Les paramètres du confort visuel

Le confort visuel est une impression subjective liée à la quantité, à la distribution et à la qualité de la lumière.

L’environnement visuel nous procure une sensation de confort quand nous pouvons voir les objets nettement et sans fatigue dans une ambiance colorée agréable.
L’obtention d’un environnement visuel confortable dans un local favorise le bien-être des occupants. Par contre, un éclairage trop faible ou trop fort, mal réparti dans l’espace ou dont le spectre lumineux est mal adapté à la sensibilité de l’œil ou à la vision des couleurs, provoque à plus ou moins longue échéance une fatigue, voire même des troubles visuels, accompagnés d’une sensation d’inconfort et d’une performance visuelle réduite.
Le confort visuel dépend d’une combinaison de paramètres physiques : l’éclairement, la luminance, le contraste, l’éblouissement et le spectre lumineux, auxquels s’ajoutent des caractéristiques propres à l’environnement et à la tâche visuelle à accomplir, comme la taille des éléments à observer et le temps disponible pour la vision. Le confort visuel relève, en outre, de facteurs physiologiques et psychologiques liés à l’individu tels que son âge, son acuité visuelle ou la possibilité de regarder à l’extérieur.
Les paramètres du confort visuel pour lesquels l’architecte joue un rôle prépondérant sont :

• le niveau d’éclairement de la tâche visuelle ;

• un rendu des couleurs correct ;

• une répartition harmonieuse de la lumière dans l’espace ;

• les rapports de luminance présents dans le local ;

• l’absence d’ombres gênantes ;

• la mise en valeur du relief et du modelé des objets ;

• une vue vers l’extérieur ;

• une teinte de lumière agréable ;

• l’absence d’éblouissement.

Il est cependant très difficile de quantifier les valeurs idéales que ces paramètres devraient atteindre : il n’existe en effet pas de solution universelle au problème du confort visuel car celui-ci sera influencé par le type de tâche, la configuration du lieu, et les différences individuelles. De plus, le jugement de la qualité de la lumière sera influencé par des aspects personnels, culturels et historiques.

La perception physiologique de la lumière

La vision humaine est un processus très complexe qui n'est pas encore totalement compris aujourd'hui, malgré des centaines d'années d'études et de modélisation. Le processus de vision implique l'interaction quasi-simultanée des deux yeux et du cerveau au travers d'un réseau de neurones, de récepteurs et d'autres cellules spécialisées. La première étape de ce processus est la stimulation de récepteurs de lumière situés dans les yeux, la conversion du stimulus lumineux ou des images en signaux et la transmission de ces signaux électriques contenant l'information de la vision depuis chaque œil vers le nerf optique. Cette information est traitée en plusieurs étapes pour atteindre finalement le cortex visuel du cerveau.

L'oeil humain est composé d'un ensemble de composants optiques comprenant la cornée, l'iris, la pupille, les humeurs aqueuses et vitreuses, le cristallin, et la rétine (comme illustré à la ci-dessus). Ensemble, ces éléments travaillent pour former les images des objets qui se situent dans le champ visuel de la personne. Quand on observe un objet, son image est d'abord concentrée par les éléments convexes de la cornée et du cristallin, formant ainsi une image inversée sur la surface de la rétine, membrane multicouche qui contient des millions de cellules sensibles à la lumière, appelées cônes et bâtonnets. Ces cellules photosensibles sont concentrées au centre de la rétine (fovéa). Ce sont elles qui détectent l'image et la traduisent en série de signaux électriques qui seront transmis au cerveau. Plus précisément, ce sont les cônes (cellules qui permettent la vision des détails, des couleurs et des contrastes) qui sont rassemblées au centre de la fovéa alors que les bâtonnets, sont eux, situés en périphérie.

