SIPCPAT Agrégation de Génie Civil Georges Zissis CPAT - U. Toulouse III.
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SIPSIPCPATCPAT
AgrégationAgrégation de Génie Civil de Génie Civil
Georges ZissisCPAT - U. Toulouse III
SIPSIPCPATCPAT
Le rayonnement EM et la lumièreLe rayonnement EM et la lumière
I
UHF
VHF
TV
FM
Radar
Radiodiff
OC
Fréquence en Hz
VisibleCourant
de réseau
1010
1022 1
1
10201018 1016 1014
1012 11010108
106 104 102
102 104 106 10810-210-410-610-810-1010-12 Longueur d'onde en cm
UV Infra rouge
Rayons X
Rayons Radiodiffusioçn
Chaufage HF
380 nm 760 nm
c
E h hc
Quelques relationsQuelques relationsfondamentalesfondamentales
Bande12345678
CouleurViolet Foncé
VioletBleu
Bleu-vertVert
JauneOrangeRouge
Limites (nm)380 - 420420 - 440440 - 460460 - 510510 - 560560 - 610610 - 660760 - 760
SIPSIPCPATCPAT
Que signifie "Voir" ?Que signifie "Voir" ?
Voir : Utiliser un photorécepteur afin de détecter, localiser et identifier un objet éclairé par une source de lumièreobjet
photorécepteursource de lumière
Source de lumière Puissance émise (Flux) Spectre
Photorécepteur Luminosité "Couleur"
Objet Couleur Forme
SIPSIPCPATCPAT
FovéaFovéa
Le photo-récepteurLe photo-récepteur
Cônes & bâtonnets
CellulesHorizontales
Bipolaires, AmacrinesGanglionnairesL’œil humain est comparable à un appareil photographique
On ne peut pas détecter la réaction du cerveau à un seul photon
SIPSIPCPATCPAT
La réponse du photorécepteurLa réponse du photorécepteur1. Luminosité1. Luminosité
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0V(
)700650600550500450400
(nm)
Q ui ckTi me™ et un décompresseurPhoto - J PEG sont requi s pour vi sual i sercette i mage.
L ’œil présente un maximum de sensibilité vers 555 nm dans les conditions de vision photopique
1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm)Autour de cette longueur d ’onde la sensibilité décroît et s’annule vers 380nm et 760nm.
Très nombreux (~125 millions)
Très sensibles (1 bâtonnet peut réagir à 1 seul photon, mais le quantique n’est que de 50%)
Insensibles à la couleurLents à l’adaptation
De la cornée à la rétine (exclue) la courbe de transmission spectrale couvre une gamme de 300 nm à 1400 nm.
Le cristallin porte la limite inférieure globale à 380 nm au lieu de 300 nm
SIPSIPCPATCPAT
La réponse du photorécepteurLa réponse du photorécepteur2. Couleur2. Couleur
L'œil perçoit des longueurs d'ondeet le cerveau "voit" des couleurs
Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde
de la lumière incidente
En petit nombre (~ 5 millions/œil)
Sensibilité moyenneGrande vitesse de réponseSensibles à la couleur
Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui d’un cône !
Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms).
Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi.
Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui d’un cône !
Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms).
Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi.
