VI) Principes physiques des sources lumineuses

Sommaire des Ondes
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Sommaire des Ondes
Les ONDES _____________________________________________________________________________ 3
I) Les ondes __________________________________________________________________________________ 3
I.1) Ondes progressives _________________________________________________________________________________ 3
I.1.1) Exemples ______________________________________________________________________________________ 3
I.1.2) Caractéristiques d’une onde ______________________________________________________________________ 3
I.1.3) Analyse mathématique __________________________________________________________________________ 4
I.2) Ondes progressives sinusoïdales : ______________________________________________________________________ 5
I.3) Ondes stationnaires: ________________________________________________________________________________ 6
I.4) Spectre d’une onde : ________________________________________________________________________________ 7
I.5) Spectre d’un capteur : _______________________________________________________________________________ 7
II) Optique géométrique _______________________________________________________________________ 8
II.1) Généralités: _______________________________________________________________________________________ 8
II.2) Réflexion, transmission, absorption: ___________________________________________________________________ 9
II.3) Réflexion _________________________________________________________________________________________ 9
II.4) Réfraction ________________________________________________________________________________________ 9
II.4.1) Lois de la réfraction _____________________________________________________________________________ 9
II.4.2) Décomposition de la lumière ____________________________________________________________________ 10
II.4.3) Réflexion totale: ______________________________________________________________________________ 10
II.4.4) Les mirages __________________________________________________________________________________ 11
II.5) Diffusion ________________________________________________________________________________________ 11
II.6) Applications _____________________________________________________________________________________ 12
II.6.1) Miroir _______________________________________________________________________________________ 12
II.6.2) Lentilles _____________________________________________________________________________________ 12
II.6.3) Fibre optique _________________________________________________________________________________ 14
III) Optique ondulatoire _______________________________________________________________________ 17
III.1) Généralités: _____________________________________________________________________________________ 17
III.2) Diffraction: ______________________________________________________________________________________ 18
III.2.1) Diffraction par une fente:_______________________________________________________________________ 18
III.2.1) Diffraction par un cheveu: ______________________________________________________________________ 18
IV) Photométrie _____________________________________________________________________________ 19
IV.1) La vision ________________________________________________________________________________________ 19
IV.2) L’œil humain: ____________________________________________________________________________________ 19
IV.2.1) Descriptif de l’oeil: ____________________________________________________________________________ 19
IV.2.1) L’œil capteur de luminosité: les bâtonnets _________________________________________________________ 19
IV.2.1) L’œil capteur de couleur: les cônes _______________________________________________________________ 20
IV.3) La photométrie: __________________________________________________________________________________ 20
IV.4) Grandeurs lumineuses: ____________________________________________________________________________ 21
IV.4.1) Notion d’angle solide: _________________________________________________________________________ 21
IV.4.2) Introduction:_________________________________________________________________________________ 21
IV.4.3) Les grandeurs: _______________________________________________________________________________ 21
V) Synthèse des couleurs ______________________________________________________________________ 25
VI) Principes physiques des sources lumineuses ___________________________________________________ 26
VI.1) Sources de lumières utilisant la chaleur : Thermorayonnance _____________________________________________ 26
VI.1.1) Biblios ______________________________________________________________________________________ 26
VI.1.2) Caractéristiques ______________________________________________________________________________ 26
VI.1.3) Ampoules à incandescence _____________________________________________________________________ 27
VI.2) Sources de lumières utilisant la Luminescence _________________________________________________________ 28
VI.2.1) Caractéristiques des diverses luminescences _______________________________________________________ 28
VI.2.2) Les lampes à décharge _________________________________________________________________________ 30
VI.2.3) Lampes à LED ________________________________________________________________________________ 35
VI.2.4) Lasers ______________________________________________________________________________________ 36
VI.3) Analyse des sources lumineuses _____________________________________________________________________ 37

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VI.3.1) Analyse spectrale par spectromètre ______________________________________________________________ 37
VI.3.2) Analyse de la répartition spatiale du flux __________________________________________________________ 38
VI.4) Lasers __________________________________________________________________________________________ 39
VII) Caractéristiques des lampes ________________________________________________________________ 39
VII.1) Le triplet Emetteur – Objet – Récepteur ______________________________________________________________ 39
VII.2) Efficacité énergétique ____________________________________________________________________________ 39
VII.3) Température de couleur __________________________________________________________________________ 40
VII.4) Indice de rendu des couleurs (IRC) __________________________________________________________________ 41
VII.5) Diagramme d’intensité ____________________________________________________________________________ 43
VII.6) Données techniques ______________________________________________________________________________ 44
VII.7) Comparatif des types de lampes ____________________________________________________________________ 44
VII.8) Recommandations d’éclairages _____________________________________________________________________ 45
VIII) Applets ________________________________________________________________________________ 46
IX) Bibliographie _____________________________________________________________________________ 47