Les bâtonnets, qui ne contiennent qu'un seul photopigment, présentent une sensibilité spectrale maximale dans la région des bleu-vert (environ 500 nanomètres). Ils ne permettent donc qu'une vision monochromatique. Ce sont les cellules visuelles les plus communes : chaque œil en contient 125 à 130 millions. La sensibilité à la lumière des bâtonnets est environ 1000 fois plus importante que celle des cônes ; ils permettent donc la vision nocturne (aussi appelée scotopique). Comme ils sont situés en périphérie de la fovéa, les bâtonnets ne permettent qu'une vision des formes et des mouvements, relativement floue.

Il existe trois types de cônes, présentant respectivement une sensibilité spectrale maximale à 430 (région des bleus), 535 (région des verts) et 590 (région des rouges) nanomètres. Chaque œil contient 5 à 7 millions de cônes, ce qui est nettement moins que le nombre de bâtonnets.
C'est la combinaison de la réponse de chaque type de cône au stimulus lumineux qui permet la vision des couleurs.

La figure ci-contre donne la courbe de sensibilité spectrale de l'œil humain, pour les deux types de vision (photopique et scotopique). Elle montre bien, qu'en vision diurne, l'œil humain présente une sensibilité maximale aux environ de 555 nm (pour les jaunes) et qu'en vision nocturne, cette sensibilité est maximale pour une lumière de 507 nm.

Le champ visuel

La capacité de l’œil à saisir une information visuelle dépend de sa position relative dans le champ visuel.

Le champ visuel est l'espace délimité par la perception spatiale de l'oeil, sans bouger le tête.

Bien que le champ visuel soit légèrement différent pour chaque individu, la portée verticale des yeux couvre un angle d’environ 130°; elle est limitée vers le haut par les arcades sourcilières et vers le bas par les joues. Le champ horizontal total des yeux est d’environ 180° lorsqu’ils sont dirigés vers un objet fixe.

Chaque oeil a un angle de vision d’environ 150°. A l’endroit où les champs visuels se recouvrent, l’homme a une vision binoculaire; ils se superposent dans la zone médiane, où un même objet est vu simultanément par les deux yeux mais sous un angle différent. C’est grâce au cerveau qui compare les images provenant de l’oeil droit et de l’oeil gauche que nous avons l’impression de relief.

La capacité de l’oeil à saisir une information visuelle dépend de sa position relative dans le champ visuel.

Le champ visuel binoculaire se divise en trois zones:

• le champ central de la fovéa, domaine d’1° à 2° d’ouverture centré
• l’ergonoma, domaine de 2 x 30° d’ouverture,
• 2 x 60° et l’angle vertical respectivement de 60° vers le haut et de 70° vers le bas.

Les très fins détails ne peuvent être perçus que dans le champ central de la fovéa. L’ergonoma permet de voir les formes. Seuls les mouvements sont perceptibles dans le panorama.

Le graphe ci-contre montre en bleu le champ visuel perçu simultanément par les deux yeux et en rose clair le domaine vu par chaque oeil séparément. Les cercles concentriques délimitent la fovéa, l’ergonoma et le panorama.

Le niveau d'éclairement

Un niveau d'éclairement minimum est nécessaire pour une vision claire et sans fatigue. Toutefois, un éclairement trop abondant peut être inconfortable.

L’éclairement moyen recommandé est généralement fixé selon la fonctionnalité du local et la précision de la tâche visuelle qui doit y être exercée. Le niveau d’éclairement choisi pour un bureau paysager peut s’avérer catastrophique s’il est mis en œuvre dans une pièce de fonctionnalité très différente, par exemple le foyer d’un théâtre ou le salon d’une habitation.
Les recommandations sont souvent données en termes d’éclairement, plutôt que de luminance, pour la facilité de sa mesure. Comme la sensation de luminosité est mieux représentée par la luminance, il faut tenir compte du coefficient de réflexion dans le choix de l’éclairement d’une surface. Plus il est faible, ou sa couleur foncée, plus la vision s’avère difficile et plus le niveau d’éclairement doit être élevé.
De plus, les niveaux d’éclairement conseillés doivent être nuancés en fonction du contraste de luminance entre l’élément observé et son arrière-fond.

