Physique–Chimie — 2nde Bac Pro — Année 2025–2026

Chapitre 14 — Lumière, couleurs et photodétecteurs

Optique • Éclairage • Photodétecteurs

Dernière mise à jour : 31 juillet 2026, 14:10

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Objectifs du chapitre

Situation professionnelle — Éclairage d'un showroom de meubles

Un électricien conçoit l'éclairage d'un magasin : il doit choisir des sources LED à la bonne température de couleur pour mettre en valeur les produits exposés, et dimensionner l'éclairement des zones de présentation selon les normes du commerce de détail.

1. Introduction — La lumière en atelier

Dans les métiers de l’atelier, du bâtiment et de l’aménagement, l’éclairage joue un rôle essentiel à plusieurs niveaux :

Exemple concret
Un client choisit un plan de travail en chêne clair sous un éclairage fluorescent à la boutique. Une fois installé chez lui sous des spots halogènes, la teinte semble beaucoup plus jaune–dorée. Ce phénomène est dû à la température de couleur et à l’indice de rendu des couleurs (IRC) différents selon les sources.

Comparaison rapide des sources lumineuses

Trois grandes familles de lampes coexistent dans les ateliers et showrooms :

Point clé
Pour la finition du bois (teinture, lasure, peinture), on recherche généralement une source avec un IRC élevé. Le niveau à retenir dépend toutefois du cahier des charges et des couleurs à contrôler : l’IRC ne suffit pas, à lui seul, à garantir une correspondance parfaite des teintes.

2. Nature de la lumière

Définition
La lumière visible est un rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 380 nm et 780 nm (1 nm = 10−9 m). C’est la seule partie du spectre électromagnétique détectable par l’œil humain.

La longueur d’onde détermine la couleur

Couleur Longueur d’onde (λ) Aperçu
Violet 380 – 450 nm
Bleu 450 – 495 nm
Vert 495 – 570 nm
Jaune 570 – 590 nm
Orange 590 – 620 nm
Rouge 620 – 780 nm

Relation entre célérité, longueur d’onde et fréquence

\( c = \lambda \times f \) \(c\) : célérité de la lumière dans le vide \(= 3 \times 10^8\) m/s — dans l’air, la lumière se propage pratiquement aussi vite (indice \(n \approx 1{,}00\), voir le chapitre 13) : on garde la même valeur — \(\lambda\) : longueur d’onde en mètres (m) — \(f\) : fréquence en hertz (Hz)

Plus la longueur d’onde est courte, plus la fréquence est élevée (et l’énergie du photon plus grande). La lumière violette est donc plus énergétique que la lumière rouge.

Spectre visible — représentation

380 nm 450 nm 495 nm 570 nm 620 nm 780 nm Violet Bleu Vert Jaune Orange Rouge

Spectre visible — de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge)

Application

La lumière verte utilisée dans un éclairage LED de showroom a une longueur d'onde de λ = 535 nm.

  1. Rappeler la relation entre célérité de la lumière, longueur d'onde et fréquence.
  2. Convertir 535 nm en mètres.
  3. Calculer la fréquence f de cette lumière. Exprimer le résultat en terahertz (THz).

Donnée : c = 3,00 × 108 m/s.

1. La relation fondamentale est : \(c = \lambda \times f\), donc \( f = \dfrac{c}{\lambda} \).

2. Conversion : \(\lambda = 535 \text{ nm} = 535 \times 10^{-9} \text{ m} = 5{,}35 \times 10^{-7} \text{ m}\).

3. Calcul de la fréquence :

\( f = \dfrac{3{,}00 \times 10^8}{5{,}35 \times 10^{-7}} \approx 5{,}61 \times 10^{14} \text{ Hz} = \mathbf{561 \text{ THz}} \)

La lumière verte à 535 nm a une fréquence d'environ 561 THz. Elle appartient bien à la plage du vert (495–570 nm).

