Candela : quelques éléments historiques

L’intérêt pratique des mesures des rayonnements optiques pour l’éclairage émergea dès le début du XIXème siècle. Ces mesures sont regroupées sous la dénomination de photométrie. Très rapidement est apparu l’utilité d’avoir un étalon de « lumière » et de définir des unités photométriques. L’unité d’intensité lumineuse est choisie comme unité de base.

Au départ, les références sont fondées sur des étalons à flammes (lampes à huile) mais la stabilité est faible. En 1881, Jules Violle, professeur au Cnam, propose de définir l’intensité lumineuse à partir du rayonnement émis par une surface de platine chauffée à sa température de congélation. Quelques années plus tard, suite aux travaux de Max Planck, le rayonnement du platine est remplacé par le rayonnement du corps noir ou « radiateur intégral », qui est plus universel. En 1946, le Comité international des poids et mesures (CIPM) s’appuyant sur cette approche, définit l’unité d’intensité lumineuse, la « Bougie nouvelle » comme : « la grandeur de la bougie nouvelle est telle que la brillance du radiateur intégral à la température de solidification du platine soit de 60 bougies nouvelles par centimètre carré. ». Cette décision est ratifiée en 1948 par la 9^ème Conférence générale des poids et mesures (CGPM) qui adopte également un nouveau nom pour cette unité : la candela, dont le symbole est « cd ». L’unité sera introduite dans le Système international d’unités quelques années plus tard en 1954 lors de la 10^ème CGPM, en même temps que l’ampère et le kelvin.

En 1967, afin de clarifier le cadre de sa mise en pratique, la 13^ème CGPM modifie légèrement de la définition de l’unité d’intensité lumineuse. Elle devient : « la candela est l’intensité lumineuse, dans la direction perpendiculaire, d’une surface de 1/600 000 mètre carré d’un corps noir à la température de congélation du platine sous la pression de 101 325 newtons par mètre carré. »

A cette époque, les mesures radiométriques (mesures énergétiques du rayonnement optique) sont devenues très performantes, notamment grâce l’apparition des détecteurs à substitution électriques. De son côté, la candela est fragilisée par les fluctuations de la température assignée au point fixe du cuivre, qui varie en fonction des différentes révisions de l’échelle internationale des températures (EIT) et à partir de laquelle la température de congélation du platine est extrapolée. En effet, si cette température varie, le rayonnement du corps noir varie et la candela aussi. En 1979, la 16^ème CGPM, adopte une nouvelle définition de la candela liée à une unité énergétique qui permet de rompre le lien à la température de fusion du platine :

La candela : Une touche d’humain dans les unités de mesure

Cette définition permet de rattacher l’intensité lumineuse [cd], grandeur liée à la sensation visuelle, à une grandeur physique, l’intensité énergétique [W·sr^-1]. Ce rattachement s’effectue en fixant la constante K_m, appelé constante d’efficacité maximale de l’observateur photopique, qui assure la correspondance entre ces deux grandeurs pour une radiation monochromatique à la longueur d’onde de 555 nm (ou de fréquence 540·THz). Cette longueur d’onde correspond au maximum de sensibilité de l’œil humain. Elle a été déterminée expérimentalement et adoptée par la Commission Internationale de l’Éclairage (voir encadré).

 

La fonction d’efficacité lumineuse spectrale est une fonction qui caractérise la sensibilité du système visuel humain aux différentes longueurs d'onde. En 1924, la Commission Internationale de l’Éclairage (CIE) a défini une courbe d’efficacité lumineuse spectrale relative pour décrire la vision diurne d’un observateur moyen. Cette courbe a été obtenue après une série de mesures sur un grand nombre d’individus afin de pouvoir effectuer des mesures photométriques avec des références communes pour représenter l’œil humain.

 

Ainsi, aujourd’hui, la candela est réalisée par des méthodes radiométriques, grâce à l’emploi de radiomètres dont la sensibilité simule la sensibilité spectrale de l’observateur humain : les photomètres. Toutefois des lampes à incandescence sont toujours utilisées pour conserver l’unité ou pour transférer les références aux industriels.

La candela, unité des mesures sensorielles et du développement durable

Qualité du rendu des couleurs de l’éclairage, luminaires simulant les couleurs du soleil pour stabiliser le rythme circadien, efficacité lumineuse, …la candela est à la fois au cœur des sensations de l’humain et des problématiques de développement durable. Dans ces différents domaines, les métrologues travaillent à développer des indices basés sur des grandeurs perceptives dont la candela est le fer de lance, pour répondre aux nouveaux enjeux des industriels et à ces défis de société.

Dans le domaine des LED par exemple, qui consomment peu d’énergie et sont appelées à devenir la technologie dominante en matière d’éclairage, une équipe du LNE a participé au projet européen MESaIL (Metrology for efficient and safe innovative lighting). Arrivé à son terme en 2017, il avait pour objectif de développer de nouveaux moyens pour assurer la traçabilité métrologique de ces types d’éclairage, d’évaluer leur durée de vie, et d’étudier les aspects de sécurité et de confort visuel des utilisateurs. En lien avec ce dernier aspect, des chercheurs du LNE étudient également comment varie l’attention, par exemple lors de tâches de lecture, avec la fréquence de modulation de la source. Les connaissances antérieures avaient conduit à considérer que plus celle-ci est élevée, moins elle constitue une gêne pour l’utilisateur, du fait de la persistance rétinienne qui joue le rôle de filtre temporel pour notre système visuel. Cependant, à ce stade des résultats obtenus par les chercheurs, c’est finalement la conclusion inverse qui semble s’imposer. Selon l’hypothèse proposée, la plus grande sensibilité aux fréquences élevées serait due au phénomène de saccades oculaires qui accompagne les tâches visuelles…

Conférence « La candela, une touche d’humain dans les unités de mesure »