Pour une information plus précise en terme de niveau d'éclairement, se référer au site d'Energie+.

La distribution lumineuse

L’étude de la distribution de la lumière naturelle du point de vue du confort visuel consiste à trouver un éclairage ni excessif ni trop faible, qui permette une bonne perception des objets et des couleurs dans une ambiance agréable.

Une étude de la distribution lumineuse doit tenir compte des quatre critères suivants :

• la qualité de la répartition de la lumière dans l’espace, impliquant l’étude de l’équilibre harmonieux des luminances et des couleurs,

• les rapports de luminance présents dans le local,

• l’absence d’ombres gênantes,

• la mise en valeur du relief et du modelé des objets.

La distribution de la lumière naturelle peut être uniforme, localisée ou mixte : dans ce dernier cas, un niveau d’éclairement général existe pour tout l’espace et un éclairage localisé complémentaire est prévu en fonction des besoins spécifiques de la tâche visuelle.

La répartition de la lumière

Pour permettre à la lumière naturelle de se distribuer le mieux possible dans le local, il est essentiel de placer le mobilier de telle sorte qu’il ne fasse pas écran et de disposer les zones d’activité judicieusement. Les plans de travail seront situés préférentiellement près des ouvertures où la lumière naturelle est bien reçue.

Les rapports de luminance

La distribution lumineuse d’un espace doit être telle que les différences excessives de luminance soient évitées pour permettre aux occupants de voir correctement. Des zones extrêmement sombres ou brillantes donnent naissance à l’inconfort visuel et doivent être évitées.
Lorsqu’il y a de grandes différences de luminance dans le champ visuel, l’œil doit s’adapter lorsque la direction du regard change. Pendant son adaptation, l’acuité visuelle est diminuée. Pour éviter de telles fatigues inutiles, il convient de ne pas dépasser certaines valeurs de contraste entre les différentes zones du champ visuel. Cependant, si les différences entre les niveaux de luminance sont trop faibles, on crée dans le local une impression de monotonie très désagréable.
La perception des détails d’une tâche visuelle est facilitée par les contrastes de luminance et de couleur entre ces détails et l’arrière-fond. De plus, un contraste suffisant devrait être appliqué pour favoriser la perception du relief des objets. Il s’agit donc de trouver un compromis entre ces exigences.

La figure suivante (partie a) permet de lier les variations de luminance à la sensation de l’œil. Par exemple, un rapport de 10/1 entre deux points du champ visuel apparaît comme subtil. Ce rapport est recommandé comme rapport maximal entre une tâche visuelle et l’arrière fond général du local. La figure suivante (partie b) donne le niveau d’adaptation de l’œil qui est déterminé par le rapport des brillances des surfaces situées dans les directions de vue principales.

Les ombres gênantes

Les ombres qui sont créées par la présence d’un élément entre la tâche visuelle et la source lumineuse sont mauvaises pour la vision puisqu’elles diminuent fortement les contrastes.
Le travail de lecture ou d’écriture ne peut être perturbé par des ombres parasites. Il faut donc éviter les situations suivantes :

• un éclairage latéral venant de droite pour les droitiers (figure ci-contre) ;

• un éclairage latéral venant de gauche pour les gauchers ;

• un éclairage provenant du dos des occupants.

La relation au monde extérieur

La lumière naturelle est l’un des éléments dont l’homme a toujours perçus fortement le besoin et l’impact sur ses activités. Elle influence le bien-être psychosomatique des occupants d’un local.

L’éclairage naturel est préféré à l’éclairage artificiel pour sa variabilité et ses nuances. La variabilité de la lumière naturelle permet d’établir une harmonie avec le monde extérieur et crée une ambiance intérieure plus chaleureuse. Son caractère cyclique est un facteur important pour notre équilibre psychique. La lumière naturelle est un élément indispensable pour une bonne perception de l’instant et du lieu où nous évoluons.