Le photon — énergie et longueur d’onde

Définition
La lumière peut aussi être décrite comme un flot de grains d’énergie appelés photons. Un photon n’a pas de masse : il transporte uniquement de l’énergie, et cette énergie est fixée par la longueur d’onde du rayonnement. Un rayonnement monochromatique est donc constitué de photons qui portent tous la même énergie.
\( E = \dfrac{h \times c}{\lambda} \) \(E\) : énergie d’un photon en joules (J) — \(\lambda\) : longueur d’onde en mètres (m) — \(c = 3{,}00 \times 10^8\) m/s — \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\) J·s (constante de Planck)

Remarque : comme \(c = \lambda \times f\), on écrit aussi \(E = h \times f\) avec \(f\) la fréquence en hertz (Hz). En Seconde, c'est la forme en longueur d'onde qui est utilisée ; la forme en fréquence est vue en Première.

À retenir
\(\lambda\) est au dénominateur : plus la longueur d’onde est courte, plus le photon est énergétique. C’est pourquoi, en allant du rouge vers le violet puis vers les ultraviolets, chaque photon devient de plus en plus énergétique — et de plus en plus capable d’abîmer la matière vivante ou de décolorer un bois.
Méthode — Calculer l’énergie d’un photon
Le télémètre laser d’un géomètre émet un rayonnement infrarouge de longueur d’onde \(\lambda = 905\) nm. Quelle est l’énergie de chacun de ses photons ?

1. Convertir la longueur d’onde en mètres : \(\lambda = 905\ \text{nm} = 905 \times 10^{-9}\ \text{m} = 9{,}05 \times 10^{-7}\ \text{m}\).
2. Appliquer la relation : \[ E = \frac{h \times c}{\lambda} = \frac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{9{,}05 \times 10^{-7}} = \frac{1{,}989 \times 10^{-25}}{9{,}05 \times 10^{-7}} \approx 2{,}20 \times 10^{-19}\ \text{J} \] 3. Interpréter : pour la lumière verte à 535 nm de l’exemple précédent, le même calcul donne \(E \approx 3{,}72 \times 10^{-19}\) J. Le photon infrarouge est bien moins énergétique que le photon vert, puisque sa longueur d’onde est plus grande.
Erreur fréquente
Oublier de convertir les nanomètres en mètres : avec \(\lambda = 905\) au lieu de \(9{,}05 \times 10^{-7}\), on trouve une énergie un milliard de fois trop petite. 1 nm = \(10^{-9}\) m.

3. Lumière blanche et couleurs

Propriété
La lumière blanche est la superposition de toutes les radiations du spectre visible. Newton l’a démontré en 1666 en faisant passer un faisceau de lumière solaire à travers un prisme : le prisme décompose la lumière blanche en arc-en-ciel (dispersion chromatique). Un second prisme inverse le phénomène et reconstitue la lumière blanche.

3.1 Synthèse additive (RGB)

Définition
La synthèse additive consiste à additionner des lumières colorées. Les trois couleurs primaires additives sont le Rouge (R), le Vert (G — Green) et le Bleu (B). Ce système s’applique aux écrans, aux projecteurs et aux éclairages LED colorés.

Règles de mélange en synthèse additive :

Rouge Vert Bleu Jaune Magenta Cyan Blanc

Synthèse additive — superposition de lumières RGB

Application en atelier
Les éclairages LED RGB utilisés dans les showrooms de meubles fonctionnent sur le principe de la synthèse additive. En faisant varier l’intensité des LED rouge, verte et bleue, on obtient n’importe quelle teinte d’éclairage pour mettre en valeur des produits, une façade ou une scène de spectacle.
Application — Piloter un projecteur LED RGB

Un éclairagiste installe au-dessus d’un stand un projecteur à trois voies (LED rouge, verte, bleue) fonctionnant en synthèse additive. Il veut successivement obtenir une lumière jaune, une lumière cyan, puis une lumière blanche.

Pour chaque teinte, indiquer quelle(s) voie(s) il doit allumer.

En synthèse additive, on additionne des lumières colorées à partir du rouge (R), du vert (V) et du bleu (B).

  • Jaune : allumer Rouge + Vert (R + V = Jaune).
  • Cyan : allumer Vert + Bleu (V + B = Cyan).
  • Blanc : allumer les trois voies : Rouge + Vert + Bleu (R + V + B = Blanc).

Résultat : jaune ⇒ R + V ; cyan ⇒ V + B ; blanc ⇒ R + V + B.

3.2 Synthèse soustractive (CMJ)

Définition
La synthèse soustractive s’applique lorsque l’on mélange des matières colorées (peintures, encres, teintures). Chaque pigment absorbe (soustrait) certaines longueurs d’onde. Les couleurs primaires soustractives sont le Cyan (C), le Magenta (M) et le Jaune (J / Yellow).

