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Lumens, candelas et lux expliqués sous ma douche

29 avril 2010

Ampoule dans une ruelle à Montréal

J’y comprends rien!

— Dis papa, c’est quoi les lumens et c’est quoi la différence avec les candelas?

— Comme le dit si bien Wikipédia : « Par définition, 1 lumen correspond au flux lumineux émis dans un angle solide de 1 stéradian par une source ponctuelle uniforme située au sommet de l’angle solide et dont l’intensité vaut 1 candela ». Et « la candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 ×1012 hertz (correspondant à une longueur d’onde dans le vide de 555 nm) et dont l’intensité énergétique dans cette direction est précisément 1⁄683 watt par stéradian. »

— PFFF, J’AI RIEN COMPRIS!

Alors on va tâcher d’être moins savant mais plus clair. Pour faire bref :

  • flux lumineux : les lumens indiquent la quantité totale de lumière émise par une source lumineuse, dans toutes les directions à la fois;
  • intensité lumineuse : les candelas désignent la quantité de lumière émise dans une direction donnée;
  • luminance : les candelas/m² permettent de rendre compte de la luminosité de la surface (par exemple, le filament d’une lampe à incandescence est très brillant, tandis que si l’ampoule est dépolie, on sera moins ébloui);
  • éclairement : les lux représentent la quantité de lumière reçue sur une surface, sans aucune indication de la source lumière elle-même (qui peut être aussi bien faiblarde mais proche que très puissante mais lointaine).
Voici l’astuce mnémotechnique d’un lecteur, Pascal Paoli :
  • Candela : C’est   dans cette direction.
  • Lumen : Dans toutes les directions parce que lu mène à tout.
  • Lux : Le luxe, c’est d’être bien éclairé.

Pour commencer…

Imaginons que tu es dans ta douche. Quand tu tournes le robinet, le pommeau diffuse des gouttelettes d’eau.

Imaginons que la lumière, c’est cette eau. L’obscurité, c’est quand ta douche ne crache pas une goutte; la lumière, c’est quand tu t’en reçois plein la face.

Lumens = quantité totale

Tu es d’accord qu’il peut sortir plus ou moins d’eau de ce pommeau de douche. Par exemple quelques gouttes qui vont à peine te mouiller, ou des litres et des litres et tu seras trempé(e) en deux secondes.

Appelons cette mesure les lumens.

Les lumens représentent donc la quantité d’eau qui sort du robinet. Si j’ouvre le robinet à moitié j’aurai 10 lumens, si je l’ouvre à fond j’aurai 20 lumens.

Candelas = quantité, mais pas pareil

Ce que les lumens ne nous disent pas, c’est quelle quantité d’eau tu auras sur la tête (et pas ailleurs).

Si tu as déjà pris une douche dans ta vie, tu as remarqué que certains pommeaux te balancent un jet super fin qui fait bien mal, et que chez d’autres gens tu as de l’eau qui part dans tous les sens et que c’est à peine si tu peux te laver les cheveux.

Et tu as peut-être toi-même un pommeau de douche avec plusieurs positions qui te permet de passer de l’une à l’autre de ces extrêmes. Et pourtant, tu as toujours la même quantité d’eau qui sort : dans un cas, tout va dans la même direction en un jet puissant; dans l’autre cas, tu as un nuage de gouttelettes sans direction précise.

Et c’est là qu’on va parler de candelas. La candela sera notre unité de mesure de l’eau envoyée dans une direction déterminée.

La candela ne va pas te dire si ta douche débite beaucoup ou pas au total : elle va te dire quelle quantité sort dans une direction donnée.

