Le Wiki de Tomodori

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Sommaire

1 Introduction
2 Préambule - Avertissement
3 Définitions et principe de la mesure
4 Pour nous les amateurs
5 La méthode
6 Exemples
7 Observations
8 Solutions alternatives avec un "smartphone"
- 8.1 lumière incidente
- 8.2 lumière réfléchie
9 Sources principales

Introduction

Nombre d'entre nous qui possèdent un APN (Appareil de Photographie Numérique) mais pas de luxmètre se sont un jour posés la question de mesurer un éclairement : savoir combien de lux éclairent un objet donné. Nous nous limitons ici aux objets relativement simples, sans chercher à mesurer l'éclairement moyen d'une scène complexe.

Il est tout à fait possible de le faire dès lors que l'on accepte une marge d'imprécision importante, et en se souvenant que les Luxmètres pas chers ne sont guère plus précis.

Pour les définitions des notions de base concernant la lumière, comme par exemple, lux, lumen, éclairement, spectre lumineux, etc... se reporter, par exemple, aux articles Wikipedia correspondants à ces termes.

Préambule - Avertissement

Un éclairement se mesure en Lux. C'est une mesure qui est adaptée à l’œil humain, ses valeurs en représentent la perception moyenne. Comme l’œil humain est beaucoup plus sensible à certaines couleurs qu'à d'autres (en gros le vert et le jaune, au détriment du bleu et du rouge) les mesures en lux ne sont, en général, pas représentatives de l'énergie reçue par m² (énergie qui s'exprime en Watt ou en µmol·m^-2·s^-1) ; elles ne le sont que i) pour les éclairages de type lumière naturelle (solaire) ou équivalent comme les (vieilles) ampoules à incandescence, et ii) uniquement pour la partie visible du spectre lumineux (elles ignorent totalement les ultra-violets et les infra-rouges).

Autrement dit :

les mesures en lux sont bien adaptées aux humains, mais ne sont pas utilisables pour mesurer l'éclairement de plantes, aquarium, dès lors que le système d'éclairage présente un spectre sensiblement différent de celui de la lumière solaire. En particulier l'énergie issue des rayonnement en dessous de 500 nm (de bleu vert à violet) et au dessus de 620 nm (de orange moyen à rouge) est très peu reflétée dans une mesure d'éclairement en lux. C'est particulièrement vrai pour les éclairages de pouponnières sous LED qui utilisent parfois une forte proportion de LED "bleu royal" (autour de 455 nm) et de rouge cerise (autour de 660 nm) ; la valeur de l'éclairement en lux donne, dans ce cas, une très mauvaise estimation de l'énergie (utile à la photosynthèse) reçue par les plantes.
se servir des lux pour des éclairages artificiels, comme par exemple les tubes fluorescent ou ampoules CFL ou les LEDs pour des usages autres que la perception humaine, peut conduire à des surprises ou des erreurs significatives.

Définitions et principe de la mesure

L : la valeur de l'éclairement en lux
S : la sensibilité ISO de l'appareil (du film en argentique, ou du couple capteur+logiciel en numérique) -- les valeurs courantes peuvent être 80, 100, 200, 400, 800
V : la durée de l'exposition (appelée, à tort, vitesse dans le monde de la photo) - en secondes par exemple 1/100s, 1/400s -- la lumière reçue par le capteur est proportionnelle à cette durée
Of : l'ouverture focale indiquée par l'appareil selon une échelle dont les valeurs les plus courantes sont 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16 (le passage d'une valeur à l'autre implique une division par deux de la surface d'ouverture de l'obturateur, et donc de la lumière reçue par la capteur)

Le capteur reçoit la lumière réfléchie par le sujet photographié. Ce qui est mesuré par cette méthode est donc cette lumière réfléchie par le sujet et non pas l'éclairement (la lumière reçue par le sujet).

Or c'est bien la lumière reçue par le sujet que nous voulons mesurer. La lumière réfléchie est proportionnelle à la lumière reçue dans un rapport qui dépend du % de lumière reçue qui est réfléchie par le sujet.

L'équation qui donne les lux en fonction des paramètres de l'appareil photo est

L = C * Of² / ( S * V)

avec C une constante de calibrage du dispositif utilisé.

Selon la norme ISO, les cellules photométriques des appareils photos doivent être calibrée en prenant arbitrairement un indice de réflexion de 12,5 % par le sujet photographié.