Règles de mélange en synthèse soustractive :

Application en atelier
Ne pas confondre
Synthèse additive : on ajoute de la lumière (fond noir → blanc). Utilisée pour les écrans et l’éclairage LED coloré.
Synthèse soustractive : on retire des longueurs d’onde (fond blanc → noir). Utilisée pour les peintures, teintures et impressions.
Application — Couleur perçue selon l’éclairage

Dans un showroom, un meuble est laqué en rouge : sous la lumière blanche, sa surface ne renvoie que la lumière rouge et absorbe le reste. Un vendeur teste deux ambiances d’éclairage LED monochromatique.

  1. Sous un éclairage rouge, de quelle couleur le meuble apparaît-il ?
  2. Sous un éclairage bleu, de quelle couleur apparaît-il ? Justifier.

La couleur perçue d’un objet dépend de la composition spectrale de l’éclairage : l’objet ne peut renvoyer que les radiations qu’il reçoit et qu’il n’absorbe pas.

1. Le meuble reçoit de la lumière rouge et diffuse justement le rouge : il apparaît rouge (vif).

2. Le meuble reçoit uniquement de la lumière bleue, mais sa surface absorbe le bleu et ne le renvoie pas. Aucune lumière n’est réémise : il apparaît noir (très sombre).

C’est pourquoi un éclairage à faible IRC ou de teinte trop marquée peut fausser la perception des couleurs d’un produit.

3.3 L’œil : modèle optique simplifié

Définition
Pour raisonner en optique, on remplace l’œil par un modèle qui ne retient que trois éléments : un diaphragme, une lentille convergente et un écran. Ce modèle suffit à expliquer comment une image se forme au fond de l’œil.
Élément de l’œilRôle optiqueÉquivalent dans le modèle
Iris et pupilleRègle la quantité de lumière qui entre dans l’œilDiaphragme
Cornée et cristallinFont converger les rayons pour former l’imageLentille convergente
RétineReçoit l’image et la convertit en signal nerveuxÉcran (capteur)
objet iris (diaphragme) cornée + cristallin (lentille convergente) rétine (écran) image renversée

Figure — Modèle optique simplifié de l’œil : la lentille (cornée + cristallin) forme sur la rétine une image renversée de l’objet observé.

Propriété — L’œil réalise une synthèse additive
La rétine porte trois familles de cellules appelées cônes, sensibles respectivement au rouge, au vert et au bleu. Chaque cône envoie son propre signal, et le cerveau additionne les trois : l’œil fonctionne donc exactement comme une synthèse additive.
C’est ce qui explique qu’un écran ou un projecteur n’ait besoin que de trois lumières monochromatiques (R, V, B) pour reproduire toutes les couleurs : il ne recrée pas le spectre réel, il se contente de stimuler les trois cônes dans les mêmes proportions.
Application — L’œil au travail
  1. Un géomètre passe d’un local de stockage sombre à un chantier en plein soleil : sa pupille se referme aussitôt. Quel rôle optique joue-t-elle, et à quel élément du modèle correspond-elle ?
  2. Un panneau de signalisation est éclairé par une LED jaune monochromatique (\(\lambda = 575\) nm). Sur l’écran d’un téléphone, le même jaune est obtenu en allumant les sous-pixels rouge et vert. Pourquoi l’œil ne fait-il pas la différence entre ces deux jaunes ?

a. La pupille règle la quantité de lumière qui pénètre dans l’œil : elle se referme quand l’éclairement augmente pour protéger la rétine. Dans le modèle, elle joue le rôle du diaphragme.

b. Parce que l’œil ne mesure pas les longueurs d’onde une par une : il ne dispose que de trois signaux, ceux des cônes rouges, verts et bleus. La LED à 575 nm et le couple rouge + vert de l’écran stimulent les cônes dans les mêmes proportions : les trois signaux transmis au cerveau sont identiques, donc la couleur perçue est la même. Les deux lumières sont pourtant physiquement très différentes — un appareil de mesure du spectre, lui, les distinguerait sans peine.

4. Les photodétecteurs

Définition
Un photodétecteur est un composant électronique qui convertit un signal lumineux en signal électrique. La grandeur électrique produite (tension, courant ou résistance) varie en fonction de l’éclairement reçu par le composant.

