Photographie/Photométrie/Les sources lumineuses
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[modifier] Efficacité lumineuse, rendement énergétique, rendement lumineux
Toute source lumineuse reçoit une puissance P, le plus souvent sous forme électrique, et restitue un flux énergétique 
dont une partie seulement est visible et perçue sous la forme d'un flux lumineux F.
Le rendement énergétique d'une source peut s'écrire (sans unité !) : 
L'efficacité lumineuse de cette source sera, en lm/W : 
Le rendement lumineux global s'exprimera, en lm/W : 
La relation existant entre les trois grandeurs ci-dessus est : 
Les deux valeurs du rendement global et de l'efficacité lumineuse sont souvent confondues à tort, c'est le premier qui est généralement fourni par les fabricants de lampes comme caractéristique de leurs fabrications, même s'ils ont la fâcheuse habitude de l'appeler efficacité. Il faut souligner ici le fait important que ce rendement ne varie pas de 0 à 1 comme il est habituel en physique, mais de 0 à 680 lm/W. C'est donc une grandeur qui possède une dimension.
A titre indicatif, nous pouvons ici essayer de calculer le rendement global de la source-étalon qui servait à définir la candela : considérons une sphère de corps noir de surface projetée 1/60e cm2, qui aura donc pour diamètre 1,45 mm et pour surface totale 6,6 mm2. Portée à la température de solidification du platine, 2045 K (température absolue) , cette sphère émet dans toutes les directions une intensité de 1 cd, soit dans tout l'espace un flux de 4π lm.
L'exitance de cette sphère est 
La puissance totale émise est donc 
Pour un corps noir, ρ = 1 par définition, donc 
[modifier] Valeurs du rendement lumineux global des diverses catégories de sources lumineuses
On pourra replacer cette valeur dans le tableau ci-dessous, qui donne des valeurs moyennes de rendement global pour différents types de sources lumineuses usuelles. Pour beaucoup de sources, ces valeurs sont très variables en fonction de facteurs tels que la tension d'alimentation, la qualité de la fabrication le degré de vieillissement, etc.
| Référence | Soleil | 6500 K | 250 lm/W |
| Lampes tungstène | 2800 K | 15 à 20 lm/W | |
| Lampes « studio » | 3200 K | 30 lm/W | |
| Lampes flood neuves | 3400 K | 34 lm/W | |
| Lampes à iode | 3400 K | 34 lm/W | |
| Arcs au xénon | 5400 K | 25 à 150 lm/W, croît avec la puissance | |
| Tubes fluorescents | 40 à 50 lm/W | ||
| Diodes électroluminescentes | 12 à 60 lm/W | ||
| Lampes au mercure H.P. | 50 lm/W | ||
| Lampes au sodium | 100 lm/W |
[modifier] Les lampes à incandescence
[modifier] Caractéristiques générales
Les lampes à incandescence sont encore les plus utilisées en photographie et en photométrie à cause de leur coût de revient relativement bas par rapport aux autres types de sources d'éclairage. Elles servent aussi bien pour la prise de vue, la projection de diapositives et de films cinématographiques que pour le tirage sur papier des négatifs, par contact ou par agrandissement. Il importe donc d'en connaître les caractéristiques :
- tension d'utilisation normale Vo
- puissance électrique consommée po
- température de couleur Tco
- valeur et répartition spatiale du flux lumineux Fo
- rendement ηo
- durée de vie Lo
Il existe dans le commerce un très grand nombre de modèles de toutes puissances et de toutes formes, correspondant aux différentes utilisations possibles. L'indice o indique que les différentes grandeurs ont leurs valeurs nominales, c'est-à-dire celles qui correspondent aux conditions normales d'utilisation et que les fabriquants indiquent dans leurs notices.
Il est bien évident qu'en faisant varier la tension d'alimentation on augmente ou diminue la valeur de ces grandeurs. Si V augmente, la température de couleur s'élève, le rayonnement comprend plus de bleu et de violet, tout en étant dans l'ensemble plus intense. Le rendement et la puissance consommée augmentent également, mais il n'en est pas de même pour la durée de vie qui peut alors diminuer de manière prohibitive (rappelons qu'elle est définie comme le temps au bout duquel, dans les conditions nominales d'utilisation, 90% des lampes d'un même lot sont encore en service).
