Pourquoi une pièce éclairée et le plein soleil dehors semblent-ils aussi lumineux l'un que l'autre ?
― L'œil réduit un écart de 200 fois à environ 6 fois
Un extérieur ensoleillé en plein jour, et une pièce éclairée : les deux nous paraissent simplement « normalement lumineux ». Pourtant, un appareil de mesure révèle un écart d'environ 200 fois. Ce n'est pas que l'écart n'existe pas : c'est l'œil qui le réduit à nos yeux.
En journée, vous lisez un livre dans votre salon. La lumière est allumée, et la luminosité vous paraît tout à fait suffisante.
Vous sortez ensuite par la porte d'entrée et vous vous retrouvez en plein soleil. Vous pensez « ça éblouit », mais en plissant un peu les yeux, vous vous y habituez rapidement.
Selon votre ressenti, la différence est au mieux de « quelques fois plus lumineux ». Pourtant, la luminosité réelle entre la pièce et le plein soleil diffère d'environ 200 fois.
Deux raisons expliquent la disparition de cet écart
L'ouverture au centre de l'œil, la pupille, se réduit dans les endroits lumineux et s'agrandit dans les endroits sombres. Elle règle ainsi elle-même un facteur 4 en diamètre, soit environ 16 fois en quantité de lumière entrante.
Cela ne représente pourtant qu'un facteur 16. Le reste est pris en charge par le fond de l'œil et le cerveau. Même si la quantité de lumière devient 200 fois plus grande, la luminosité perçue n'augmente que d'environ 6 fois. Voilà comment se fait cette réduction.
Grâce à l'action conjuguée de ces deux mécanismes, nous vivons la pièce sombre et le plein soleil éblouissant comme un même monde ordinaire et continu. C'est un mécanisme pratique, mais il nous rend, en contrepartie, très mauvais juges de la luminosité réelle.
La luminosité réelle diffère d'un ordre de grandeur considérable
L'unité qui mesure la luminosité s'appelle le lux. Un extérieur bien ensoleillé atteint environ 100 000 lux ; même par temps couvert, on est autour de 10 000 ; le bureau d'un employé, environ 500 ; le salon d'une maison, entre 100 et 200. La nuit, sous la pleine lune, on est à environ 0,25.
Entre la valeur la plus haute et la plus basse, l'écart atteint environ 400 000 fois. Sur un graphique à échelle ordinaire, les valeurs basses seraient totalement écrasées et illisibles. C'est pourquoi la figure 1 utilise une échelle où chaque graduation correspond à une multiplication par 10.
Cette « maladresse » cause de vrais désagréments au quotidien
Le fait que l'œil réduise les écarts rend la vie plus confortable, mais en contrepartie, nous nous trompons souvent en jugeant si la luminosité est suffisante. Ces soucis apparaissent surtout dans trois situations.
D'abord, une plante verte posée près d'une fenêtre qui perd inexplicablement de sa vigueur. Même si la pièce paraît bien assez lumineuse à nos yeux, la lumière reçue par la plante ne représente qu'une infime fraction de celle de l'extérieur. Ensuite, la photographie : si les photos prises en intérieur sont floues ou sombres, c'est que la réalité est bien plus sombre que ce que l'œil laisse croire.
Enfin, l'horloge biologique. On considère que pour régler le rythme du corps, la lumière du matin doit atteindre un certain niveau de luminosité. Or l'éclairage intérieur n'atteint souvent pas ce niveau. Même si l'on parle de « luminosité » dans les deux cas, il vaut mieux considérer que, pour le corps, ce sont deux choses différentes.
Même par temps gris et couvert, l'extérieur affiche environ 10 000 lux, soit environ 20 fois une pièce bien éclairée. Même si l'on se dit « aujourd'hui il fait sombre, sortir ne changera rien », en matière d'exposition à la lumière, sortir dehors est bien plus efficace que de rester assis près d'une fenêtre.
Si la perception suivait fidèlement la luminosité réelle, dès qu'on sortirait dehors, tous les reliefs et nuances de texte visibles en intérieur seraient écrasés en un blanc uniforme. On pense que ce resserrement de l'écart est une adaptation permettant de toujours distinguer « la forme des choses », dans une nature où les conditions changent d'un ordre de grandeur.
Résumé
La luminosité d'une pièce et celle du plein soleil diffèrent d'environ 200 fois. L'ouverture de la pupille en compense environ 16 fois, et le reste est absorbé par la compression de la perception elle-même. C'est ainsi que nous vivons cet écart sans presque jamais en avoir conscience. C'est pratique, mais en contrepartie, notre jugement sur le caractère suffisant ou non d'une luminosité n'est guère fiable.
