60
1 Radiométrie Xavier Granier <[email protected] > Julien Moreau <[email protected] >

Radiométrie - Institut Optique

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Page 1: Radiométrie - Institut Optique

1

Radiométrie

Xavier Granier <[email protected]>Julien Moreau <[email protected]

Page 2: Radiométrie - Institut Optique

2

Livres en Français

«Bases de radiométrie optique »(J.L. Meyzonnette, T. Lépine, édition Cépaduès)

Livres en Anglais

«Introduction to Radiometry and Photometry » (R.McCluney, Optoelectronics library)

«Radiometry and the detection of optical radiation » (R.W. Boyd, Wiley editor)

« Advanced Global Illumination »(Philip Dutré, Kavita Bala, Philip Bekaer - A.K. Peters)

Bibliographie pour ce cours

Page 3: Radiométrie - Institut Optique

3

Médiathèque de l’Institut : accès à un certain nombre de ebooks

https://www.dawsonera.com (login/mot de passe identique au wifi)

Lire en ligne ou télécharger pendant

une durée limitée (quelques jours) le

catalogue des ebooks de l’Institut.

Thermal infrared sensors Helmut Budzier And Gerald

Gerlach.

Bases de radiométrie optiqueJean-Louis Meyzonnette & Thierry

Lépine

EBook

© Julien Moreau

Page 4: Radiométrie - Institut Optique

4

Milieu de

propagationSystème optique DétecteurSource

Comprendre et modéliser

la propagation de la lumière sur l’ensemble d’un système,

depuis la source jusqu’au détecteur

Permet de répondre à la question (simple) : quelle quantité de lumière ?

La radiométrie permet aussi de :

• Dimensionner un système optique

• Modéliser le milieu de propagation

• Prédire le signal sur le détecteur

• Évaluer le bruit de fond dans une mesure…

Radiométrie : Objectifs

© Julien Moreau

Page 5: Radiométrie - Institut Optique

5

Grand public Cinéma, Photographie, Télévision

Biomédical Instrumentation Optique, Imagerie

médicale

IndustriellePhotovoltaïque, Éclairage, Visualisation, Surveillance, Contrôles non destructifs

SpatialObservation planétaire ou spatiale,

conception de satellites.Défense

Identification,Navigation, Pilotage

Applications

© Julien Moreau

Page 6: Radiométrie - Institut Optique

6

Plans du cours

1. Caractérisation d’un rayonnement

1. Grandeurs géométriques et radiométriques

2. Cas des systèmes optiques

2. Sources lumineuses

1. Le Corps noir : modèle et propriétés

2. Autres sources de lumière

Page 7: Radiométrie - Institut Optique

7

10 kHz

1 MHz

100 MHz

10 GHz

30 km

3 cm

3 m

300 m

3 m

1014 Hz

30 nm

1016 Hz

300 m

1012 Hz

Audio

Radio - Télévision

Radar

I.R thermique

I.R – Visible -UV

Rayon X

Radiométrie basée sur :

● Lois de l'optique géométrique

● Aspect corpusculaire de la lumière

(+ Polarisation si nécessaire)

Domaine de validité :

UV jusqu’à I.R thermique

Radiométrie et spectre

© Julien Moreau

Page 8: Radiométrie - Institut Optique

8

Spectre visible

Le domaine du visible :

ultraviolet infrarouge

nm 780380

Page 9: Radiométrie - Institut Optique

9

Quelles grandeurs photométriques et géométrique pour définir des sources de lumière aussi diverses ?

Flux Intensité

LuminanceAngle solide

Étendue géométrique

Grandeurs

© Julien Moreau

Page 10: Radiométrie - Institut Optique

10

• Lumière monochromatique

• Propagation de la lumière– Un photon est absorbé par un matériau

– Son énergie est réémise à une longueur d’onde donnée

• Énergie totale reçue ou émise en Joule (J) : notée Q

)( onded'longueur :

103 : lumière la de Vitesse

10636:Planck de Constante

:photon un d' Énergie

8

34

m

m/sc

s J.h

che

Énergie des photons

Page 11: Radiométrie - Institut Optique

11

Flux énergétique / Puissance

Un Flux énergétique ou une Puissance

● quantité d'énergie par unité de temps,

● Watt : W = J.s-1

Φ=∂Q∂ t

Page 12: Radiométrie - Institut Optique

12

Flux photonique :