5.1 La LDR (Light Dependent Resistor — Photorésistance)

Principe
La LDR (photorésistance) est un composant dont la résistance diminue quand l’éclairement augmente. Elle est fabriquée en sulfure de cadmium (CdS). En obscurité totale, sa résistance peut atteindre plusieurs mégaohms ; en pleine lumière, elle tombe à quelques centaines d’ohms.

Valeurs typiques : 1 kΩ (lumière) – 1 MΩ (obscurité). Temps de réponse lent (quelques millisecondes à quelques secondes).

5.2 La photodiode

Principe
La photodiode est une diode semiconductrice qui génère un courant électrique proportionnel à l’éclairement reçu. Elle est très rapide (temps de réponse de l’ordre de la nanoseconde) et précise. Elle est montée en sens inverse (polarisation inverse). Très utilisée dans les télécommandes infrarouges et les barrières optiques.

5.3 Le phototransistor

Principe
Le phototransistor fonctionne comme un transistor dont la base est commandée par la lumière. Il fournit un courant amplifié comparé à la photodiode, ce qui le rend utile dans les circuits d’alarme et de détection de présence où l’on a besoin d’un signal plus puissant.

5.4 Les capteurs d’image CCD et CMOS

Principe
Les capteurs CCD (Charge-Coupled Device) et CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) sont des matrices de millions de photodiodes organisées en pixels. Ils capturent une image entière. Ils équipent les caméras numériques, téléphones et systèmes de vision industrielle.

5.5 Tableau comparatif

Photodétecteur Grandeur électrique Caractéristique principale Applications en atelier
LDR Résistance (kΩ) R diminue avec la lumière — 1 kΩ à 1 MΩ — réponse lente Éclairage automatique atelier, veilleuse
Photodiode Courant (µA) Courant proportionnel à l’éclairement — très rapide (ns) Barrière optique machine, télécommande IR
Phototransistor Courant amplifié (mA) Signal amplifié — réponse rapide — plus sensible que photodiode Détection de présence, comptage pièces
CCD / CMOS Image numérique Matrice de pixels — haute résolution — traitement logiciel Contrôle qualité par vision, caméra atelier
Deux caractéristiques, pas une
Un photocomposant ne se caractérise pas seulement en fonction de l’éclairement : il se caractérise aussi en fonction de la longueur d’onde. Aucun photodétecteur ne répond de la même façon à toutes les couleurs.
La photodiode d’une barrière optique est faite pour l’infrarouge : elle « voit » très bien le faisceau de son émetteur et presque pas la lumière bleue de l’atelier — c’est justement ce qui la rend insensible à l’éclairage ambiant. À l’inverse, la cellule d’un luxmètre est corrigée pour répondre comme l’œil : maximale dans le vert, nulle en dehors du visible.
En pratique, on choisit donc un capteur sur deux critères : sa sensibilité (et sa rapidité), et le domaine de longueurs d’onde qu’il doit détecter.

5.6 Applications concrètes en atelier et au quotidien

Exemples d’application
Application

Une LDR est utilisée pour commander l'éclairage automatique d'un atelier. Elle est montée en série avec une résistance fixe de R = 10 kΩ et alimentée par une tension U = 12 V (pont diviseur de tension). La tension UR est mesurée aux bornes de la résistance fixe.

  1. On donne la loi du pont diviseur de tension : \( U_R = U \times \dfrac{R}{R + R_{\text{LDR}}} \). Vérifier qu’elle donne bien \(U_R = U\) lorsque la LDR n’oppose aucune résistance.
  2. Calculer la tension UR aux bornes de la résistance fixe en obscurité.
  3. Calculer la tension UR aux bornes de la résistance fixe en pleine lumière.
  4. Dans quel cas UR est-elle suffisante pour activer un système commandé à partir de 5 V ? Interpréter.