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Les ONDES
I) Les ondes
Le transport de l’énergie et de la quantité de mouvement se fait uniquement par deux mécanismes
fondamentaux : des particules qui se déplacent ou des ondes qui se propagent. Et même ces deux conceptions
apparemment différentes sont subtilement liées ; il n’y a pas d’ondes sans particules et pas de particules sans
ondes.
En tant que vecteur de l’énergie et de l’information, les ondes interviennent dans un grand nombre de systèmes
industriels comme les fibres optiques, les émetteurs, antennes et récepteurs radio, les systèmes d’analyses
dimensionnelles ou d’analyses de défauts … On construit des appareils spécifiques pour les guider ou modifier
leur trajectoire. Enfin, elles génèrent des défauts de fonctionnement contre lesquels il faudra lutter :
vibrations dans les solides, perturbations électromagnétiques …
Le but de chapitre est de définir les caractéristiques générales des ondes progressives. On s’arrêtera tout
particulièrement sur l’optique, la science qui étudie les ondes lumineuses et les instruments associés.
I.1) Ondes progressives
I.1.1) Exemples
On considère une corde horizontale ayant une
extrémité fixe.
Sur l’autre extrémité, on donne un coup sec vers le
haut. La corde se déforme. On constate que cette
déformation se propage le long de la corde. Cette
déformation constitue un signal (ou une
information) ; il n’y a pas de déplacement de matière.
Il est transversal car il est perpendiculaire à la
corde qui matérialise la direction de propagation.
La vitesse de déplacement le long de la corde ne
dépend pas du signal.
t1
t2
t3
t4
x
21
x
vtt
On peut distinguer deux types d’ondes : les ondes
longitudinales et les ondes transversales
I.1.2) Caractéristiques d’une onde
 Une onde est un ébranlement qui se propage dans un champ ou dans un milieu matériel
La propagation d'un signal nécessite :
-un signal: modification temporaire d'une propriété du milieu.
-un milieu pouvant transmettre cette modification.
Ce qui correspond à un transport d'énergie (qui peut être partiellement dissipée = amortissement ou
atténuation du signal))
 La propagation d'une grandeur se fait sans transport de matière.
 La propagation est la transmission de proche en proche de la modification dans le milieu.
 La vitesse de propagation dépend de la nature du signal et du milieu de propagation

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Exemples de propagation:
Signal
Milieu
Grandeur
Déformation d'une corde, d'un
ressort, échelle de perroquet.
Milieu élastique.
Variation de tension, de compression
ou variation de torsion.
Son
Milieu matériel: air (331,45 m/s ), eau
(1493 m/s) ,; helium (965 m/s) et dans
le fer ( 5950 m/s).
Variation de pression
Lumière
Vide, air, milieux transparents.
Variations du champ
électromagnétique
I.1.3) Analyse mathématique
I.1.3.1) Expression mathématique d’un phénomène propagatif
Deux manières de voir le phénomène sont possibles :
 Cas a) : prendre deux instantanés à t=0 et à instant t du signal s(x,t) se propageant suivant un axe x
 Cas b) : Observer en deux points différents l’évolution du signal au cours du temps
signal : s(x,0)
x
Propagation à célérité c
signal : s(x,t)
x
x0
x0
x1
x1
Propagation à célérité c
x = ct
Cas a)
Si l’on observe le signal à deux instants : 0 et t.
Le signal s’est déplacé d’une distance x = ct donc le signal que l’on avait
à t=0 : s(x,0) est identique à celui obtenu à l’instant t sauf qu’il est
décalé de x.
signal : s(0,t)
t
signal : s(x,t)
t
t0
t0
t1
t1
t = x/c
Cas b)
Si l’on observe le graphique suivant en deux points 0 et x au cours
du temps.
Le signal est vu par les deux points 0 et x mais décalés dans le temps de
t = x/c
L’expression de s(x,t) est donc de la forme s(x-ct)
L’expression de s(x,t) est donc de la forme s(t-x/c)
signal : s(0,t)
t
Propagation à célérité c
x
t
x1
x2
signal : s(x1,t)
signal : s(x2,t)
t = x/c
x = c.t
Une grandeur qui se propage constitue une onde progressive.
s(x,t)=s(t-x/c) correspond à une propagation dans le sens des x croissants.
s(x,t)=s(t+x/c) correspond à une propagation dans le sens des x décroissants.

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I.1.3.2) Période temporelle T et spatiale d’une onde
Un phénomène vibratoire est une onde qui possède deux périodicités.
En effet, si les signaux sont émis périodiquement de période T (s) (à laquelle correspond une pulsation ), ils se
propagent le long de la corde avec une vitesse c (c=
vitesse ou célérité de la propagation (m/s)).
La distance entre deux déformations est alors
 = cT appelée longueur d’onde (m).
signal : s(x)
x
Longueur d’onde : 
unité : m
Sens de propagation
Instantané du signal à l’instant t0
signal : s(t)
t
Période :T
unité : s
Observation du signal au cours du temps en x0
Périodicité spatiale:  longueur d'onde en m.
On regarde la direction de propagation à un instant t.
Certains points du milieu sont dans le même état
vibratoire. Deux points consécutifs, dans le même état
vibratoire sont séparés par une longueur d'onde.
Longueur d'onde
= distance parcourue par l'onde en
une période.
Périodicité temporelle: T en s ou f en Hz.
On se place en un point de la direction de propagation
et on observe le mouvement en fonction du temps.
I.2) Ondes progressives sinusoïdales :
C’est un cas particulier d’onde progressive. Le signal transmis est une sinusoïde.
signal : s(x)
x
Sens de propagation
Instantané du signal à l’instant t0
La fonction sinusoïdale présente un argument qui est une fonction linéaire de l’espace x et du temps.
ˆ
( , ) sin x s x t S t c
avec
2
2fT
et
cT
Autre notation courante :
ˆ
( , ) sins x t S t kx
avec
2
k
appelé vecteur d’onde
Exemple similaire en électrotechnique :le champ magnétique
ˆˆ
( , ) cos cos
e
b t B p t B p t
créé
dans l’entrefer d’une machine tournante (alternateur ou machine asynchrone) est donc une onde progressive
sinusoïdale.
Relation fondamentale :
c
cT f
c : célérité de la lumière dans le vide
c = 300 000 km.s-1 = 3 108 m.s-1
 : longueur d’onde (m)
T : période (s)
 : fréquence (Hz)