De plus, la qualité spectrale de la lumière naturelle assure la meilleure vision possible des objets et des couleurs. Si on compare la répartition spectrale de la lumière naturelle à la courbe de sensibilité de l’œil, il apparaît que l’œil humain est naturellement adapté à la lumière naturelle. La lumière diurne constitue donc l’éclairage d’ambiance par excellence.

L’éclairage naturel est le plus approprié tant au niveau physiologique que psychologique mais sa variabilité nécessite un apport complémentaire d’éclairage artificiel ou, à d’autres moments, l’utilisation d’occultations temporaires. L’éclairage artificiel doit donc être considéré comme le complément de la lumière naturelle et s’accorder autant que possible à son spectre lumineux et à ses variations grâce à un système de contrôle adéquat. Pour le confort des occupants, la source lumineuse principale doit être le soleil.

Les baies vitrées, par lesquelles la lumière naturelle pénètre, offrent le double avantage d’une communication visuelle vers l’extérieur et d’une vue au loin nécessaire au repos de l’œil après une vision rapprochée.

La vue à travers une fenêtre, même si elle n’est pas spécialement attrayante, permet de se situer par rapport au monde extérieur. La possibilité de regarder à travers une fenêtre est reposante et d’autant plus fondamentale que la tâche visuelle nécessite une vision détaillée et proche (figures ci-contre).

Enfin, les baies vitrées jouent un rôle esthétique indéniable puisqu’elles font participer les paysages extérieurs à l’ambiance visuelle d’un espace déterminé.

Le spectre lumineux

L'évolution du spectre lumineux de la lumière naturelle modifie l'aspect d'un bâtiment (Opéra de Sydney arch. J. Utzon).

La perception des couleurs varie d’une personne à l’autre. Elle est totalement dépendante de la sensibilité de l’œil, qui est fonction de la longueur d’onde du rayonnement visible perçu.

Une source lumineuse aura un bon rendu des couleurs dans la mesure où elle émet des radiations proches des sensibilités maximales des yeux aux couleurs, situées vers 450 nm pour le bleu, 540 nm pour le vert et 610 nm pour le rouge. Vu que la couleur de la lumière influence directement notre perception de la couleur des objets, elle agit fortement sur la sensation de confort visuel qui lui est associée.
Les radiations colorées émises par les objets de l’environnement peuvent produire certains effets psycho-physiologiques sur le système nerveux. Les couleurs de grande longueur d’onde ont un effet stimulant tandis que celles de courte longueur d’onde ont un effet calmant. Les couleurs intermédiaires (jaune, vert) procurent, de même que le blanc, un effet tonique et favorable à la concentration. Les couleurs foncées et le gris ont par contre une action déprimante. En outre, les couleurs peuvent contribuer dans une large mesure à modifier la dimension apparente des surfaces et des volumes. Les couleurs chaudes seront de préférence utilisées dans des locaux de dimensions exagérées tandis que les couleurs froides seront choisies pour les locaux de dimensions réduites.
Il est déconseillé d’utiliser simultanément des teintes froides et des couleurs chaudes, ce qui gêne l’adaptation de l’œil et crée des perturbations visuelles. Pour les locaux éclairés en grande partie par la lumière naturelle, il est donc préférable de choisir des luminaires de température de couleur élevée afin d’éviter de trop grandes différences entre les éclairages artificiel et naturel.
La couleur de la lumière la mieux adaptée à un espace dépend de différents facteurs tels que le climat, le type de local, la couleur des murs et le niveau d’éclairement. Les teintes chaudes sont préférées dans les climats froids et les teintes froides dans les climats chauds.
Une lumière de couleur chaude est généralement confortable dans une habitation. Dans les bureaux, il est recommandé de choisir des lampes ayant une température de couleur comprise entre 3000 et 6000 K. Pour les locaux aveugles, il est indispensable d’utiliser des teintes de couleur froide (température de couleur >5000 K), appelées “lumière du jour” parce qu’elles sont favorables au bien-être des occupants.
Une harmonisation entre la couleur des sources lumineuses et l’aménagement du local s’impose. Les objets de couleurs chaudes (rouge, orange) sont plus agréables lorsqu’ils sont éclairés par une lumière chaude plutôt que par une lumière froide mais, par contre, la lumière chaude tend à noircir les couleurs froides (bleu, violet).