Pour un rayonnement monochromatique, un flux

photonique est un nombre de photons par unité de temps

Quelques ordres de grandeur :● Pointeur laser rouge : Φ

e = 1 mW

● Lampe halogène : Φe = 20 – 100 W

● Soleil : Φe = 4 E26 W

Informations absentes :● Distribution angulaire du rayonnement● Géométrie de la source

Φph=Φe

λhc

Flux / Puissance

© Julien Moreau

Page 13: Radiométrie - Institut Optique

13

Éclairement :● L'éclairement est une densité de flux reçu par unité de

surface.

● Quantité très utile et souvent plus pertinente que le flux (sur

un détecteur, une source secondaire… ).● Il s’exprime en W.m-2

Exitance :● L'exitance est une densité de flux émis par unité de surface.

Aire S

Flux

E=∂Φ∂ S

Éclairement énergétique

M=∂Φ∂S

© Julien Moreau

Page 14: Radiométrie - Institut Optique

14

Espaces de directions : paramétrisation

Sphère unité : S2 ou Demi-sphère unité : N

Page 15: Radiométrie - Institut Optique

15

Angle solide

1r

1r

• Extension en 3D d'un angle en 2D• Pinceau de directions• Stéradian : sr

• Généralisationl’angle solide sustenté par une surface en P est l’aire de cette

surface projetée sur la sphère unité centrée en P.

Page 16: Radiométrie - Institut Optique

16

• Unité :stéradian (sr)

• Noté • Formule différentielle

Pour une surface infinitésimaledA située à une distance d et orientée de depuis la direction l’angle solide est :

d

Angle solide : formulation

∂Ω=cosθ⋅∂ S

d 2

Page 17: Radiométrie - Institut Optique

17

Angle solide différentiel

• Élément d’intégration = intégrant des intégrales sphériques ou hémisphériques.

r sinθ∂θ ∂ S

r ∂Ω

∂ϕ

ϕ

∂ S=(r ∂θ)(r sinθ∂ϕ)

∂Ω=∂ Sr 2 =sin θ∂θ ∂ϕ

Page 18: Radiométrie - Institut Optique

18

Exemple d'intégration : sphère unité

Aire=∫Ω∂ω =∫0

2 π

∫0

π

sin θ∂θ ∂ϕ

=∫0

2 π

[−cos θ ]0π∂ϕ

=2∫0

∂ϕ

=4 π

Page 19: Radiométrie - Institut Optique

19

Intensité : W.sr-1

● Flux émis par unité d'angle solide dans une direction d'observation

donnée

● Dépend en général de la direction d'observation.

Cas particulier (étoiles, sources Lambertiennes)

Quelques ordres de grandeur :● Pointeur laser rouge (1mW, divergence 1 mrad) : I = 1270 W.sr-1 ● Lampe halogène (100W, demi-espace) : I = 16 W.sr-1

● Soleil : I = 3,2E25 W.sr-1

(,)

Source

Intensité énergétique

I (θ ,ϕ)=∂Φ(θ ,ϕ)

∂Ω

© Julien Moreau

Page 20: Radiométrie - Institut Optique

20

● Indicatrice ou diagramme de rayonnement● Diagramme de variation de I en fonction de la direction

d'observation

● Contexte d'utilisation● Sources quasi-ponctuelles vu du détecteur● Ne donne aucune information sur la géométrie de la source :

taille, distribution spatiale des émetteurs.

Indicatrice d’une LED 635 nm

(Thorlabs LED631E)

© Julien Moreau

Intensité

Page 21: Radiométrie - Institut Optique

21

Pour une source d'intensité I, éclairant une surface dS :

L'éclairement de cette surface est donc :

I

S n

r

Éclairement maximal pour une

surface perpendiculaire à la source et

nulle pour une source à 90°

Loi de Bouguer et décroissance en 1/r2

∂Φ=I .∂Ω= I .∂ S . cos θ

r 2

E=∂Φ∂ S

=I .cos θ

r 2

Page 22: Radiométrie - Institut Optique

22

Pierre Bouguer (1698 - 1758)

● Mathématicien et physicien français.