1. Formule du pont diviseur : \( U_R = U \times \dfrac{R}{R + R_{\text{LDR}}} \).

2. En obscurité (RLDR = 100 kΩ) :

\( U_R = 12 \times \dfrac{10}{10 + 100} = 12 \times \dfrac{10}{110} \approx \mathbf{1{,}09 \text{ V}} \)

3. En pleine lumière (RLDR = 1 kΩ) :

\( U_R = 12 \times \dfrac{10}{10 + 1} = 12 \times \dfrac{10}{11} \approx \mathbf{10{,}9 \text{ V}} \)

4. UR > 5 V uniquement en pleine lumière (10,9 V > 5 V). En obscurité, UR = 1,09 V : le système n'est pas activé.
Interprétation : en inversant la logique de commande, on peut programmer l'éclairage pour s'allumer quand il fait sombre (UR basse ⇒ seuil non atteint ⇒ relais activé).

5.7 La photopile (cellule photovoltaïque)

Principe
La photopile, ou cellule photovoltaïque, est le quatrième photocomposant du programme. Contrairement aux trois précédents, elle n’a pas besoin d’être alimentée : ce sont les photons reçus qui arrachent des électrons au silicium et créent directement une tension entre ses deux bornes. C’est un générateur commandé par la lumière.
Un panneau photovoltaïque de toiture n’est rien d’autre qu’un assemblage de photopiles reliées entre elles.
Caractéristique en fonction de l’éclairement
Le courant débité par une photopile est pratiquement proportionnel à l’éclairement reçu ; sa tension à vide, elle, varie peu. Relevé sur une petite cellule de démonstration :
Éclairement \(E\) (lx)5 00010 00040 00080 000
Courant débité (mA)3,77,43059
Tension à vide (V)0,500,530,560,58
C’est pourquoi la production d’une installation photovoltaïque suit de si près la couverture nuageuse : un passage nuageux divise l’éclairement, donc le courant, dans la même proportion.
Application — Lire la caractéristique d’une photopile

À partir du tableau ci-dessus :

  1. Quelle grandeur électrique dépend le plus de l’éclairement : le courant ou la tension à vide ?
  2. L’éclairement passe de 10 000 lx à 40 000 lx, soit un facteur 4. Le courant suit-il le même facteur ? Conclure.
  3. Cette photopile est utilisée comme capteur d’ensoleillement pour piloter des stores. Quelle grandeur faut-il mesurer ?

a. Le courant : quand l’éclairement est multiplié par 16 (de 5 000 lx à 80 000 lx), il passe de 3,7 mA à 59 mA, soit lui aussi ×16. La tension à vide, elle, ne gagne que 0,08 V (de 0,50 V à 0,58 V).

b. Le courant passe de 7,4 mA à 30 mA, soit \(\dfrac{30}{7{,}4} \approx 4{,}1\). Le facteur est bien le même à la précision des mesures près : le courant est proportionnel à l’éclairement.

c. Il faut mesurer le courant débité, seule grandeur qui renseigne réellement sur l’éclairement. Mesurer la tension à vide donnerait presque la même valeur par temps couvert et en plein soleil : le store ne bougerait jamais.

5. Éclairement et flux lumineux

6.1 Définitions

Définition — Flux lumineux
Le flux lumineux Φ (phi), exprimé en lumen (lm), représente la puissance totale lumineuse émise par une source, pondérée par la sensibilité de l’œil humain. Une ampoule LED de 9 W émet typiquement 1 100 lm.
Définition — Éclairement
L’éclairement E, exprimé en lux (lx), est le flux lumineux reçu par unité de surface. Il dépend à la fois du flux émis par la source et de la distance entre la source et la surface éclairée.
\( E = \dfrac{\Phi}{S} \) \(E\) : éclairement en lux (lx) — \(\Phi\) : flux lumineux en lumens (lm) — \(S\) : surface éclairée en mètres carrés (m²)
Modèle simplifié
La relation \(E = \Phi/S\) suppose que le flux lumineux utile est réparti uniformément sur la surface étudiée. Dans une installation réelle, une partie du flux n’atteint pas le plan de travail et la répartition n’est pas parfaitement uniforme.

6.2 Valeurs d’éclairement utilisées dans cette étude

Le tableau suivant fournit des ordres de grandeur pédagogiques. Le niveau à retenir dans un projet réel dépend de la tâche, des risques et des textes ou normes applicables. Il ne faut pas confondre ces objectifs de conception avec un seuil réglementaire unique.