Les courbes ci-contre montrent l'allure de la variation des différentes grandeurs en fonction de la tension.
Lorsqu'il s'agit seulement du flux visible, et au voisinage de la zone d'utilisation nominale, les différentes grandeurs sont liées par des relations du type :
Pour le flux visible, et pour des lampes de moyenne puissance, la valeur de k serait de l'ordre de 3,3, c'est-à-dire que le flux augmente beaucoup plus vite que la tension. Si l'on se réfère non plus à l'œil, mais à une couche sensible non chromatisée (seulement sensible au bleu et au violet), il faut définir un flux actinique agissant sur ce type de couche. Etant donné que l'abaissement de la température du filament produit non seulement une chute rapide du flux, mais encore une diminution très nette de la proportion de radiations actiniques émises, le flux actinique variera encore plus vite que le flux visuel (k de l'ordre de 5 à 6). On conçoit que si l'on veut utiliser des lampes à incandescence pour servir dans un photomètre destiné à l'étude des surfaces sensibles de ce type, il faudra s'assurer que la tension d'alimentation des lampes est correctement stabilisée.
[modifier] Les lampes survoltées
En augmentant la tension d'alimentation d'une lampe on fait croître dans de très fortes proportions le flux qu'elle émet et la lumière devient simultanément plus blanche et, pour les applications de laboratoire, plus actinique, plus active sur les surfaces sensibles, car contenant plus de bleu et de violet.
Ainsi, les lampes d'agrandisseur sont-elles généralement légèrement survoltées. Il en résulte une durée de vie réduite à quelques dizaines d'heures, contre plusieurs centaines pour les lampes à incandescence ordinaires.
Pour l'éclairage de studio ou la reproduction des documents on a longtemps utilisé des « lampes flood » nettement plus survoltées, avec des durées de vie encore plus faibles, quelques heures seulement. Ces lampes de forte puissance, 250 W, 500 W, parfois 1000 W, ne sont plus guère commercialisées. Elles possédaient une partie avant légèrement dépolie pour éviter les taches lumineuses sur le sujet éclairé et une partie arrière métallisée et réfléchissante pour renvoyer davantage de lumière vers l'avant. Souvent, la partie arrière était aussi recouverte d'un enduit noir censé évacuer davantage de chaleur par rayonnement, car ces lampes, dont le rendement lumineux ne dépassait guère 15 %, se comportaient avant tout comme de puissants appareils de chauffage. On pouvait donc les préférer aux flashes pour pratiquer la photographie de nu dans des pièces non chauffées mais leur utilisation pour des natures mortes de denrées périssables ou la reproduction des documents papier posait des problèmes d'élévation thermique trop importante et de maintien de la planéité. Pour la photographie en couleurs on pouvait aussi de procurer des lampes flood bleues dont la lumière était très proche de celle du jour.
Ces lampes coûtaient finalement très cher à l'achat et par leur consommation. Elles ont été supplantées de nos jours par les lampes dites « à halogènes ».
[modifier] Les lampes de quartz à halogènes
La durée de vie d'une lampe ordinaire dépend étroitement de la vitesse d'évaporation de son filament, dont la rupture intervient lorsque 10% environ du métal s'est volatilisé. Ce phénomène est évidemment accentué par l'élévation de la température, de sorte que la recherche d'un haut rendement et d'une température de couleur élevée est contradictoire avec celle d'une durée de vie importante. De plus, le tungstène évaporé se dépose sur les parois de la lampe dont le rendement lumineux baisse alors sensiblement (20% de la lumière émise peuvent être absorbés au bout de 1.000 h pour une lampe ordinaire). Pour limiter cette évaporation, on crée une pression partielle par introduction dans l'ampoule d'une certaine quantité de gaz inerte. On ne peut pas non plus aller très loin dans cette voie car l'existence inévitable du dépôt oblige à fabriquer des ampoules de fortes dimensions, ce qui est peu compatible avec des pressions élevées qui par ailleurs produiraient des pertes thermiques importantes par conduction.