● Auteur des premières mesures quantitatives en photométrie.

– loi de Beer-Lambert

– loi de variation d'intensité avec l'inclinaison

– mesure du seuil différentiel de détection de l'œil humain

– anomalie de Bouguer en gravimétrie.

● Élu à l'Académie de Science et à la Royal Society.

Page 23: Radiométrie - Institut Optique

23

Luminance :

● Un élément de surface As de la source émettant une intensité I(,)

● La luminance de cet élément de surface, dans la direction (,) est

définie par :

● L'unité de la luminance énergétique est le W.m-2.sr-1

(,)

sAs n

Luminance énergétique

L( x , y , z ,θ ,ϕ)=∂ I (θ ,ϕ)

∂ S cosθ=

∂2Φ(θ ,ϕ)

∂ S cosθ ∂Ω

© Julien Moreau

Page 24: Radiométrie - Institut Optique

24

Conservation de la luminance

● Contexte

– En absence d'absorption et de diffusion

– Tout le long du trajet d'un faisceau lumineux (rayon lumineux)

● Exemple

– Luminance d'une source donnée par un système optique au plus égale à celle de la source primaire

● Cas d'un milieu à perte

– T < 1

L(z1)

Sourcez

L(z2)

T<1

2 1.L z T L z

© Julien Moreau

Page 25: Radiométrie - Institut Optique

25

Source émettant un faisceau conique uniforme :

Pour une source de surface As émettant un faisceau conique de

luminance uniforme L0 (cas fréquemment rencontré) :

L0

S M

Luminance

© Julien Moreau

Φ=Lo∬∂ S cos θ∂Ω

L0=Φ

π . S . sin2 θM

Page 26: Radiométrie - Institut Optique

26

Source lambertienne à une luminance égale dans toutes les directions :

Un certain nombre de surfaces éclairées peuvent être modélisées par un

rayonnement Lambertien. C’est le cas par exemple de surface

rugueuses ou mates mais pas des surfaces lisses.

Une source lambertienne est différente d’une source dont l’intensité est

la même dans toutes les directions !

L lambertienne=Φ

π .S

Source lambertienne

© Julien Moreau

L( θ ,ϕ)=constante

Page 27: Radiométrie - Institut Optique

27

Unités énergétiques

Unité Définition Name Nom Nom CG

Q J Radiant energy Énergie

F,P, W = J.s-1 dQ/dt Radiant power Flux

B W.m-2 dP/dA Radiant exitance Exitance Radiosité

E W.m-2 dP/dA Irradiance Éclairement Irradiance

I W.sr-1 dP/d Radiant intensity Intensité

L W.m-2.sr-1 d²P/(dA cos d) Radiance Luminance Radiance

Page 28: Radiométrie - Institut Optique

28

Relations élémentaires entre les grandeurs

• Distinguer (notation de Dutré et al 2004)

– Luminance incidente :

– Luminance sortante :

• Relations

)( oxL

)( ixL

ooo

iii

xo

A

o

dNxLxB

dNxLxE

dAdNxL

N

N

N

,)()(:Radiosité

,)()(:Irradiance

,)( :Flux 0

Éclairement

Exitance

Éclairement

Flux

,N Cosinus de l’angle entre la normale et la direction

Page 29: Radiométrie - Institut Optique

29

● Angle solide d'un petit disque de rayon angulaire << 1

● Angle solide d'un disque quelconque de rayon angulaire :

O d(d)

2 = (d )2 d'où : =.2

dd

rO

d

dS

=2.(1-cos())

Autres angles solides

© Julien Moreau

Page 30: Radiométrie - Institut Optique

30

Construction ad hoc de l'étendue géométrique:● Existe-t-il une quantité géométrique équivalente G qui caractérise

complètement un pinceau de lumière issu de S1 vu de S

2 et qui

soit conservée lors de sa propagation ?

● Combien de surface(s) et de distance(s) sont nécessaires pour définir

un faisceau, dans le cadre de l'optique géométrique ?

