Candela (cd) : l’unité SI d’intensité lumineuse

La candela (symbole : cd) est l’unité de base SI pour l’intensité lumineuse, quantifiant la luminosité perçue de la lumière visible émise par une source dans une direction particulière. Contrairement aux autres unités SI fondées uniquement sur des constantes physiques invariables, la candela intègre de façon unique un aspect physiologique : la vision photopique humaine, ce qui en fait la seule unité SI fondamentalement liée à la perception humaine.

Définition et fondement

La candela est officiellement définie comme suit :

“La candela, symbole cd, est l’unité SI d’intensité lumineuse dans une direction donnée. Elle est définie en prenant la valeur numérique fixée de l’efficacité lumineuse du rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 10¹² hertz, Kcd, à 683 lorsqu’elle est exprimée en lm·W⁻¹, ce qui équivaut à cd·sr·W⁻¹.”

Cela signifie que une candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source émettant un rayonnement monochromatique à 540 × 10¹² Hz (correspondant à une longueur d’onde de 555 nm dans l’air — lumière verte, où la sensibilité de l’œil humain est maximale) avec une intensité énergétique de 1/683 watt par stéradian dans cette direction.

La fonction de luminosité photopique CIE (V(λ)) montre la sensibilité de l’œil humain aux longueurs d’onde visibles. La définition de la candela utilise le maximum à 555 nm.

La candela est directionnelle et perceptive :

• Directionnelle : Elle mesure l’intensité dans une direction précise, pas la quantité totale de lumière produite.
• Perceptive : Elle est pondérée par la réponse de l’œil humain, décrite par la fonction de luminosité photopique CIE (V(λ)), et pas seulement par l’énergie physique.

Portée et limites

Que mesure la candela ?

• Intensité lumineuse (cd) : la puissance de lumière visible émise par unité d’angle solide dans une direction spécifique, telle que perçue par l’œil humain moyen.
• Elle ne mesure pas la lumière totale produite (lumen), la lumière incidente sur une surface (lux), ni le rayonnement non visible (infrarouge/ultraviolet).

Où est-elle utilisée ?

• Conception d’éclairage (projecteurs, phares automobiles, écrans d’affichage)
• Signalisation aéronautique, automobile, maritime et ferroviaire
• Réglementation et conformité en sécurité (ex. : panneaux de sortie de secours, feux d’obstacle)
• Technologie d’affichage et visuelle
• Ergonomie et études sur le confort visuel

Quelles sont ses limites ?

• S’applique uniquement à la lumière visible, telle que définie par la réponse de l’observateur standard (V(λ)).
• Inadaptée pour des applications de perception non humaine (ex. : vision machine, systèmes IR/UV).
• Non représentative de la puissance totale de la source : elle est directionnelle, non intégrale.

Développement historique

La candela a évolué à partir des premières tentatives de standardisation de la lumière à l’aide de bougies et lampes :

• XIXe siècle : Les « bougies standard » (ex. : bougie à spermaceti anglaise, lampe Carcel française) définissaient la lumière émise, mais étaient très variables.
• 1909 : La bougie internationale est définie via une lampe à filament de carbone.
• 1933 : Passage à une référence physique : corps noir au point de fusion du platine.
• 1948 : Le système SI formalise cette référence comme unité de base.
• 1979 : Définition moderne basée sur le rayonnement monochromatique à 555 nm (540 × 10¹² Hz), correspondant au maximum de sensibilité de l’œil humain.
• 2019 : La révision actuelle du SI lie la candela aux constantes fondamentales et à l’efficacité lumineuse fixée à 683 lm/W à 555 nm.

Cette progression reflète un passage des étalons empiriques vers des définitions reproductibles, basées sur la physique et la physiologie.

Grandeurs photométriques : la famille des mesures lumineuses

La candela est au cœur de la photométrie, qui quantifie la lumière de façon significative pour la vision humaine. Les grandeurs associées incluent :

• Intensité lumineuse (cd) : I = Φ/Ω
• Flux lumineux (lm) : Φ = I × Ω
• Éclairement (lx) : E = Φ/A ou E = I/r² (surface perpendiculaire)
• Luminance (cd/m²) : L = I/A (surface projetée)

Exemple de calcul

Une source ponctuelle émet 1 candela uniformément dans toutes les directions. Comme une sphère comporte 4π stéradians, le flux lumineux total :

[ \Phi = 1,\text{cd} \times 4\pi,\text{sr} \approx 12,57,\text{lm} ]

L’œil humain et la courbe photopique CIE

Les yeux humains ne sont pas également sensibles à toutes les longueurs d’onde visibles. La fonction de luminosité photopique CIE V(λ) modélise cette sensibilité, avec un maximum à 555 nm (vert-jaune). La définition de la candela utilise ce maximum pour l’efficacité lumineuse maximale :

• 1 watt à 555 nm = 683 lumens
• Pour d’autres longueurs d’onde, l’efficacité est moindre (ex. : ~73 lm/W à 435 nm bleu)

Les instruments et calculs photométriques pondèrent toujours la lumière selon V(λ), ce qui distingue la photométrie de la radiométrie (où tous les photons sont traités de façon égale).