Dans l'absolu, pour mesurer la lumière, il faudrait donc viser un sujet gris neutre 12,5% (qui réfléchit 12,5% de la lumière reçue, et toutes les couleurs du spectre visible dans des proportions égales) ayant une réflexion diffuse et non pas spéculaire comme un miroir. Les photographes professionnels utilisent souvent la célèbre "grey card 18%" de Kodak.

Pourquoi 18% ?

la fameuse carte "gris 18%" de Kodak serait en fait une carte "gris 12%" dès lors que l'axe de visée n'est pas perpendiculaire ou presque au plan de la carte (qui ne réfléchirait que 66% de la lumière dans ce cas)
cela correspond alors aux standards internationaux pour les appareils photos qui imposent la plage 12 à 14 % de lumière réfléchie.
d'ailleurs Kodak lui même indique de corriger l'exposition retenue sur la base des résultats obtenus avec la "grey card 18%" d'un 1/2 stop (une demi ouverture de l'objectif).

Sur ces bases, la constante vaut 250 et la formule est : L = 250 * Of² / ( S * V)

Sources

Calibrage des Luxmètres

Les mesures de lumière

Pour nous les amateurs

En pratique il est difficile (ou cher) de disposer d'une plaque de couleur gris neutre 18% avec certitude.

La solution de repli est de prendre une surface blanc mat qui assure une réflexion diffuse presque parfaite (donc égale dans toutes les directions) pour ne pas dépendre de la position de la ou des sources de lumières quelque soit l'endroit à partir duquel est faite la visée. La seule chose qui manque est de connaitre l'indice de réflexion de cette surface. La solution simple est une feuille de papier blanc mat (pas de papier glacé) et relativement épais (grammage important).

La difficulté est de connaitre la réflectivité de ce papier. Dans la littérature on trouve aussi bien 65% que 80%. Il semblerait que le papier blanc ordinaire pour imprimante soit proche de 65 %. C'est cette valeur qui est généralement retenue.

Elle illustre le manque de précision de la méthode avec une marge d'imprécision de l'ordre de 20% (quand plusieurs mesures ne sont pas faites avec le même papier).

En retenant cette valeur de 65% il convient d'ajuster la constante de 250 (prévue pour 12,5% de réflexion). La valeur de la constante devient alors soit

250*12,5/65 = 48,08 donc ~ 48 -- si on retient la valeur 12,5%

Si vous utiliser un papier vraiment très blanc (plus que celui habituel pour imprimante) , il faut passer cette constante à ~ 40.

La méthode

principes

Prendre une feuille de papier blanc mat standard, la fixer sur la surface dont on souhaite connaitre l'éclairement (surface plane ou presque). Si c'est la lumière incidente que vous voulez mesurer et si la lumière a une direction majoritaire, essayez de placer la feuille dans un plan perpendiculaire à la direction de cette lumière.
Avec l'appareil photo, prendre la feuille comme cible de visée, en faisant attention i) que la feuille blanche occupe 100% du champs de visée, ii) à ne pas faire d'ombre sur la cible, iii) à ce que l'angle de visée avec la feuille soit le plus proche possible 45° ;
Relever les 3 valeurs d'exposition proposées par l'appareil (sensibilité ISO, vitesse d'obturation, ouverture du diaphragme) au besoin refaire l'opération 2 ou 3 fois pour s'assurer que les valeurs sont stables
Reporter ces valeurs dans la formule et faite le calcul, --> vous obtenez une valeur assez correcte de l'éclairement en lumen de la surface visée
dans une enceinte fermée avec un sol réfléchissant, pour éviter de perturber la mesure avec la lumière réfléchi : i) placer une surface sombre sur le plan dont on veut mesurer l'éclairement; ii) placer une feuille blanche pas trop grande je prend une feuille A4 pliée en 4.

la formule

La formule devient alors (avec pour cible de visée du papier blanc standard genre 80 ou 90 gr / mm²) :

L = 48 * Of² / ( S * V)

illustration

Exemples

avec papier imprimante ordinaire (constante = 48) :

Sensibilité ISO	Durée d'ouverture	Ouverture focale	Éclairement (en lux)
100	1/640	F/4	4 915
80	1/400	F/4	3 840
260	1/60	F/5.4	323
100	1/1 000	F/8	30 720

Observations

Si jamais vous disposez de la fameuse carte gris neutre 18%, il est préférable de l'utiliser en la visant avec un angle de ~45° et de faire les calculs avec la valeur ISO recommandée 250 pour la constante.

Rappelez vous que la constante est dépendante du pouvoir de réflexivité de la feuille de papier blanc que vous utilisez. Un papier avec un pouvoir de réflexion de 78% vous donnerait des résultats surévalués de 20%.