La lampe à iode, mise au point par Edward G. Zubler et Frederick Mosby (employés de General Electric) à la suite des travaux de Langmuir, constitue un progrès très important. Les recherches sur l'utilisation des halogènes ne sont pas récentes puisqu'un brevet avait déjà été déposé en 1882 pour l'introduction de chlore dans les lampes à filament de carbone. On a choisi l'iode essentiellement à cause de sa faible réactivité qui permet d'éviter de nombreuses difficultés techniques, mais d'autres produits halogénés peuvent aussi être utilisés : bromure de méthyle ou dibromure de méthylène par exemple, toujours en association avec un gaz rare.
Lorsque l'on introduit de l'iode dans l'atmosphère d'une ampoule, les vapeurs de tungstène sont captées selon la réaction de base :
Cette réaction se produit surtout vers les parois du tube, à condition que la température y soit au moins égale à 250°C. L'iodure de tungstène gazeux se déplace dans l'ampoule jusqu'à ce qu'il parvienne à proximité du filament où il se décompose à partir de 2000°C. Le métal est alors redéposé tandis que l'iode libéré peut reprendre le cycle de captation du métal évaporé.
Le filament se trouve donc régénéré mais de façon imparfaite car le métal n'est évidemment pas redéposé à l'endroit exact d'où il s'était évaporé. En réalité l'iode a pour effet d'en diminuer indirectement l'évaporation. On peut alors augmenter la température de couleur (jusqu'à 3.400 K) et/ou la durée de vie de la lampe. Par ailleurs, un avantage essentiel de ce type de lampe tient à ce que l'ampoule reste absolument propre pendant toute la durée de vie, ce qui améliore le rendement par rapport à une lampe classique, tout en évitant l'abaissement progressif de la température de couleur. On peut aussi concevoir des ampoules de petite taille (3% de la surface d'une ampoule ordinaire de même puissance), ce qui permet d'augmenter la pression sans pour autant que les pertes thermiques par conduction deviennent prohibitives.
Il est évident que la température très élevée de l'enveloppe impose certaines précautions. Le verre doit être remplacé par du quartz ou, pour les modèles de fortes dimensions, par des verres durs à base d'aluminosilicates (Pyrex ou Vycor). Par ailleurs, il ne faut jamais manipuler de telles lampes à mains nues car les dépôts provenant de la sueur provoquent l'attaque à chaud de l'ampoule. En cas de contact accidentel, il faut immédiatement nettoyer l'ampoule à l'alcool. La haute température du filament oblige aussi à respecter une valeur maximale de l'inclinaison de la lampe et à accroître les protections contre les contacts accidentels.
Si l'éclairage d'une cuisine par des lampes à iode n'est certes pas une solution des plus économiques, en revanche, ces lampes ont révolutionné l'éclairage photographique. Pour une même puissance que les lampes classiques, l'encombrement et le poids sont considérablement diminués et surtout la durée de vie à 3.400 K, qui n'est que de 1 ou 2 heures pour une lampe flood survoltée, atteint ici 12 à 15 heures.
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[modifier] Les lampes à arc
 lampe Duboscq |
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La décharge électrique dans les gaz à haute pression forme des arcs de faible longueur par rapport aux dimensions des électrodes. C'est pourquoi on les appelle lampes à arc court ou lampes à arc compactes. Selon la puissance et l'application envisagée, la longueur de l'arc va de 0,3 mm à plus de 1 cm. Parmi toutes les sources lumineuses, ces lampes présentent les plus fortes luminances connues et en usage continu ce sont elles qui se rapprochent plus de la notion théorique de « source ponctuelle ».
L'enveloppe est faite de quartz très pur et présente généralement une forme sphérique ou ellipsoïdale. Le matériau le plus largement utilisé pour la fabrication des électrodes est le tungstène.
 petite lampe à arc au xénon |
 Lampe à arc au xénon |
 lampe au xénon de 15 kW |
 électrodes d'une lampe de 15 kW |
 refroidissement par eau d'une lampe au xénon de 15 kW |
 phare équipé d'une lampe au xénon (SAAB) |
 arc électrique entre deux charbons |
La plupart des lampes à arc compactes sont alimentées en courant continu, ce qui améliore la stabilité de l'arc et allonge de façon substantielle la durée de vie. Il faut une impulsion à haute tension pour ioniser le gaz au moment de l'allumage et une alimentation régulée pour le fonctionnement en régime permanent.