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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités1. Le flux1. Le flux
Energie émise(W) Filtre V()
Flux lumineux(lm)
F P()V()d380nm
760nm
683 lm /W
Flux Débit
EquivalentEquivalent
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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités2. L'intensité lumineuse2. L'intensité lumineuse
Unité : le candela (cd)1 cd = 1 lm/sr
Source lumineuse ponctuelle
Flux dansune direction
Débit dansune direction
X
O
EquivalentEquivalent
X'
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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités3. L'éclairement3. L'éclairement
E = ∆Fabs/∆S
Unité : lx ou lm/m2
Source lumineuse
Objet
X
OL'angle solide (sr)L'angle solide (sr)
SIPSIPCPATCPAT
Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités4. L'excitance4. L'excitance
M = ∆Femis/∆Ssource
Unité lm/m2
Source lumineusenon-ponctuelle
F sur 2π sr
S source
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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités5. La luminance5. La luminance
L = I/Sapp
Unité cd/m2 ou lm/sr.m2
I
I
Surface apparenteA
Surface apparentea
L1 IA
L2 Ia
IllustrationIllustration
L1 « L2
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Les grandeurs et les unitésLes grandeurs et les unités6. Synthèse6. Synthèse
SIPSIPCPATCPAT
Lois de baseLois de base1. Loi de l'inverse du carré de la 1. Loi de l'inverse du carré de la
distancedistance
SourcePonctuelle
X
d1
d2
I = ∆F/∆∆
S1
S2
E FS
I F
E
Id 2
E1 I
d12 » E2
Id2
2
L'éclairement diminue en s'éloignant de la source
ConséquenceConséquence
SIPSIPCPATCPAT
Lois de baseLois de base2. Loi du 2. Loi du cosinuscosinus
O P
h
d
SourcePonctuelle
Plan utile
I
E Id 2
I I0 cos
h d cos
E I0 cos3
h2
Pour une source uniforme etnon-ponctuelle
E Ei I0cos3 i
hi2
i
i
GénéralisationGénéralisation
SIPSIPCPATCPAT
Lois de baseLois de base3. Loi de 3. Loi de LambertLambert
L I0
I
P
Pour une surface parfaitement diffusante
L() = constante
I = I0 cos
Loi de Lambert
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Réflexion - TransmissionRéflexion - Transmission
Pin Pr
PtPin = Pr + Pt
+ = 1
Pin Pr
Pt
Pin = Pr + Pt + Pth
+ + = 1
Pth
La températureaugmente
Coef. de réflexion
Coef. de transmission
Cas idéalCas idéal Cas réelCas réel
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Réflexion SpéculaireRéflexion SpéculaireLoi de DescartesLoi de Descartes
La vitesse de la lumière est constante
La lumière se déplace sur le chemin le plus court
entre deux points dans l'espace (ligne droite)
|| OP || = || OP' ||
= (angle de départ = angle d'arrivée)
Les points POO' définissent un planperpendiculaire à la surface de réflexion
Surfaceparfaitement lisse
O
P
P'
O'
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Réflexion DiffuseRéflexion Diffuse
Faisceauincident
Etat microscopiquede la surface
Réflexions
Pas de direction ni plan privilégiés
Surface réelle
O
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Coefficients de réflexionCoefficients de réflexion
Dans tous les cas tot ≤ 1et
tot + + = 1
Réflexion diffuse : d
Réflexion spéculaire s
Réflexion totale tot = s+d
Surface parfaitement diffusanteSurface parfaitement diffusante Surface parfaitement réfléchissanteSurface parfaitement réfléchissante
L dE
Lout sLin
RelationsRelations
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La couleurLa couleur1. Le rôle de 1. Le rôle de
cônescônes
Il existe 3 types de cônesIl existe 3 types de cônes
Bâtonnets
Trois "couleurs" principales : Rouge, Vert, Bleu
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La couleurLa couleur2.2. L'œil perçoit des longueurs d'onde L'œil perçoit des longueurs d'onde
et le cerveau "voit" des couleurset le cerveau "voit" des couleurs
En moyenne, notre œil est capable de discerner plus de 350 000 couleurs différentes
Mais très peu de personnes ont une perception correcte des couleurs
Synthèse additive
Synthèse soustractive
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La couleurLa couleur3. Représentation 3. Représentation
RVBRVB
[0,0,1]
[0,1,0]
[1,0,0]
Cyan[0,1,1]
Jaune[1,1,0]
Magenta[1,0,1] Blanc
[1,1,1]Noir
[0,0,0]
R
V
B
Le système RVB
Couleur "a"[r,v,b]
r' r
r v b
v' v
r v b
b' b
r v b
Base : R= 700 nm, V = 546,1 nm, B = 435,8 nmLR = 1 cd/m2, LV = 4,59 cd/m2, LB = 0,06 cd/m2
Coordonnées du blanc (W) : 1/3 - 1/3 - 1/3
En réalité beaucoup de couleurs ne peuvent pasentrer dans cette représentation !
