Glossaire de la lumière blanche et de la photométrie

Lumière blanche

La lumière blanche est un rayonnement électromagnétique qui englobe toutes les longueurs d’onde du spectre visible, généralement de 380 à 780 nanomètres (nm). Contrairement à la lumière monochromatique, qui se compose d’une seule longueur d’onde et apparaît colorée, la lumière blanche est un mélange de plusieurs composantes spectrales, chacune correspondant à une couleur différente. La source la plus connue est la lumière du soleil, qui apparaît blanche grâce à son spectre continu et équilibré. Les sources artificielles comme les ampoules à incandescence, certaines LED et les lampes fluorescentes sont conçues pour imiter cette composition afin d’être perçues comme blanches par l’être humain.

La sensation de blanc survient lorsque les trois types de cônes de l’œil humain—sensibles aux courtes (S), moyennes (M) et longues (L) longueurs d’onde—sont stimulés dans des proportions interprétées comme du blanc par le cerveau. Cela peut résulter d’un étalement continu des longueurs d’onde (sources naturelles ou incandescentes) ou d’un mélange de quelques longueurs d’onde discrètes (comme dans les écrans numériques RGB).

La lumière blanche est essentielle dans tous les domaines liés à la vision : de l’aviation (où la clarté de l’éclairage et la précision des couleurs sont capitales pour la sécurité et la navigation), à l’architecture, l’industrie et la télédétection. Son contenu spectral peut être décomposé en l’arc-en-ciel familier à l’aide d’un prisme, révélant ainsi sa nature composite—un phénomène étudié pour la première fois par Isaac Newton.

Spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique est l’ensemble des longueurs d’onde ou des fréquences des rayonnements électromagnétiques, allant des rayons gamma (longueurs d’onde inférieures à un nanomètre) aux ondes radio (longueurs d’onde de plusieurs kilomètres). Le spectre visible—relevant pour la lumière blanche—ne couvre qu’une infime partie, d’environ 380 à 780 nm.

Les bandes adjacentes au visible sont l’ultraviolet (100–380 nm) et l’infrarouge (780 nm–1 mm). Ces régions sont invisibles à l’œil humain mais importantes en science et en technologie. Par exemple, les systèmes d’éclairage aéronautique sont conçus pour maximiser la visibilité en émettant des longueurs d’onde peu affectées par des conditions atmosphériques comme le brouillard.

Spectre visible

Le spectre visible est la partie du spectre électromagnétique que l’œil humain moyen peut percevoir, généralement de 380 à 780 nm. Dans cette bande, chaque longueur d’onde correspond à une couleur différente :

Les limites ne sont pas strictement définies en raison du chevauchement de la sensibilité des cônes et des différences individuelles de vision. Les limites du spectre visible peuvent être ajustées dans les normes techniques (par exemple, 400–700 nm en photométrie).

Distribution spectrale

La distribution spectrale décrit comment une source lumineuse émet de l’énergie à travers le spectre visible. Elle est généralement représentée par un graphique de l’intensité en fonction de la longueur d’onde.

Types de distribution spectrale :

• Spectre continu : Émis par des sources comme le Soleil ou les ampoules à incandescence ; comprend toutes les longueurs d’onde visibles.
• Spectre de raies : Émis par les lampes à décharge gazeuse ; composé de pics nets à des longueurs d’onde discrètes (par exemple, lampes à vapeur de sodium ou de mercure).
• Spectre de bandes : Contient des groupes de raies très proches, observés dans les lampes à haute pression ou certains phénomènes naturels.

La distribution spectrale détermine l’apparence des couleurs, la température de couleur et le rendu des couleurs. En aviation, l’éclairage doit respecter des normes de distribution spectrale pour garantir la sécurité et la performance.

Perception des couleurs

La perception des couleurs est l’expérience subjective résultant de la stimulation de la rétine par différentes longueurs d’onde. L’œil humain possède trois types de cônes :

Le cerveau interprète la combinaison des réponses pour créer la sensation de couleur. Lorsque les trois sont stimulés de manière égale, le résultat est le « blanc ». La sensibilité maximale de l’œil est d’environ 555 nm en lumière du jour (vision photopique) et se déplace vers 507 nm en faible luminosité (vision scotopique)—un phénomène appelé effet Purkinje.

La perception des couleurs dépend du contexte, de l’adaptation et de la composition spectrale de la lumière. Le métamérisme se produit lorsque des spectres différents sont perçus comme la même couleur. Les normes aéronautiques spécifient des limites de chromaticité pour les lumières blanches et colorées afin d’assurer la sécurité.