G1

G2

S1

S2

Étendue géométrique

© Julien Moreau

Page 31: Radiométrie - Institut Optique

31

● 2 surfaces perpendiculaires S1┴

et S2┴

● 2 surfaces perpendiculaires S1┴

et S2┴

+ distance d12

S1┴ S

2┴

S1┴ S

2┴

d12

© Julien Moreau

Étendue géométrique

S2┴

Page 32: Radiométrie - Institut Optique

32

2 surfaces (S1┴, S

2┴ ) et 1 distance d12

sont nécessaires et suffisantes.

On définit de manière générale une quantité G tel que :

● Par symétrie (S1 et S

2 joue le même rôle) : on doit avoir : =

● Remarque : si on multiplie par 2 la distance, alors l'une des surface doit

être augmentée de 4 pour caractériser le même pinceau : = -2

● La quantité la plus simple est donc :

Étendue géométrique

© Julien Moreau

∂2G=∂ S1⊥

α .∂ S2⊥

β .d 12γ

∂2G=(∂ S 1⊥ .∂ S2⊥ )

α .d 12−2α

∂2G=

∂ S 1⊥ .∂ S2⊥

d 122

Page 33: Radiométrie - Institut Optique

33

On généralise :

● à un milieu d'indice n quelconque : d12

' = d12

/n

● des surface S1 et S

2 non perpendiculaire à l'axe du pinceau de

lumière. On considère alors les surface projetées.

S1┴

S2┴

1 2

On définit donc l'étendue géométrique comme :

Unité : m2.sr

Étendue géométrique

© Julien Moreau

∂2G=n2 ∂ S1 . cosθ1 .∂ S 2 . cosθ2

d122

Page 34: Radiométrie - Institut Optique

34

Luminance :

● Un élément de surface S de la source émettant une intensité I(,)

● La luminance de cet élément de surface, dans la direction (,) est

définie par :

● L'unité de la luminance énergétique est le W.m-2.sr-1

S n

Luminance énergétique

L( x , y , z ,θ ,ϕ)=∂ I (θ ,ϕ)

∂ S cosθ=

∂2Φ(θ ,ϕ)

∂ S cosθ ∂Ω

L(x , y , z ,θ ,ϕ)=∂

2Φ(θ ,ϕ)

∂2G

© Julien Moreau

Page 35: Radiométrie - Institut Optique

35

Flux et luminance L :

Flux et intensité I:

Si et uniquement si, le faisceau est uniforme en luminance (resp. en intensité) alors:

2G

L

Relations fondamentales radiométriques

© Julien Moreau

∂2Φ=L∂

2G

∂Φ=I ∂Ω

Φfaisceau=Lfaisceau .Gfaisceau

Φ=I .Ω

Page 36: Radiométrie - Institut Optique

36

On peut écrire l'étendue géométrique sous différentes formes :

i.e. le produit de la surface apparente S1 par l'angle solide de S

2 vu par S

1

i.e. le produit de la surface apparente S2 par l'angle solide de S

1 vu par S

2

© Julien Moreau

Étendue géométrique

∂2G=n2 ∂ S1 . cosθ1 .∂ S 2 . cosθ2

d122

∂2G=n2

∂ S 1cos θ1 ∂Ω2

∂2G=n2 ∂ S1 . cosθ1 .∂ S 2 . cosθ2

d122

∂2G=n2

∂Ω1∂ S 2 cosθ2

Page 37: Radiométrie - Institut Optique

37

Éclairement et Exitance

● Éclairement d'une surface

– Si une surface est éclairée par un rayonnement de luminance uniforme :

● Exitance d'une surface lambertienne

– Si la surface émet un rayonnement uniforme

Aire S

Luminance L

E=ΦS

=LGS

L’étendue géométrique d’un demi-espace est et NON 2

Page 38: Radiométrie - Institut Optique

38

Dans le cas d'un faisceau de lumière non élémentaire:

Calcul plus ou moins compliqué suivant la configuration !

Cas élémentaire de 2 petites surfaces, coaxiales, éloignées (r1<<d et r

2<<d).

détecteur regardant une source lointaine, sans optique.

