La luminance de la CIE

La Fonction d'efficacité lumineuse spectrale

Sous ce nom mystérieux se cache une notion centrale de la photométrie moderne et qui va permettre d'évaluer le rapport qui existe entre le flux énergétique objectif d'une source lumineuse et le flux lumineux subjectif que nous percevons. Il est assez facile de mesurer l'énergie consommée par une source lumineuse, mais un peu plus compliqué d'évaluer l'énergie dissipée sous forme de lumière, car nos yeux interprètent la luminance différemment selon la coloration de la source lumineuse. Cette sensibilité spectrale de l'œil est pris en compte sous la forme d'un paramètre K qu'on appelle la fonction d'efficacité lumineuse spectrale.

Le facteur de visibilté
Ou efficacité lumineuse relative

Dans l'expérience mise en place par la CIE, on a préféré relativiser la fonction d'efficacité lumineuse spectrale (symbole K) en choisissant comme référence la valeur maximum (c'est-à-dire 683) atteinte dans l'expérience en lui donnant la valeur 1. Les taux ainsi obtenus portent le nom de facteur de visibilité (ou efficacité lumineuse relative) noté avec le symbole V(λ). Le tableau appelé facteur de visibilité affiche toutes les valeurs relatives de V(λ) comprises entre 0 et 1.

Fig. 1. La table du facteur de visibilité V(λ) (1924), souvent appelée aujourd'hui la table d'efficacité lumineuse spectrale. En face de chaque longueur d'onde (en millimicron à l'époque), figure le relevé du flux lumineux exprimé en lumen. Il atteint son maximum à 1 lumen pour 555 nanomètres (non inscrit sur le tableau).

Fig. 2. Le tableau de la fig. 1 est représenté ici sous forme graphique. La courbe V(λ) confirme que nous voyons le vert plus lumineux que le rouge ou le bleu. En rouge, la courbe de visibilité pour une vision diurne (version de 1924, observateur de 2 °) et en gris, courbe de visibilité pour une vision nocturne .

Avant les années 1920, on ne savait pas mesurer le flux lumineux. Dans l'expérience de 1924, on dérive pour la première fois une unité photométrique d'une unité énergétique. Pour avoir une estimation de ce flux lumineux, la CIE met en place une expérimentation qui consiste à relever le niveau du flux lumineux pour 36 paliers de couleurs spectrales visibles. Bien entendu, on connait le flux énergétique utilisé par toutes ces couleurs. Une nouvelle unité photométrique est alors proposée pour évaluer ce flux lumineux : le lumen. On décide par convention de définir l'unité 1 lumen comme le flux lumineux maximum obtenu dans l'expérience et le flux énergétique utilisé pour obtenir ce lumen est de 1/683 watt.

L'efficacité lumineuse maximum est Km = 683 lm/W

Le facteur de visibilité maximum est V(555) = 1

Par simpification, mais aussi parfois par confusion, le facteur de visibilité ou efficacité relative est souvent appelé efficacité lumineuse spectrale, avec la notation V(λ).

La Commision Internationale de l'Eclairage s'intéressait avant tout, à cette époque, à l'éclairage public et la fonction d'efficacité lumineuse était un moyen simple d'exprimer en unité photométrique (en lumen), des quantités exprimées en Watt afin de connaître l'efficacité lumineuse d'une ampoule placée dans la rue et par conséquent de connaître son véritable rendement lumineux. La CIE a développé deux courbes d'efficacité lumineuse spectrale, une pour la vision normale en plein jour appelée vision photopique et une autre pour la vision nocturne appelée vision scotopique. Celle qui nous intéresse ici est la courbe de vision photopique.

La fonction de Luminance V(λ)

Fig. 2. Simulation de la table de 1924 avec des valeurs visuelles. Les nombres en pourcentages représentent la luminance V(λ) qu'on accorde à la couleur correspondante. Les niveaux de gris des cercles sont simulés par des valeurs en clarté (L* de CIELAB). Par exemple sur le 7e point, 18 % de V égale 49 % de L*.

La table de la fig. 1 a été construite pour des raisons pratiques afin d'avoir un outil de mesure pour connaître l'efficacité lumineuse dans le domaine de l'éclairage public. Elle n'a pas été conçue à l'origine pour intervenir dans un quelconque système colorimétrique. Toutefois, la luminance qui exprime le niveau lumineux qu'on a du flux lumineux est proportionnelle à ce dernier. Si on décide arbitrairement que la luminance relative correspondant à 1 lumen est égale aussi à 1, la table de la fig. 1 représente alors la luminance exprimée entre 0 et 1. Par exemple, la couleur correspondant à 610 nm a une luminance de 50 % (0,503 exactement). La table d'efficacité lumineuse spectrale est donc aussi le support pour décrire la luminance. Pour cette raison, on nomme aussi cette table la fonction de luminance.

C'est Schrödinger qui remarque la similitude de la fonction Luminance avec la fonction Y et qui va influencer les chercheurs de la CIE pour l'adopter comme référence pour la luminance. Judd va proposer une méthode pour l'intégrer dans le modèle XYZ.

Dans le domaine de la photométrie, la luminance est reliée au flux lumineux par la surface de la source et la relation s'écrit :
Luminance = Flux/surface apparente en lm/(m2 . sr)
Dans le système moderne des unités internationales, la luminance est désormais reliée à l'unité de base qui est la candela et elle s'exprime :
Luminance = intensité lumineuse/ surface apparente en cd/m2