Mélange additif des couleurs

Le mélange additif des couleurs décrit la manière dont différentes lumières colorées se combinent pour produire de nouvelles couleurs—y compris le blanc—en stimulant les cônes rétiniens dans des proportions précises. Mélanger des lumières rouge, verte et bleue (RGB) dans les bonnes intensités produit du blanc. Ce principe est utilisé dans les écrans numériques, les instruments de cockpit et la signalisation aéroportuaire.

Le mélange additif diffère du mélange soustractif (utilisé pour les pigments et filtres). Les normes internationales définissent des coordonnées de chromaticité pour le « blanc » d’aviation et les autres couleurs opérationnelles, garantissant une reconnaissance fiable des couleurs.

Température de couleur

La température de couleur décrit la teinte de la lumière blanche en la comparant au spectre d’un corps noir idéal à une température donnée (en kelvins, K). Les températures de couleur basses (2700–3500 K) apparaissent chaudes (jaune/rouge), tandis que les températures élevées (5000–6500 K) paraissent froides (blanc bleuté).

La température de couleur est cruciale pour l’éclairage aéronautique et industriel, favorisant le confort visuel, la sécurité et une discrimination précise des couleurs.

Flux lumineux

Le flux lumineux est la quantité totale de lumière visible émise par une source dans toutes les directions, pondérée par la sensibilité de l’œil humain. Exprimé en lumens (lm), il diffère de la puissance rayonnée (watt) car il ne tient compte que des longueurs d’onde visibles.

Le flux lumineux (Φ_v) est calculé par l’intégration de la distribution spectrale de puissance avec la fonction d’efficacité lumineuse de l’œil (V(λ)), qui culmine à 555 nm. C’est un paramètre clé pour spécifier la performance des lampes et luminaires en aviation et en industrie.

Intensité lumineuse

L’intensité lumineuse mesure la quantité de flux lumineux émise dans une direction donnée, à l’intérieur d’un angle solide. Elle s’exprime en candelas (cd), une candela correspondant à un lumen par stéradian.

Les feux directionnels (par exemple, feux de piste, balises) sont spécifiés par leur intensité lumineuse. Les normes OACI définissent les valeurs requises et les distributions angulaires pour la sécurité aéronautique.

Éclairement

L’éclairement quantifie la quantité de flux lumineux reçue par une surface par unité de surface, exprimée en lux (lx), un lux correspondant à un lumen par mètre carré. Il détermine la luminosité d’une surface et est crucial pour la visibilité dans les aéroports, cockpits et espaces de travail.

L’OACI et d’autres organismes spécifient des niveaux d’éclairement requis pour la navigation et les opérations en toute sécurité. Les luxmètres mesurent l’éclairement et permettent de s’assurer que les systèmes d’éclairage respectent les normes.

Luminance

La luminance est la brillance d’une surface émettrice ou réfléchissante telle que perçue par un observateur, en tenant compte de l’intensité et de la surface projetée. Elle s’exprime en candelas par mètre carré (cd/m²) et est essentielle pour la lisibilité des écrans, la signalisation et l’ergonomie de l’éclairage.

Elle se calcule par : L = I / (A · cosθ)

où L est la luminance, I l’intensité, A la surface et θ l’angle entre la normale à la surface et la direction d’observation. Les normes aéronautiques spécifient des valeurs de luminance pour la visibilité et la sécurité.

Photométrie

La photométrie est la science qui mesure la lumière visible telle que perçue par l’œil humain. Elle implique des grandeurs telles que le flux lumineux, l’intensité, l’éclairement et la luminance, toutes pondérées par la sensibilité spectrale de l’œil. La photométrie est essentielle dans la conception de l’éclairage, la sécurité, et la conformité réglementaire—en particulier dans l’aviation, l’architecture et l’industrie.

Les mesures photométriques utilisent des capteurs et filtres calibrés sur la réponse visuelle humaine, garantissant la cohérence et la pertinence pour la perception réelle. Les normes internationales (OACI, CIE) définissent les procédures et seuils pour les paramètres photométriques dans les environnements critiques.

En comprenant la lumière blanche, ses propriétés spectrales et les grandeurs photométriques, ingénieurs et opérateurs peuvent concevoir des systèmes d’éclairage qui optimisent la visibilité, la sécurité et le confort—en particulier dans des applications exigeantes comme l’aviation et les transports.