Tu es sous ta douche sous un jet fin : si tu ouvres la bouche dans la direction du jet, tu peux boire; mais tu n’es même pas mouillé si tu te mets à côté.
Maintenant sors dehors et mets-toi devant le gros arroseur automatique du jardin public à côté de chez toi. Tu sais, le gros truc qui arrose une large surface de gazon. Même si tu ouvres la bouche, tu vas seulement avoir un peu d’eau sur la langue, pas assez pour boire. Et ça quel que soit l’endroit où tu es autour de la buse qui crache l’eau, car l’eau est diffusée tout autour.

Et tu es d’accord qu’au total le gros arroseur débite plus que ta petite douche, mais au niveau de ta bouche ce n’est pas pour autant que tu reçois beaucoup d’eau. Par contre si on mettait toute cette eau en un seul jet, ça ferait un sacré Karcher!

On répète donc :
Lumens = quantité d’eau totale qui sort de la douche.
Candelas = quantité d’eau dans une certaine direction.

Lux = quantité reçue

Mais il y a un autre aspect qu’on n’a pas abordé. Si tu approches ta bouche du pommeau de douche, tu peux absorber toute l’eau. Si en revanche tu t’en éloignes, il y a seulement un peu d’eau qui va dans ta bouche, la majeure partie du jet coule autour de toi.

Eh bien on va appeler « lux » cette quantité d’eau reçue, qui dépend en fait des autres facteurs : combien d’eau ta douche débite, quelle est la forme du jet et à quelle distance tu en es. Si tu as une douche qui coule peu mais avec un jet précis et que tu mets ta bouche juste en dessous, tu recevras au final autant d’eau que si tu es sous le gros jet de l’arroseur automatique.

Donc si tu me dis « j’ai reçu 10 lux dans la bouche », ça ne me donne aucune idée de quelle source tu les as eus : un petit jet fin ou un gros jet diffus dont tu n’as absorbé qu’une infime partie. Mais je sais quelle quantité tu as bue.

Indice de rendu des couleurs, température de couleur, c’est quoi ça?

Ça, on en parlera une autre fois! Considère que c’est un peu comme  le « goût » de l’eau, ça rien à voir avec la quantité. Ce qui ne m’empêche pas de mettre une photo pour faire joli :

Lampe de bureau à tubes fluorescents

Retour à la lumière

Relis ce que j’ai écrit mais en l’appliquant à la lumière, en imaginant une lampe et des « grains » de lumière à la place de l’eau.

Les lumens (lm) indiquent le flux lumineux, c’est-à-dire la quantité de lumière totale émise par une lampe, mais sans préciser comment cette lumière est répartie. Une ampoule classique de 40 W offre environ 500 lumens, une ampoule de 100 W dépasse les 1600 lumens.
Cette mesure est toutefois bien pratique pour déterminer la luminosité réelle d’une source de lumière « nue ». Tu sais par exemple qu’une led de 200 lumens éclaire comme deux leds de 100 lumens (oui, les lumens s’ajoutent, même si notre œil perçoit l’écart entre 100 et 200 lumens comme assez minime et non comme « deux fois plus fort »).

Le flux lumineux en lumens permet également d’évaluer l’efficacité (ou le rendement) de cette source : une ampoule à incandescence produit environ 20 lumens par watt (20 lm/w) tandis que les dernières générations de leds dépassent allègrement les 100 lumens par watt (100 lm/w). Pour une même quantité de lumière, la led consomme donc cinq fois moins d’électricité que l’ampoule classique.

Les candelas (cd) correspondent à l’intensité lumineuse, la quantité de lumière émise dans une direction donnée. C’est pour cela qu’on trouve des lampes qui vantent le million de candelas : c’est comme un jet très puissant, mais au final il n’y a pas tellement de lumière qui est émise par l’ampoule; c’est juste que cette lumière est très canalisée.
Pour mes phares de voiture par exemple, peu m’importe la mesure en lumens : ce sont les candelas qui m’intéressent car je veux savoir quelle quantité de lumière j’aurai sur la route, devant moi.