Réalisation de la candela en laboratoire

La réalisation de la candela implique :

1. Étalonnage de photodétecteur : Utilisation de photodiodes au silicium de précision avec des filtres adaptés à la courbe V(λ).
2. Sources de référence : Utilisation de sources monochromatiques à 555 nm pour les étalons primaires.
3. Mesure de la puissance rayonnée : Mesure précise de la puissance de la source et de la géométrie (angle solide).
4. Calcul : Utilisation de la puissance rayonnée, de l’angle solide, de la pondération V(λ) et de la valeur fixée de 683 lm/W.
5. Traçabilité : Les instituts nationaux de métrologie (ex. : NIST, BIPM) diffusent les étalons via des calibrations.
6. Étalons secondaires : Utilisation de lampes, DEL ou sphères intégratrices étalonnées pour les mesures courantes.

Les sphères intégratrices servent à mesurer le flux lumineux total et à calibrer les sources par rapport à la candela.

Applications : aviation, conception d’éclairage et au-delà

Aviation

• Feux de piste et de voie de circulation : Valeurs minimales de candela fixées par l’OACI et la FAA pour la visibilité et la sécurité.
• Balises anticollision des avions : Doivent émettre des niveaux spécifiques de candela horizontalement et verticalement.
• Feux d’obstacle : Les structures élevées doivent comporter des feux visibles à plusieurs kilomètres, spécifiés en candela.

Spécification des produits d’éclairage

• Projecteurs, phares, luminaires : Les fiches techniques indiquent la « candela de pointe » et les courbes de distribution de candela pour le contrôle du faisceau.
• Éclairage de sécurité : Les codes du bâtiment exigent un minimum de candela dans les directions des chemins d’évacuation.

Impacts environnementaux et sanitaires

• Pollution lumineuse : Des réglementations peuvent limiter la candela maximale au-dessus de l’horizontale pour protéger le ciel nocturne et la faune.
• Éblouissement et impact circadien : Les normes d’éclairage utilisent la candela pour assurer le confort et limiter les perturbations biologiques.

Relations mathématiques

• Intensité lumineuse : ( I = \Phi / \Omega )
• Flux lumineux : ( \Phi = I \cdot \Omega )
• Éclairement : ( E = I / r^2 ) (surface perpendiculaire)
• Luminance : ( L = I / A )
• Angle solide : ( \Omega = A / r^2 )

Exemple :
Une lampe émet 500 cd dans un hémisphère de 2π sr :
( \Phi = 500,\text{cd} \times 2\pi,\text{sr} \approx 3142,\text{lm} )

Exemples courants

• Flamme de bougie : ≈ 1 candela dans toutes les directions
• Feu de signalisation : 200–300 candela pour la visibilité en plein jour
• Projecteur de théâtre : 10 000 candela ou plus dans un faisceau focalisé
• Balise aéronautique : plus de 400 candela pour la visibilité anticollision

Pourquoi la référence à 555 nm (vert) ?

L’œil est le plus sensible (en conditions lumineuses) à 555 nm. La définition de la candela exploite ce maximum pour garantir la reproductibilité et la pertinence physiologique, assurant que les unités photométriques reflètent la perception humaine réelle.

Réalisation en laboratoire : outils pratiques

• Sphères intégratrices : Capturent toute la lumière émise pour l’étalonnage du flux total.
• Goniophotomètres : Cartographient la distribution angulaire de l’intensité (cd) d’une source.
• Photodiodes étalonnées : Fournissent un signal électrique traçable et conforme à V(λ).

Résumé

La candela unit la physique et la perception humaine, offrant un étalon reproductible et universellement accepté pour spécifier l’intensité de la lumière visible. De l’aviation à l’architecture, des écrans d’affichage à la protection de l’environnement, la candela garantit que la lumière est mesurée, réglementée et optimisée pour la vision humaine.

Pour des détails techniques ou réglementaires complémentaires, consultez la Brochure SI, les normes CIE ou votre institut national de métrologie.

Les courbes de distribution de candela sont essentielles en conception d’éclairage, montrant l’intensité en fonction de l’angle.

Références

• Brochure SI (BIPM) : https://www.bipm.org/en/measurement-units
• Normes photométriques CIE : https://cie.co.at/
• Photométrie NIST : https://www.nist.gov/pml/weights-and-measures/si-units-candela
• OACI Annexe 14 – Aérodromes
• FAA Advisory Circular 150/5345-43

Si vous avez d’autres questions sur la candela ou la mesure photométrique, n’hésitez pas à contacter nos experts .