S1

1<<1

2<<1

S2

Étendue géométrique

© Julien Moreau

G=∬∬∂ S1 cosθ1 .∂ S2 cosθ2

d122

∂2G=

∂ S1cos θ1 .∂ S2 cosθ2

d122

∂2G≃

∂ S1 .∂ S2

d122

G≃∬∬∂ S1 .∂ S2

d122

G≃S1 .S2

d122

Page 39: Radiométrie - Institut Optique

39

S1

1

M

Cas très classique de 2 surfaces circulaires, coaxiales avec S1<<S

2

détecteur au foyer d'une lentille

Étendue géométrique

© Julien Moreau

∂2G=∂ S1 cosθ1 .∂Ω2

G=∬∬∂ S1cos θ1 .∂Ω2

G≃S1∬ cos θ1 . sinθ1∂θ1∂ϕ1

G≃2π S1∫ cosθ1 . sinθ1∂θ1G≃π S1 [sin2

θ1 ]0θM

Page 40: Radiométrie - Institut Optique

40

Calcul approché :

Formule exacte :

Que ce passe-t-il si S1 est de même taille que S

2 ?

S1

1

2

S2

Erreur non négligeable lorsque la distance entre les deux surfaces

devient du même ordre de grandeur que le diamètre des surfaces.

© Julien Moreau

G≃π S1 [sin2θ1 ]0

θM

G=∬∬∂ S1 cosθ1 .∂ S2 cosθ2

d122

Page 41: Radiométrie - Institut Optique

41

Les surfaces S1 et S

2 sont les 2 surfaces limitantes du systèmes : cela peut

être la source, le détecteur, une optique ou un diaphragme.

Exemples:

• Une photodiode (100 µm x 100 µm) et une optique de 4 cm de diamètre

de focal 10 cm

• Un panneau solaire de 1 m2 regardant le soleil de diamètre angulaire

0,5° à 45° du zénith

G .(100E-6)2. sin2(2/(102 + 22)1/2)

G 1,2E-9

45 °G .1.cos(45). sin2 (0,25)

G 4,2E-5

Étendue géométrique

© Julien Moreau

Page 42: Radiométrie - Institut Optique

42

2

2

S

1

1

n2

n1

On considère une interface entre deux milieux

d’indice n1 et n

2 et un faisceau incident avec un

angle 1

Les lois de Snell - Descartes s’écrivent:

Étendue géométrique – réfraction

n1sin θ1=n2 sinθ2

⇒ n1 cosθ1∂θ1=n2 cosθ2∂θ2

⇒ n12cos θ1 sinθ1∂θ1=n2

2 cosθ2sinθ2∂θ2

⇒ n12 cosθ1sinθ1∂θ1∂ϕ=n2

2 cosθ2sinθ2∂θ2∂ϕ

⇒ n12 cosθ1∂Ω1=n2

2 cosθ2∂Ω2

⇒ n12∂ S cosθ1∂Ω1=n2

2∂ Scos θ2∂Ω2

⇒ ∂2G1=∂2G2

Page 43: Radiométrie - Institut Optique

43

Un système optique, à partir du moment ou l’on reste dans le même

milieu, ne peut donc pas augmenter l'étendue géométrique d'un faisceau

lumineux. Il peut seulement la réduire (diaphragme).

En conséquence, c'est la plus faible étendue géométrique d'un

système source – optiques – détecteurs qui va déterminer ces

performances radiométriques

Le même résultat peut être démontré pour la réflexion (avec 1 =

2 et n

1

= n2 )

Il y a conservation de l'étendue géométrique à la réflexion/réfraction

On a donc :

Étendue géométrique : réfraction / réflexion

© Julien Moreau

∂2G1=∂

2G 2

Page 44: Radiométrie - Institut Optique

44

Réflectance – facteur de réflexion - albédo

● Définition

– Rapport entre flux reçu et flux réfléchi

● Définition induite

– Rapport entre exitance et éclairement

● Propriétés

– Positivité

– Inférieure à 1 (conservation de l'énergie)

● Pour la réfraction : transmittance

Φréfléchi=ρ .Φreçu

B=ρ .E

Φréfracté=τ .Φreçu

Page 45: Radiométrie - Institut Optique

45

Mesure du flux total d’une source non uniforme :

Sphère intégrante: sphère creuse (diamètre de qq dizaines de cm à qq

mètres) avec un revêtement très réfléchissant et diffusant sur une large bande

spectrale ( 1).L’éclairement sur la photodiode est

proportionnel au flux total émis par la

source quelque soit sont indicatrice.

