2 août 83) fixant les minima d'éclairement réglementaires (circulaire du 11 avril 84)
Les valeurs données dans ce règlement supposent que le travailleur est à son poste de
travail, en position de travail.
Les valeurs minimales sont les suivantes :
Voies de circulation intérieure
Escalier et entrepôt
Locaux de travail, vestiaires, sanitaires
Locaux aveugles affectés à un travail permanent
40
60
120
200
L'éclairage peut être obtenu au moyen d'éclairage et localisé
Selon le type de tâches on peut retenir les valeurs minimales suivantes (en lux):
mécanique moyenne, travail de bureau
200
bureau de dessin, mécanographie
300
mécanique fine, comparaison de couleurs
400
électronique, contrôles
600
Tâche très difficile
800
De plus, sauf impossibilité prouvée, ou incompatibilité avec les tâches à accomplir,
l'éclairage naturel et la vue sur l'extérieur sont obligatoires. Le schéma ci-dessous
résume les contraintes légales de ce point de vue :
Sbv
3m
Sp
1m
•
Sbv > Sp/4
avec Sp = surface de la plus
grande paroi donnant sur
l'extérieur.
Pour Sbv on ne compte que
la surface au dessous de 3m
et au dessus de 1 m
Recommandations de l'AFE : éclairage intérieur des lieux de travail (oct 93)
Dans le cas de ces recommandations, le local est vide, les mesures se font sur le poste de
travail non occupé, et les valeurs fournies sont des valeurs moyennes à maintenir
(fonction de la maintenance). Elles sont souvent prises comme référence dans le cahier
des charges du bâtiment.
•
Décret 91-451 (14 mai 91) sur la prévention des risques liés au travail sur écrans de visualisation (qui
dépasse largement le cadre du simple éclairage)
•
Norme NFX 35-121 : travail devant écran de visualisation et clavier. Aménagement du local et du
poste de travail (Juin 87)
Norme NFX 35-103 : principes d'ergonomie visuelle applicables à l'éclairage des lieux de t r a v a i l
(oct 90)
•
Cette dernière norme montre qu'il est nécessaire de modifier une valeur d'éclairement
donnée selon la tâche à effectuer, le local et les usagers.

1- La lumière - École Nationale Supérieure d`Architecture de Grenoble

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