Type de local / tâche Éclairement recommandé
Couloir, zone de circulation 100 – 200 lux
Bureau, salle de réunion 500 lux
Atelier de fabrication général 750 lux
Tâches précises, machines-outils 1 000 lux
Contrôle qualité, finition, cabine de peinture 1 000 – 1 500 lux

6.3 Loi de l’inverse du carré de la distance

Loi physique
Dans le modèle idéal d’une source ponctuelle rayonnant librement et d’une surface placée perpendiculairement au rayon lumineux, l’éclairement est inversement proportionnel au carré de la distance. Lorsque la distance double, l’éclairement est alors divisé par 4.
\( E \propto \dfrac{1}{d^2} \) \(d\) : distance entre la source et la surface (en m) — Si \(d\) double, \(E\) est divisé par 4.
Exemple chiffré
Une lampe produit 1 000 lux à 1 m de distance.
• À 2 m : \( E = 1000 / 2^2 = 250 \) lux.
• À 0,5 m : \( E = 1000 / 0{,}5^2 = 4\,000 \) lux.

Ce calcul illustre le modèle de la source ponctuelle. Pour dimensionner un éclairage réel, il faut aussi tenir compte de la géométrie et de la répartition photométrique des luminaires, des réflexions, de l’uniformité et de l’éblouissement.
Application

Un atelier de maintenance possède une surface de travail de S = 12 m². Pour cet exercice, le cahier des charges fixe un objectif d’éclairement moyen de E = 750 lux. On utilise le modèle simplifié d’un flux uniformément réparti.

  1. Rappeler la formule liant éclairement, flux lumineux et surface.
  2. Calculer le flux lumineux utile total Φ nécessaire pour atteindre cet objectif.
  3. Combien faut-il de lampes LED de 800 lm chacune pour atteindre ce flux ? Arrondir au nombre entier supérieur.

1. La formule est : \( E = \dfrac{\Phi}{S} \), donc \( \Phi = E \times S \).

2. Application numérique :

\( \Phi = 750 \times 12 = \mathbf{9\,000 \text{ lm}} \)

3. Nombre de lampes :

\( n = \dfrac{9\,000}{800} = 11{,}25 \rightarrow \mathbf{12 \text{ lampes}} \) (valeur arrondie au supérieur)

Application

Un chef d’atelier souhaite équiper son poste de finition. Il dispose d’un espace de 20 m² et veut respecter les contraintes suivantes :

  1. Calculer le flux lumineux total nécessaire Φtotal.
  2. Calculer le flux lumineux nécessaire par lampe (Φlampe).
  3. Des LED de 1 800 lm (IRC 95) sont disponibles. Valident-elles les besoins ? Justifier par le calcul.
  4. Pourquoi est-il essentiel de choisir IRC = 95 pour ce poste de finition ?

1. Flux total nécessaire :

\( \Phi_{\text{total}} = E \times S = 750 \times 20 = \mathbf{15\,000 \text{ lm}} \)

2. Flux par lampe :

\( \Phi_{\text{lampe}} = \dfrac{15\,000}{8} = \mathbf{1\,875 \text{ lm / lampe}} \)

3. Avec 8 lampes de 1 800 lm :

\( \Phi_{\text{total}} = 8 \times 1\,800 = 14\,400 \text{ lm} \)

\( E = \dfrac{14\,400}{20} = 720 \text{ lux} < 750 \text{ lux} \)

Les LED de 1 800 lm sont insuffisantes pour l’objectif de cette étude : l’éclairement moyen calculé (720 lux) est inférieur aux 750 lux fixés. Dans ce modèle simplifié, il faudrait choisir des LED d’au moins 1 875 lm — par exemple des modèles 2 000 lm pour disposer d’une marge.

4. Un IRC de 95 indique un rendu moyen des couleurs tests proche de celui de l’illuminant de référence. C’est un critère intéressant pour la finition du bois, mais il ne signifie pas « 95 % de fidélité » et ne garantit pas une correspondance exacte chez le client. Le résultat dépend aussi du spectre de la lampe, de sa température de couleur, de l’éclairage du lieu de destination et de l’environnement.