Photodiode

Source

Cache

Sphère intégrante de rayon R

Sphère Intégrante de chez LabSphere

Sphère intégrante

© Julien Moreau

E= Φ

4 π R2

ρ

1−ρ

Page 46: Radiométrie - Institut Optique

46

Considérons un flux incident sur l’élément S, la surface

interne de la sphère étant lambertienne, sa luminance s’écrit :

Le flux reçu par l’élément S’ provenant de S :

Donc le flux reçu par S’ provenant de l’ensemble de la sphère est :

Il faut aussi tenir compte du flux réfléchis après 1,2,…n réflexions :

SS’ ’ R

d

t

© Julien Moreau

L=ρπ

∂Φ∂ S

∂2Φ '=L.∂2G=L .

∂ S . cos θ .∂ S ' . cosθ 'd2

∂E '=L .∂ S . cosθ . cos θ '

d2 }Orθ=θ ' et d=2 R .cos θ ⇒∂ E '=L

∂ S

4 R2=ρ

4 πR2 ∂Φ

E '=ρ

4 π R2Φt

Démonstration

E total=(ρ+ρ2+ρ

3+...)

1

4 π R2 Φt E total=ρ

1−ρ.

1

4 π R2 Φ t

Page 47: Radiométrie - Institut Optique

Équation de « radiosité » [Goral84]

● Équilibre radiométrique

Exitance totale est la somme de l'exitance propre plus celle due à l'éclairement réfléchie

● Éclairement en fonction de l'exitance

B=B p+ρE

∂E=Lcos θ∂ S ' cosθ '

d2

⇒ ∂E=Bπ

cos θ∂ S ' cosθ 'd2

⇒ E=1π∫S '

cosθ cosθ 'd2 B∂ S '

∂ S '

∂ S

θθ '

Page 48: Radiométrie - Institut Optique

Discrétisation

● Hypothèse : une valeur constante par élément de surface

– B = Bi sur S

i

– Bp = B

p,i sur S

i

● Calcul de l'éclairement

E=1π ∫S '

cosθ cosθ 'd 2 B∂ S '

⇒ E=1π ∑i

Bi∫S i

cosθ cosθ 'd2 ∂ S i

Page 49: Radiométrie - Institut Optique

Discrétisation (suite)

● Une valeur moyenne par élément

– Exitances

– Albédo

– Éclairement

Bi=1Si∫Si

B∂ Si

E i=1Si∫Si

I ∂ Si

⇒ E i=1Si

1π∑ j

B j∫Si∫S j

cos θ . cosθ '

d2∂ S i∂ S j

⇒ E i=∑ jF ij B j

Bp , i=1S i∫S i

B p∂ Si

ρi=1S i∫S i

ρ∂ S i

Page 50: Radiométrie - Institut Optique

Équation matricielle [Goral1984]

● Forme matricielle

● Facteur de forme

– % d'énergie transférée

– Relation avec l'étendue géométrie

● Étendue géométrique entre Si et S

j normalisée par l'étendue

géométrique portée la surface Si dans toutes les direction : S

i

– Propriétés

Bi=B p ,i+ρi∑ jF ij B j

F ij=1

πSi∫S i

∫S j

cos θi cos θj

d ij2 ds j dsi

πS i Fij=Gij

∑jFij≤1

JOHN R. HOWELLA catalog of Radiation Heat Transfer Configuration Factors

http://www.engr.uky.edu/rtl/Catalog/

Si F ij=S j F ji

Page 51: Radiométrie - Institut Optique

51

Ex : Facteur de forme → étendue géométrique

∂ F=2R

(1+R2 )2 ∂ R

∂2G=π

2 R

(1+R2 )2 ∂ S1 ∂ R

http://www.thermalradiation.net/sectiona/A-5.html

R=rh

Page 52: Radiométrie - Institut Optique

52

Conclusion intermédiaire

● Par longueur d'onde

– Notion d'étendue géométrique

● SSi l'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde

– Grandeurs énergétiques

● Quelles grandeurs pour un spectre ?