La couleur de la lumière doit être adaptée au niveau d’éclairement. Quand le niveau d’éclairement augmente, la température de couleur de la lumière doit également s’élever. Le diagramme de Kruithof donne à cet effet les valeurs recommandées de la température de couleur en fonction de l’éclairement. Seule la zone B correspond à la zone de confort. Si quelqu’un se trouve dans la zone A, l’impression visuelle correspond à une ambiance lumineuse irréelle, trop chaude ; la température de couleur est trop faible pour le niveau d’éclairement considéré. Dans la zone C, l’ambiance lumineuse, de type crépusculaire, est trop froide ; la température de couleur de la source est trop importante par rapport au niveau d’éclairement atteint.

Diagramme de Kruithof

L’utilisation de sources lumineuses dont la température de couleur est très élevée a une influence favorable sur l’ambiance lumineuse d’un local et sur les conditions de vision, élargissant ainsi la zone d’impression agréable limitée par les courbes de Kruithof.

L'éblouissement

L’éblouissement résulte de conditions de vision dans lesquelles l’individu est moins apte à percevoir les objets, suite à des luminances ou à des contrastes de luminance excessifs dans l’espace et dans le temps.

L’éblouissement est dû à une luminosité trop intense de surfaces placées dans la direction de la vision ou à un contraste lumineux trop important entre surfaces contiguës. Il place l’individu dans des situations de grand inconfort visuel.

L’éblouissement direct et l’éblouissement indirect

L’éblouissement direct est causé par la présence d’une source lumineuse intense dans le champ de vision. Comme la partie fovéale de l’oeil est très sensible à de hauts niveaux de luminance, il existe une différence considérable entre les luminances maximales acceptées par l’oeil au centre du champ de vision et en périphérie. Les valeurs de luminance maximales admissibles dépendent donc de l’angle de vision. En effet, lorsque l’angle formé par l’horizontale et la droite qui relie l’oeil à la source lumineuse augmente, la sensation d’éblouissement diminue.

L’éblouissement indirect provient d’une réflexion perturbatrice des sources lumineuses sur des surfaces spéculaires ou brillantes telles que le papier, une table ou un écran d’ordinateur.

L’éblouissement indirect se présente sous deux formes: l’éblouissement par réflexion et l’éblouissement par effet de voile

• L’éblouissement réfléchi est produit par la réflexion, sur des surfaces brillantes ou spéculaires, de l’image d’une source de lumière vers l’oeil de l’observateur.
• L’éblouissement de voile apparaît lorsque des petites surfaces de la tâche visuelle réfléchissent la lumière provenant d’une source lumineuse et réduisent ainsi le contraste entre la tâche visuelle et son environnement immédiat.

L'éblouissement perturbateur et l'éblouissement invalidant

L’éblouissement est classé en deux types selon son degré d’intensité, à savoir l’éblouissement perturbateur (ou d'inconfort) et l’éblouissement aveuglant (ou invalidant).

L’éblouissement perturbateur diminue la capacité de l’observateur à distinguer les détails. Si un objet lumineux est placé dans l’axe de la vision de quelqu’un, son oeil doit constamment s’ajuster entre la luminance de l’objet lumineux et celle de la tâche visuelle à accomplir, au détriment de la perception des détails. Ce type d’éblouissement peut à la longue entraîner une fatigue.

L’éblouissement aveuglant est tellement intense que l’observateur ne peut plus discerner aucun objet pendant un certain temps.