L'œil n'est pas un instrument de mesure de la luminosité.
C'est un outil qui réduit les écarts pour que l'on puisse voir les formes, même dans un monde aux ordres de grandeur démesurés.
Le temps que met l'œil à s'adapter en passant au sombre est abordé dans Pourquoi ne voit-on plus rien pendant un moment en entrant dans une pièce sombre après avoir été dehors en plein jour ?, et le fait qu'un jour couvert délivre dehors une lumière plus forte qu'on ne le croit est traité dans Pourquoi peut-on attraper un coup de soleil même par temps couvert ?.
- Installez sur votre smartphone une application qui affiche la luminosité en lux. Celles qui utilisent l'appareil photo ou un capteur de luminosité conviennent comme ordre de grandeur approximatif.
- Mesurez d'abord sur votre bureau et notez le chiffre. Puis devinez « dehors, ce sera combien de fois plus lumineux ? » avant de sortir et de mesurer en plein soleil.
- Comparez votre estimation au résultat réel. La plupart des gens répondent « moins de 10 fois », alors que la réalité dépasse souvent 100 fois. Essayez aussi par temps couvert, à 1 m d'une fenêtre, ou dans une pièce le soir : vous verrez bien comment l'écart se resserre à chaque fois.
Ne pointez jamais l'appareil photo directement vers le soleil pour mesurer. Le résultat serait faussé, et ce serait mauvais à la fois pour vos yeux et pour l'appareil.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau du cours de « biologie de base » au lycée
- Lycée+Niveau avancé du lycée, ou contenu traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (science de la vision, psychophysique)
- RechercheNon encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Éclairement : quantité qui exprime combien de lumière atteint une surface. Unité : le lux. C'est le chiffre que cet article appelle « luminosité réelle ».
- Adaptation : ajustement de la sensibilité de l'œil en fonction de la luminosité ambiante. Cela comprend à la fois le changement d'ouverture de la pupille et le changement de sensibilité des cellules au fond de l'œil.
- Échelle logarithmique : façon de disposer les valeurs où chaque graduation correspond à une multiplication par 10. Utilisée pour faire tenir sur un seul graphique des nombres qui diffèrent d'ordres de grandeur considérables. C'est le cas du bandeau supérieur de la figure 1.
CollègeLycéeVérification par le calcul : comment un écart de 200 fois devient un écart perçu de 6 fois
Établissons une formule reliant perception et luminosité réelle, puis suivons-la avec des valeurs numériques.
| En symboles | S ＝ k × E0,33 |
| En mots | Luminosité perçue ＝ constante × racine cubique de l'éclairement |
| D'où vient cette formule | La loi de puissance de Stevens, qui relie l'intensité d'un stimulus à la perception. Il s'agit d'une loi empirique obtenue en demandant à de nombreuses personnes d'évaluer la luminosité ; pour la luminosité, l'exposant se situe entre 0,33 et 0,5 environ. |
| Signification des symboles | S est la luminosité perçue (valeur relative sans unité), E est l'éclairement (en lux), k est une constante de proportionnalité |
| Éclairement d'un extérieur bien ensoleillé | environ 100 000 lux |
| Éclairement d'un intérieur bien éclairé (bureau) | environ 500 lux |
| Diamètre de la pupille | environ 2 mm en lieu lumineux, environ 8 mm en lieu sombre |
| Nombre dont le cube vaut environ 200 | environ 5,8 |
| Rapport de luminosité réelle entre extérieur et intérieur | 100 000 ÷ 500 ＝ 200 |
| Rapport des diamètres de pupille | 8 ÷ 2 ＝ 4 |
| Rapport de la quantité de lumière entrante (déterminé par la surface de l'ouverture) | 4 × 4 ＝ 16 |
| Vérification en posant le rapport de perception à 5,8 et en le mettant au cube | 5,8 × 5,8 ＝ 33,64 |
| On multiplie encore une fois | 33,64 × 5,8 ≒ 195 |
Ce résultat final de 195 est presque identique au 200 de départ. Autrement dit, l'estimation « la perception n'augmente que d'environ 6 fois » est cohérente avec l'écart réel de 200 fois, via la formule de la racine cubique. Or la pupille ne peut compenser qu'un facteur 16. Sur les 200 fois d'écart, la majeure partie est donc réduite en aval de l'œil.