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La couleurLa couleur4. Le triangle de 4. Le triangle de
couleurscouleurs
V
B
RPlan r'+v'+b'=1
Lieux de couleursdu spectre
Projection (x, y)
Cette représentation n'est valable que pour la lumièreémise par un source ("lumières d'orifice")
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La couleurLa couleur5. Approche 5. Approche
visuellevisuelle
L'espace de Munsellet sa représentation simplifiée
T = teinteS = saturationL = luminosité
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La couleur des objetsLa couleur des objets
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Sources de lumièreSources de lumièreQuelques ordres de grandeurQuelques ordres de grandeur
Sources primaires
SoleilLampe à incandescence 100 claireLampe à incandescence 100 dépolieLampe fluorescente 40W (T12)Bougie stéarique
Sources secondaires
Lune
Papier banc (=0,8)Papier gris (=0,4)Papier noir (=0,04)
165 000 x104
600 x104
125 x103
7 x103
5 x103
2,5 - 3 x103
100 50 5
Eclairées avec une lampe de 100 W équipé d'un diffuseur en verre opalin (Ø38)Eclairement 400 lx
Luminance (cd/m2)
La luminance minimumsusceptible d'impressionner
l'œil est de :
10-9 cd/cm2
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Comment produire de la lumièreComment produire de la lumièresans électricitésans électricité
CHAUDCHAUD
Feu Torches Chandelles Lampes à huile
FROIDFROID
LuminescenceLuminescence
Bio-luminescence Phosphorescence Tribo-luminescence Thermo-luminescence Foudre
LUMIERELUMIEREJe dois trouverbeaucoup de
lucioles
IncandescenceIncandescence
SIPSIPCPATCPAT
Comment produire de la lumièreComment produire de la lumièreavec électricitéavec électricité
Humphry Davy &Humphry Davy &Michael FaradayMichael Faraday
1812181218121812
Arc au charbonArc au charbon
Arc Electrique
Thomas EdisonThomas Edison
1878187818781878
Filament au charbonFilament au charbon
Incandescence
SIPSIPCPATCPAT
LuminescenceLuminescenceLuminescenceLuminescence
DéchargeDéchargeélectriqueélectrique
Electro-Electro-luminescenceluminescenceIncandescenceIncandescenceIncandescenceIncandescence
La famille des lampesLa famille des lampesélectriquesélectriques
Moded'excitation
Pressionopérationnelle
Type de spectred'émission
ClassiqueFilament de W
Halogène
Filtresélectif
Agrégats
L.E.D
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Production de la lumièreProduction de la lumière
Spectre de raies
Méthode "chaudeMéthode "chaude""Méthode "chaudeMéthode "chaude""
Méthode "froide"Méthode "froide"
FilamentFilamentmétalliquemétallique
chaudchaud
FilamentFilamentmétalliquemétallique
chaudchaud
Milieu DenseMilieu Dense
Interactions Fortes
AtomesMoléculesAtomes
Molécules
Milieu dilué
Interactions Faibles
Spectre ContinuSpectre Continu
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SIPSIPCPATCPAT
Les lampes sont partout !Les lampes sont partout !
EclairageIntérieur
ApplicationsIndustrielles
Véhicules &Transport Panneaux
d'affichage
Eclairage Public
Eclairage desMonuments
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Public10%
Rsidentiel30%Tertiaire
60%
Quelques chiffresQuelques chiffres
30 milliards de lampes fonctionnent chaque jour sur terre10 milliards de nouvelles lampes sont produites chaque année1 000 TWh d'énergie électrique sont consommées par an
1000 millions de tonnes de CO2 sont
injectées dans l'atmosphère par an
80 tonnes de déchets contaminés au Hg sont collectées chaque année en France
10% de la production mondiale de l'électricité
11,5 % pour la France 21% pour les USA 34% pour la Tunisie
En 1979 : 5 TWhEn 1999 : 14 TWh
40 GWh pour Toulouse (1995)
41 TWh pour la France en 1999
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La question: La question:
La ré
ponse
est
plu
tôt
La ré
ponse
est
plu
tôt
com
plexe
com
plexe
!!
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Quelques définitionsQuelques définitions(le photorécepteur)(le photorécepteur)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
V()
700650600550500450400
(nm)
Q ui ckTi me™ et un décompresseurPhoto - J PEG sont requi s pour vi sual i sercette i mage.