A intensité égale, la sensation d’éblouissement produite par une source lumineuse soudaine se révèle plus forte et plus prolongée lorsque la luminosité ambiante est faible. Ainsi, la nuit, nous sommes plus aveuglés par les phares d’une voiture en rase campagne qu’au centre d’une ville.

En outre, la sensibilité à l’éblouissement est aggravée par des anomalies oculaires, comme la myopie, ou par des facteurs temporaires, tel l’absorption d’alcool.

L'éblouissement dû à l'éclairage naturel

En éclairage naturel, les sources principales d’éblouissement sont :

• La vision directe du soleil ou du ciel au travers des fenêtres,
• La réflexion du soleil ou du ciel sur les bâtiments voisins,
• Un contraste de luminance excessif entre une fenêtre et le mur dans lequel elle s’inscrit,
• Un contraste de luminance excessif entre une fenêtre et son châssis,
• Une surface de luminance trop élevée par rapport aux surfaces voisines.

Cas particulier des écrans d'ordinateurs

Dans le cas particulier des écrans d’ordinateur, il convient de tenir compte des points suivants :

• Aucune fenêtre ne doit se trouver devant ou derrière l’écran.
• L’axe principal du regard doit être parallèle aux fenêtres.
• Les fenêtres doivent être équipées de protections solaires efficaces sur le plan visuel sur toutes les façades. Il est recommandé d’en confier la gestion aux occupants eux-mêmes.
• Les surfaces voisines de l’écran devraient être mates et avoir un facteur de réflexion de 0,2 à 0,5.
• La luminance de chaque partie de l’environnement que l’observateur peut voir par réflexion dans son écran doit être aussi uniforme et faible que possible.
• Pour réduire la différence de luminance entre l’écran et le ciel, il peut être utile de placer une rangée de luminaires le long de la fenêtre.
• Les réflexions sont plus perturbatrices sur écran à fond sombre que sur écran à fond clair. Si toutes les autres mesures ont échoué, il faut installer des écrans anti-reflets, bien qu’ils ne soient pas généralement recommandés parce qu’ils réduisent la visibilité des images.

Différentes positions possibles d’un écran par rapport à une ouverture à la lumière naturelle.
Seule la première configuration est optimale car elle permet de réduire le contraste de luminance dans le champ visuel de
l’usager (écran, fond).

Limitation de l'éblouissement causé par le ciel ou et soleil

Différentes précautions peuvent être prises pour diminuer les risques d’éblouissement dus à l’éclairage naturel :

a) Prévoir une grande fenêtre plutôt que plusieurs petites fenêtres. En effet, une grande ouverture à la lumière naturelle occasionne moins d’éblouissement qu’une petite car elle augmente le niveau d’adaptation des yeux et diminue le contraste de luminance et la sensation d’éblouissement qui lui est associée ;

b) Voiler le ciel par l’utilisation d’une protection solaire ;

c) Voiler en partie le ciel en assombrissant la fenêtre par un élément déflecteur (lightshelf, murs de refends, débords de toiture...) ;

d) Voiler en partie le ciel en disposant à l’extérieur des éléments moins lumineux que le ciel (atrium, cour intérieure) ;

e) Situer les percements en hauteur (ouvertures zénithales, clere-stories…), afin de limiter l’éblouissement direct puisque la plupart des tâches visuelles nécessitent une vue horizontale ou vers le bas ;

f) Diminuer le contraste fenêtre-châssis en augmentant le coefficient de réflexion du châssis au moyen de couleurs claires et mates ;

g) Diminuer le contraste mur-fenêtre en éclairant le mur qui contient la fenêtre ;

h) Diminuer le contraste mur-fenêtre en augmentant le coefficient de réflexion du mur qui contient la fenêtre ;

i) Diminuer le contraste mur-fenêtre en augmentant la part indirecte de l’éclairage naturel au moyen de parois très claires ;

j) Favoriser les revêtements mats car ils diffusent la lumière.