LycéeLycée+La pupille seule est très loin de suffire
LycéeL'ouverture de la pupille est ouverte et fermée par l'iris, un muscle en forme d'anneau. Ce mouvement, qui se referme en pleine lumière et s'ouvre dans l'obscurité, est un réflexe indépendant de la volonté. Il est étudié en biologie de base comme exemple du fonctionnement du système nerveux.
Lycée+L'amplitude des luminosités que l'être humain peut expérimenter, de la clarté des étoiles jusqu'à un champ de neige en plein midi, atteindrait environ 10 milliards de fois. Le facteur 16 que compense la pupille n'en représente qu'une infime part. Le reste est comblé par le changement, sur la durée, de la sensibilité même des cellules réceptrices de lumière, ainsi que par une architecture de circuits qui transmet non la valeur absolue de la clarté, mais son rapport à l'environnement.
UniversitéPourquoi peut-on exprimer la perception par une loi de puissance ?
L'idée d'exprimer par une loi de puissance la relation entre l'intensité d'un stimulus et la perception est appelée loi de puissance de Stevens. Il existe par ailleurs la loi de Weber-Fechner, qui exprime la perception par un logarithme ; laquelle des deux s'applique le mieux dépend du type de sensation. Pour la luminosité, l'exposant se situe entre environ 0,33 et 0,5, et cet article l'a traité comme une racine cubique. Cette valeur varie toutefois selon la méthode de mesure : présenter un petit point lumineux dans le noir, ou une large surface dans une pièce éclairée, donne des valeurs différentes pour une même personne. Il est plus réaliste de considérer la loi de la perception comme une approximation propre à chaque condition.
📖 Pour la forme de la formule et pour aller plus loin : Wikipédia en japonais, article « Psychophysique » (qui présente côte à côte la loi de puissance et la loi logarithmique) — lien
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Le seuil de luminosité efficace pour l'horloge biologique Il est largement admis que la lumière du matin règle le rythme du corps. Mais la quantité de lumière et la durée d'exposition nécessaires varient selon l'âge et la façon dont la soirée précédente a été passée ; aucune norme unique n'est encore établie.
- Lumière extérieure et myopie Plusieurs pays rapportent que les enfants qui passent plus de temps dehors développent moins de myopie. On débat encore de savoir si c'est la luminosité elle-même qui joue, le fait de regarder au loin, ou la composition spectrale de la lumière.
- Lumière artificielle nocturne L'ampleur de l'effet de l'éclairage nocturne sur le sommeil et la santé varie beaucoup d'une étude à l'autre, et la relation entre la dose et l'effet reste en cours de clarification.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète aussi « l'état actuel des connaissances ». Considérez les valeurs d'éclairement comme des repères qui varient fortement selon le lieu et l'heure de la mesure.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Propriétés de la lumière / Stimulus et réaction | Unité de luminosité et mécanisme de réception de la lumière par l'œil |
| Lycée | Biologie de base・Système nerveux et régulation du corps | Le réflexe qui fait varier l'ouverture de la pupille |
| Lycée+ | Mathématiques・Logarithmes / Physique・Photométrie | Figure 1, qui aligne des quantités d'ordres de grandeur différents sur une échelle logarithmique |
| Université | Science de la vision・Psychophysique | La loi de puissance de Stevens |
| Recherche | Chronobiologie・Ophtalmologie | Luminosité nécessaire à l'horloge biologique, lumière extérieure et myopie |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Plantes d'intérieur, photos ratées, effet de sortir dehors le matin |
- Norme industrielle japonaise JIS Z 9110 « Principes généraux de l'éclairage » (照明基準総則) ― norme définissant l'éclairement recommandé selon les lieux (bureaux, habitations, etc.)
- S. S. Stevens, « On the psychophysical law », Psychological Review (1957) ― texte original de l'idée exprimant par une loi de puissance la relation entre l'intensité du stimulus et la perception
- Illuminating Engineering Institute of Japan (照明学会), éd., Manuel de l'éclairage (照明ハンドブック) ― valeurs mesurées d'éclairement en intérieur et extérieur, et explication de l'adaptation de l'œil
- Tadasu Oyama et al., Invitation à la psychologie de la vision (視覚心理学への招待) ― ouvrage d'introduction à la perception de la luminosité et à l'adaptation
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. L'éclairement varie fortement selon le lieu, l'heure et le temps qu'il fait. En cas d'inquiétude concernant la relation entre la lumière, les yeux ou l'état de santé, consultez un spécialiste tel qu'un ophtalmologiste.