Les lampes à arc au xénon atteignent 80% de leur puissance nominale au bout d'un temps qui peut aller de 5 s pour les lampes de phares d'automobiles à une dizaine de minutes pour les gros spécimens. Elles sont conçues pour fonctionner verticalement ou hirozontalement. L'arc émet une lumière très proche de celle du soleil (6.000 K), le spectre est largement étalé du côté de l'infrarouge et s'étend assez loin dans l'ultraviolet. Il comporte une partie continue avec des raies très intenses dans le proche infrarouge entre 800 et 1.000 nm et d'autres, moins marquées, du côté du bleu.
Les puissances absorbées vont de 75 W à plus de 30 kW, la tension entre les électrodes variant de 10.000 V pour une petite lampe à 30 kV pour une très grosse. Le rendement lumineux augmente avec la puissance, de 30 lm/W environ pour une lampe de 1.000 W jusqu'à 150 lm/W pour une lampe de 20 kW.
Les lampes au xénon sont destinées aux éclairages continus et on les trouve par exemple dans les scyalitiques des cabinets dentaires ou des salles d'opération, dans les phares d'automobiles et dans les vidéoprojecteurs.
[modifier] Les tubes et lampes fluorescents
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 Extrémité d'un tube fluorescent montrant les caractéristiques |
 lampe fluorescente compacte |
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[modifier] Sources mixtes incandescence-fluorescence et autres
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[modifier] Les diodes électroluminescentes (DELs)
Il existe divers types de diodes électroluminescentes, entre autres celles qui émettent dans l'infrarouge et que l'on utilise pour des applications telles que les télécommandes des appareils audiovisuels et celles qui émettent dans le domaine visible, auxquelles nous nous intéresserons ici.
Il est possible, en mélangeant les lumières émises par des DELs de diverses couleurs, d'obtenir un rayonnement global se rapprochant de la lumière blanche. On fabrique ainsi pour l'éclairage domestique des lampes qui se substituer à leurs homologues à incandescence, des lampes frontales pour les campeurs, etc.
 Trois DELs rouge, verte et bleue |
 Association des lumières de 3 DELs |
 Lampe formée en groupant des DELs |
 Les lampes à DELs peuvent remplacer les lampes halogène classiques |
 Ampoules à DELs |
 Lampe à culot E27 comportant 38 DELs |
 Émission comparée de quelques modèles de DELs |
Pour l'instant, ces DELs ne sont pas encore vraiment utilisées pour l'éclairage photographique en raison de leurs puissances trop faibles mais on peut penser que dans ce domaine, leur développement n'est qu'une question de quelques années, au moins pour les petites installations.
Par rapport aux lampes à incandescence, elles se distinguent par l'absence d'émission dans l'infrarouge et leur faible dégagement de chaleur. Le faisceau émis est très directif, l'essentiel de la lumière rayonne dans un cône de demi-angle au sommet voisin de 25 à 30 °. Il faut les alimenter sous une tension précise ; un excès de tension peut les détériorer de façon irréversible, un manque de tension ne leur permet pas de fonctionner avec un rendement convenable. Elles nécessitent donc un module d'alimentation spécifique.
Contrairement aux lampes à incandescence ou à d'autres sources, les DELs sont utilisables à haute fréquence ; les temps d'allumage et d'extinction sont très brefs et l'intervalle entre deux périodes d'éclairage est très court.
La durée de vie des DEL est définie comme la durée au bout de laquelle elles n'émettent plus que 50 % de leur flux initial. Le problème du vieillissement rapide des premières DELs est aujourd'hui résolu et les durées de vie atteingnent facilement 100 000 heures, soit une dizaine d'années de fonctionnement ininterrompu. Ce sont par ailleurs des composants solides du point de vue mécanique, peu sensibles aux vibrations.
Photométrie
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