6.4 Mesurer un éclairement : le luxmètre

Définition
Le luxmètre est l’appareil qui mesure directement l’éclairement, en lux. Il est constitué d’une cellule photosensible et d’un afficheur. Sa cellule est corrigée pour réagir comme l’œil humain : sans cette correction, l’appareil compterait aussi des rayonnements que l’œil ne perçoit pas.
Méthode — Relever un éclairement
• Poser la cellule à plat, capteur vers le haut, à la hauteur du plan de travail (et non au sol ni au plafond) : c’est là que la lumière est utile.
• Se placer de façon à ne pas faire d’ombre sur le capteur, et retirer le capuchon de protection du capteur.
• Attendre la stabilisation de l’affichage, puis relever la valeur en lux.
• Un éclairage n’est jamais uniforme : on relève plusieurs points répartis sur la zone, et on compare la valeur la plus faible à l’objectif fixé.
Les quatre grandeurs d’un rayonnement lumineux
GrandeurSymbole et unitéCe qu’elle décrit
Longueur d’onde\(\lambda\), en nanomètres (nm)La couleur du rayonnement (et l’énergie de ses photons)
Flux lumineux\(\Phi\), en lumens (lm)Tout ce que la source émet, dans toutes les directions
Intensité lumineuse\(I\), en candelas (cd)Ce que la source émet dans une direction donnée — c’est elle qui distingue un spot d’un plafonnier de même flux
Éclairement\(E\), en lux (lx)Ce que la surface reçoit, par mètre carré
Toutes ces grandeurs agissent sur un photocomposant : si la source est plus puissante, plus proche, mieux dirigée, ou si sa couleur change, le signal électrique délivré par la LDR, la photodiode ou la photopile change lui aussi.

6. Diagramme du spectre visible — complété

Le diagramme ci-dessous situe le spectre visible dans le contexte plus large du spectre électromagnétique. Les ultraviolets (UV) se trouvent à gauche (longueurs d’onde < 380 nm) et les infrarouges (IR) à droite (λ > 780 nm). Ces deux régions sont invisibles à l’œil nu mais exploitées dans de nombreux capteurs industriels.

UV IR 380 nm 450 nm 495 nm 570 nm 620 nm 780 nm Violet Bleu Vert Jaune Orange Rouge λ croissante →  |  fréquence décroissante →

Spectre électromagnétique visible entre UV (λ < 380 nm) et IR (λ > 780 nm)

Effets des UV et des IR sur la santé

Danger
Ces deux domaines encadrent le visible, mais ils n’agissent pas du tout de la même façon sur le corps.
DomaineCe qui se passeEffets d’une exposition excessiveOù en rencontre-t-on ?
UV
\(\lambda < 380\) nm		 Photons très énergétiques : ils cassent des liaisons chimiques dans les cellules Peau : coup de soleil, vieillissement accéléré, cancers cutanés à long terme.
Œil : kératite (« coup d’arc » du soudeur), douloureuse et retardée de quelques heures ; cataracte après des années.		 Soleil sur chantier, soudage à l’arc, lampes de séchage et d’insolation, stérilisateurs
IR
\(\lambda > 780\) nm		 Photons peu énergétiques, mais très nombreux : ils échauffent les tissus Peau : brûlure thermique.
Œil : le cristallin concentre le rayonnement sur la rétine, qui peut être brûlée sans douleur.		 Fours, métal en fusion, lampes de séchage IR, lasers de marquage
Le vrai piège est commun aux deux : l’œil ne les voit pas. Aucun éblouissement, aucune paupière qui se ferme d’elle-même — on peut donc encaisser une dose importante sans rien sentir sur le moment, et ne le découvrir que le soir. C’est pourquoi la protection est ici obligatoire à l’avance et pas « quand on est gêné » : lunettes ou écran filtrant adaptés à la longueur d’onde de la source (voir le chapitre 1, sécurité).

7. Sources lumineuses en atelier

4.1 Tableau comparatif des sources

Type de source Température de couleur IRC Efficacité (lm/W) Durée de vie
Incandescente 2 700 K 100 15 1 000 h
Halogène 3 000 K 99 25 2 000 h
Fluorescente (néon) 4 000 K 85 70 8 000 h
LED standard 2 700 – 6 500 K 80 – 90 100 – 130 25 000 h
LED haute performance 2 700 – 5 000 K 90 – 98 140 – 180 50 000 h
Application — Éclairement d'un plan de travail

Un luminaire d'atelier diffuse un flux lumineux Φ = 2 400 lm sur un plan de travail de 3 m². L'éclairement se calcule par \(E = \dfrac{\Phi}{S}\) (en lux).