L'utilisation d'une cible uniforme permet de ne pas se préoccuper si le mode de mesure de l'APN est ponctuel ou matriciel.

En principe avec du papier blanc mat, à réflexion diffuse, la valeur mesurée dépend peu de l'orientation de l'APN par rapport à la direction de la lumière. Ce ne serait pas le cas avec un papier blanc brillant.

Si vous pensez que votre feuille de papier est trop mince, ne pas hésiter, à mettre 2 ou 3 feuilles superposées, mais il est probable que son indice de réflexion soit plutôt 60 que 65 comme supposé dans le choix de la constante.

Si vous avez l'occasion de vous faire prêter un luxmètre, ce sera une bonne opportunité pour étalonner votre dispositif (y compris le papier choisi), en faisant les mesures en double (une fois avec l'APN et l'autre avec le luxmètre). Si vous constatez, sur un jeu de 7 ou 8 mesures, dans des conditions d'éclairement différent, un décalage de x % à peu près constant et toujours dans le même sens, et si vous avez confiance dans le luxmètre (attention les luxmètres bas de gamme ont souvent des photo-capteurs moins bons/précis que les APN avec grands capteurs (c.ad. micro 4/3, APS-C et full-frame) vous pouvez réajuster la constante dans les mêmes proportions. Rappelez vous en interprétant les résultats, que la marge d'imprécision de cette méthode est de l'ordre de 20% et que les luxmètres pas chers ne font guère mieux. Le CEI lui même autorise les constructeurs d'APN à choisir leur constante (pour les logiciels internes à l'APN) dans une plage environ 20%, Même si la majorité des constructeurs choisissent une valeur médiane, tous les APN n'ont pas obligatoirement la même.

Il faut avoir en tête que, comme les éclairements habituels à mesurer vont de quelques lux à ~100 000 lux, cette marge d'erreur de 20% est tout à fait acceptable. Il ne sert à rien dans la vie courante de viser des précisions de l'ordre de quelques % ; une différence d'éclairement de 30% qui pourrait paraître importante ne l'est en fait pas beaucoup. On percevra bien une différence entre 5 000 et 20 000, mais pas si facilement entre 3 000 et 4 000 lux.

Afin de pouvoir comparer diverses mesures entre elles, il est important de garder la même surface réfléchissante donc la même feuille de papier (ou une feuille du même modèle) entre différentes mesures.

Solutions alternatives avec un "smartphone"

Tous les smartphones intègrent un appareil photo et nombre d'entre eux un capteur de lumière ambiante afin de permettre un ajustement de la luminosité de le l'écran à l'éclairement ambiant.

Ces possibilités sont exploitées par diverses applications dont plusieurs gratuites (ou financées par la publicité) pour une mesure soit de la lumière réfléchie (en utilisant l'appareil photo) soit de la lumière incidente (en utilisant, quand il est disponible, le capteur de lumière ambiante).

Dans les deux cas la précision va dépendre de la précision et de la fiabilité du/des capteur(s) de l'appareil. Concernant la précision des mesures il ne faut pas s'attendre à des miracles surtout avec les appareils bas de gamme et surtout en basses lumières pour lesquelles des valeurs du simple au triple peuvent être obtenue en fonction du smartphone. Le capteur de l'APN intégré est plus précis que le capteur de lumière ambiante, mais il a le désavantage de dépendre de la réflexivité de la surface mesurée.

lumière incidente

Pas disponible sur tous les smartphones

Le capteur qui mesure la lumière incidente, est utilisé pour transformer l'appareil en luxmètre rudimentaire; il ne faut pas en espérer une grande précision et une différence de la mesure de 50% avec la valeur donnée par un bon luxmètre n'est pas rare. Comme avec un luxmètre, pour prendre une mesure, il convient de placer l'appareil sur la surface dont on veut mesurer l'éclairement et de le positionner face à la lumière (principale). Il donne alors directement la mesure en lux.

lumière réfléchie

C'est le capteur de l'APN intégré qui est utilisé selon le principe de la méthode présentée dans cet article. Selon l'application les résultats sont soit les données d'exposition (sensibilité, obturation et diaphragme), soit directement des lux (après calibrage). La précision est très liée à la qualité du capteur de l'APN intégré. Quelques tests ont montrés que selon le smartphone les valeurs obtenues peuvent varier du simple au double.

Pour trouver une application de ce genre il suffit de chercher dans le "store" correspondant à son smartphone (Google Play, Apple Store ou équivalent) avec les termes "light meter" ou "light sensor".