Les deux graphiques ci-dessous montrent la répartition lumineuse de deux lampes différentes :

  • à gauche, toute la lumière est dirigée vers le bas dans un angle de 30°;
  • à droite, la lumière est diffusée autour de la lampe et surtout sur les côtés.

Graphiques d'intensité lumineuse (Thorn Lighting)

Plafonnier Invincible II avec diffuseur prismatique de Thorn
© Thorn (www.thornlighting.fr)
Applique Garbo de Thorn

Autrefois on exprimait la quantité de lumière émise en « bougies » (dont est dérivée la candela) qui est en fait une unité d’intensité et non de flux, ce qui avait du sens parce que toutes les sources émettaient la lumière de la même façon, c’est-à-dire tout autour d’elles sauf à la base (mèche pour les lampes à flamme, culot pour les ampoules électriques) et qu’on pouvait donc comparer les flux en comparant les intensités. Mais maintenant qu’on a des « jets » de lumière de formes différentes, on préfère distinguer les deux mesures.

Parlons maintenant de la luminance. Regarde une ampoule de 60 W claire (verre transparent) : tu es ébloui, le filament est très brillant. Prends maintenant une ampoule qui éclaire autant mais dont le verre est dépoli : le flux est le même (par exemple 800 lumens) et l’intensité lumineuse est la même (les deux ampoules éclairent toutes deux de manière uniforme autour du filament, avec une ombre portée au niveau du culot). Qu’est-ce qui change alors? Réponse : tu seras moins ébloui par l’ampoule dépolie car sa luminosité est répartie sur une plus grande surface. C’est alors qu’on va parler de luminance, qu’on exprime généralement en candelas par mètre carré, ou cd/m² (on aurait tout aussi bien les exprimer par centimètre ou millimètre carré). Plus il y a de candelas émis pour une surface donnée, plus celle-ci est éblouissante.

Et les lux? Les lux (lx) sont l’unité de l’éclairement et me permettent de savoir si ma table de travail est bien éclairée. Tu peux me dire que ma lampe fait 4000 lumens, mais si j’en suis à 1 mètre j’aurai bien plus de lumière que si j’en suis à 10 mètres. Ce qui m’intéresse c’est la lumière que je reçois sur ma table, peu m’importe la quantité totale de lumière émise par la lampe.

L’exemple ci-dessous montre une carte de la répartition des mesures d’éclairement dans un bureau. On voit que l’espace de travail est plus éclairé que le reste de la pièce.

Flux lumineux

Par ailleurs, certains marchands de lampes expriment la puissance lumineuse de leurs produits en lux. Il est évidemment nécessaire dans ce cas de spécifier la distance entre la source et le point de mesure (sinon ça n’a aucun sens) et idéalement de préciser l’étendue de cette surface.

Pour indiquer la puissance d’une lampe, pourquoi alors utiliser les lux plutôt que les candelas, plus appropriés? Plusieurs raisons à cela :

  • un luxmètre ne coûte pas grand chose et la mesure est très facile à prendre (on s’éloigne à la distance voulue et on dirige la cellule du luxmètre vers la source lumineuse, puis on lit la valeur à l’écran — c’est tout!);
  • une valeur en lux est plus parlante pour beaucoup de monde (200 lux sur une table de cuisine, 400 lux sur un plan de travail, etc. : les repères abondent dans la vie courante); des fabricants de lampes de mine citent par exemple 2500 lux à 4 pieds, distance habituelle de travail qui parle aux professionnels concernés (un ami mineur au Québec me racontait justement que « dans les mines c’est comme cela que ça fonctionne, on met la lampe dans un cylindre et au bout il y a un capteur qui nous donne le résultat en lux; chaque mine a un luxmètre, mais personne ne l’utilise vraiment. »);
  • attention marketing douteux! si on prend la mesure d’une lampe torche à 1 cm de la tête, on peut vendre des chiffres impressionnants comme « 100 000 lux » — même si la lampe est miteuse!
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