  1. Calculer l'éclairement \(E\) du plan de travail.
  2. La valeur retenue dans ce chapitre pour une tâche précise sur machine-outil est de 1 000 lux (voir le tableau du § 6.2). L’objectif est-il atteint ?

1. \(E = \dfrac{\Phi}{S} = \dfrac{2\,400}{3} = \mathbf{800 \text{ lux}}\).

2. \(800 \text{ lux} < 1\,000 \text{ lux}\) : l’objectif n’est pas atteint pour une tâche précise sur machine-outil. L’éclairement conviendrait en revanche à un poste de bureau (500 lux) ; pour ce plan de travail, il faut renforcer l’éclairage.

4.2 Température de couleur

Définition
La température de couleur, exprimée en Kelvin (K), caractérise la teinte de la lumière émise par une source. Plus la valeur est élevée, plus la lumière est « froide » (bleutée). Plus elle est basse, plus la lumière est « chaude » (jaunâtre).
Plage en K Type Usage recommandé en atelier
2 700 – 3 000 K Blanc chaud Showroom, ambiance, exposition de meubles
3 000 – 4 000 K Blanc neutre Espaces de vente, accueil client
4 000 – 5 000 K Blanc froid Atelier, contrôle qualité
5 000 – 6 500 K Lumière du jour Finition, cabine de peinture, correspondance couleur

4.3 Indice de Rendu des Couleurs (IRC / CRI)

Définition
L’Indice de Rendu des Couleurs (IRC), appelé aussi CRI en anglais (Color Rendering Index), compare le rendu moyen de couleurs tests sous une source à celui obtenu sous un illuminant de référence de température de couleur voisine. Sa valeur maximale est 100. Il ne s’agit ni d’un pourcentage de fidélité, ni d’une comparaison systématique avec la lumière du soleil.
Méthode
Pour choisir l’éclairage d’un poste de finition, on commence par fixer le cahier des charges. Dans l’étude proposée ici, on retient par exemple :
  1. un modèle de lampe à IRC 95 ;
  2. une température de couleur de 5 000 K ;
  3. un objectif d’éclairement moyen de 750 lux sur le plan de travail ;
  4. Privilégier les LED haute performance (meilleure efficacité énergétique et grande durée de vie).
Ces valeurs constituent les données de l’étude, pas des seuils universels pour tous les ateliers.

8. Comparaison de l’efficacité lumineuse — Graphique

Le graphique ci-dessous compare l’efficacité lumineuse (en lm/W) des principales technologies d’éclairage. Plus la valeur est élevée, moins la lampe consomme d’énergie pour produire la même quantité de lumière.

9. À retenir

À retenir
  1. La lumière visible est un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 380 et 780 nm. La relation \(c = \lambda \times f\) relie célérité (\(3 \times 10^8\) m/s), longueur d’onde et fréquence.
  2. Synthèse additive (RGB) pour les éclairages LED colorés et écrans : R+G+B = Blanc. Synthèse soustractive (CMJ) pour les peintures et teintures : C+M+J = Noir. Ce sont deux logiques opposées.
  3. Pour un travail de finition, de peinture ou de contrôle de couleur, on recherche un IRC élevé défini par le cahier des charges. L’IRC compare un rendu moyen à un illuminant de référence : ce n’est pas un pourcentage de fidélité.
  4. Dans un modèle simplifié où le flux utile est uniforme, l’éclairement moyen se calcule par \(E = \Phi / S\). La loi en \(1/d^2\) s’applique au modèle idéal d’une source ponctuelle. Les 750 lux utilisés dans les exercices sont un objectif d’étude, pas un minimum universel.
  5. Les photodétecteurs (LDR, photodiode, phototransistor, photopile, CCD/CMOS) transforment la lumière en signal électrique. Ils permettent l’automatisation de l’éclairage, la sécurité des machines et le contrôle qualité par vision en atelier.
  6. L’œil se modélise par un diaphragme (iris), une lentille convergente (cornée + cristallin) et un écran (rétine) ; ses trois types de cônes lui font réaliser une synthèse additive.
  7. Un photon transporte une énergie \(E = h c / \lambda\) : plus \(\lambda\) est courte, plus il est énergétique. C’est pourquoi les UV abîment chimiquement la peau et l’œil, tandis que les IR, moins énergétiques, brûlent par échauffement. Les deux étant invisibles, la protection doit être mise avant l’exposition.

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