– Notamment celui du système visuel humain

Unité Définition Name Nom Nom CG

Q J Radiant energy Énergie

F,P, W = J.s-1 dQ/dt Radiant power Flux

B W.m-2 dP/dA Radiant exitance Exitance Radiosité

E W.m-2 dP/dA Irradiance Éclairement Irradiance

I W.sr-1 dP/d Radiant intensity Intensité

L W.m-2.sr-1 d²P/(dA cos d) Radiance Luminance Radiance

Page 53: Radiométrie - Institut Optique

53

Unités visuelles (domaine visible)

Unité Définition Nom Unité Nom

Q J Énergie lm.s talbot

F,P, W = J.s-1 dQ/dt Flux lm lumens

B W.m-2 dP/dA Exitance lm.m-2

E W.m-2 dP/dA Éclairement lux

I W.sr-1 dP/d Intensité cd candela

L W.m-2.sr-1 d²P/(dA cos d) Luminance cd.m-2 nit

Page 54: Radiométrie - Institut Optique

54

Pour beaucoup d'applications, seule la partie visible du spectre est pertinente.

L'unité du flux visuel est le Lumen (lm). L’efficacité lumineuse spectrale est définie

par :

683 lm/W

1700 lm/W

Exemple : Pointeur laser rouge 1mW à 635 nm; Vrelatif

(635) = 0.22

Fv =2,2E-4 lm

Rayonnement monochromatique:

Rayonnement polychromatique :

.v eF F V

.v eF dF V

Flux visuel

Page 55: Radiométrie - Institut Optique

55

Valeur de l’efficacité lumineuse spectrale :

(nm) Vph (lm/W)

600 431

625 219,2

650 73,1

675 15,8

700 2,8

725 0,5

750 0,08

(nm) Vph (lm/W)

400 1,9

425 15,5

450 32

475 76,9

500 220,6

525 574,8

550 679,6

575 625,2

Efficacité lumineuse

Page 56: Radiométrie - Institut Optique

56

Éclairement :

L'éclairement est une densité de flux visuel reçu par unité de surface.

● Quantité très utile et souvent plus pertinente que le flux visuel (sur un détecteur,

une source secondaire… ).● Il s’exprime en lux (lm.m-2)

Exitance :● L'exitance est une densité de flux visuel émis par unité de surface.

Aire S

Flux Fv

E=∂ F v∂ S

Éclairement visuel

M=∂ F v∂ S

Page 57: Radiométrie - Institut Optique

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Intensité :

L'intensité d'une source est le flux émis par unité d'angle solide dans une

direction d'observation donnée, exprimé en Candela (cd)

dFv (,)

dSource

Intensité visuelle

I v(θ ,ϕ)=∂ F v(θ ,ϕ)

∂Ω

© Julien Moreau

Page 58: Radiométrie - Institut Optique

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Il existe 7 unités de base dans le système international (SI)

• Longueur Mètre

• Temps Seconde

• Masse Kilogramme

• Température Kelvin

• Courant électrique Ampère

• Quantité de matière Mole

• Intensité lumineuse Candela

Mais par abus de langage, très souvent « l’intensité » sera utilisée pour

désigner une puissance (en Watt) ou même un éclairement (W.m-2) !

Ambiguïté de l'intensité

© Julien Moreau

Page 59: Radiométrie - Institut Optique

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Luminance :

● Un élément de surface dAs de la source émettant une intensité dI(,)

● La luminance de cet élément de surface, dans la direction (,) est définie par :

● L'unité de la luminance visuelle est le cd.m-2

dFv (,)d

sdAs ns

Luminance visuelle

L v(x , y , z ,θ ,ϕ)=∂ I v(θ ,ϕ)

∂ As cosθs=

∂2F v(θ ,ϕ)

∂ Ascosθs ∂Ω

L v(x , y , z ,θ ,ϕ)=∂

2 F v(θ ,ϕ)

∂2G

© Julien Moreau

Page 60: Radiométrie - Institut Optique

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Une source lumineuse peut provoquer un éblouissement incommodant

entre 3000 et 10 000 cd/m2.

Au delà de 105 cd/m2, l’éblouissement devient neutralisant.

Luminance (cd/m2)

Ciel de nuit noir 0,0004Ciel bleu 5 000Lampes économiques 1.104

Neige au soleil 1.104

LED de puissance 2.107

Disque Solaire 1,6 109

Quelques luminances visuelles

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