L'œil perçoit des longueurs d'ondeet le cerveau "voit" des couleurs
Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde
de la lumière incidente1 watt (W) émit à 555 nm
vaut 683 lumens (lm)
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Un exemple de "Couleur"Un exemple de "Couleur"
OriginalOriginalSodium
Basse pression
SodiumHaute
Pression
MercureHaute
Pression
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Puissance émisePr ()
SpectreI
Quelques définitionsQuelques définitions(la source de lumière)(la source de lumière)
Puissance électriquePin
Efficacité électriqueEfficacité électrique (%) : (%) :
Efficacité lumineuseEfficacité lumineuse (lm/W) : : (lm/W) : :
Pr ( )d
0
Pin
k
Pr ()Vph( )d400
700
Pin
Indice Rendu CouleursIndice Rendu Couleurs IRC
Temp. de couleurTemp. de couleur Tc
ContinuRaies (ou bandes)Mixte
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Une première réponseUne première réponse
La qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'applicationLa qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'applicationpour laquelle a été réaliséepour laquelle a été réalisée
La qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'applicationLa qualité d'une source de lumière ne peut être définie qu'en fonction de l'applicationpour laquelle a été réaliséepour laquelle a été réalisée
0 100
12 lm/WIRC~100
200 lm/WIRC~0
Bon
Faible
Moyen
IRC
Sodium Haute Pression
MercureHaute Pression
MHL(quartz)
MHL(céramique)
Sodium Haute Pression
"White"
incandescence
Sodium Basse Pression
Éclairageintérieur
Éclairageroutier
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Histoire du développement Histoire du développement des lampesdes lampes
(1e Période)(1e Période)
Filament autungstène
Incandescenceremplie avec du gaz
Néon
Systèmes à arcexpérimentaux
1897-1913
HPS
MHLLED
Halogène
Incandescence(filament axial)
FluorescenteForte intensité
(T8)
1955-1965(J. Waymouth, LS:5, 1989)
MHP
LPS LampeFluorescente
(T12)
Incandescence(filament spiralé)
1930-1938
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Histoire du développement Histoire du développement des lampesdes lampes
(2e Période)(2e Période)
Fluorescentcompact (CFL)
MHLminiature
Ballastélectronique Incandescence
(filtre sélectif)
1970-1989
????1990-…
(J. Waymouth, LS:5, 1989)
SIPSIPCPATCPAT
Évolution de l'efficacité lumineuseÉvolution de l'efficacité lumineusedes sources des sources
(J. Waymouth, ALITE-95)
L'industrie des lampes a-t-elle atteintL'industrie des lampes a-t-elle atteintquelque limite thermodynamique ?quelque limite thermodynamique ?
Lampe au Soufre
Fluo Compacte (CFL)
Na Haute Pression (SON)
Na HP blanche
Fluorescent
Na Basse pression (LPS)
HID/MHL
Incandescence
Evolution de l'efficacité
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La limite théorique pourLa limite théorique pourla lumière blanchela lumière blanche
800
600
400
200
0750700650600550500450400
(nm)
0.3xLCN (Wm-2nm
-1)
Vphot( (lm W-1)
683 lm/W
BB
(J. Waymouth, ALITE-95)
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Histoire du développement Histoire du développement des lampesdes lampes
(3e Période)(3e Période)
Sans électrodesHF/RF
Contrôlede la couleur Soufre HP
Agrégats
Excimer
Configurations 2-D
Fluorescentes(T5 et
sans mercure)
LED forteIntensité
EtLED UV
1990-…
LampeSans mercure
(Zinc)
Hg-UHP
Fluorescentcompact (CFL)
MHLminiature
Ballastélectronique Incandescence
(filtre sélectif)
1970-1989
SIPSIPCPATCPAT
RécepteurRécepteurLampeLampe
h
La lampe n'est qu'un élémentLa lampe n'est qu'un élémentd'un système complexed'un système complexe
Source deSource depuissancepuissance
RéseauRéseau
EnvironnementEnvironnement
EnergétiqueArchitecture...
PhysiologieErgonomie
Psychologie...
Phys. plasmas Chimie
Matériaux...
Génie électriqueElectronique...
SIPSIPCPATCPAT
Les "10 commandements"Les "10 commandements"d'une bonne lamped'une bonne lampe
Produit le maximum delumière avec le minimumde l'énergie électrique
Ait une longue vie
Soit interchangeableavec d'autres lampes
Produit une lumière stable sans fluctuationsconstante sur toute ta vie
Ne pollue pasChaleurUVInterférences EM
Matériaux toxiques
Soit légère et compacte
Ne coûte pas cher Produit toute
ta lumièreinstantanément
Soit recyclableProduit une "bonne" lumière Spectre IRC Température de couleur
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Dans un monde sans lampes...Dans un monde sans lampes...
… tous les chats sont gris !