Caractérisation du rendu des couleurs des nouvelles sources

Radiomètre à substitution électrique cryogénique

               Un radiomètre à substitution électrique permet de réaliser des mesures de flux énergétique en absolu. Cette mesure est basée sur la comparaison entre le flux énergétique d’un rayonnement et une puissance électrique. Comme le montre la figure 1.7, le système est basé sur un détecteur qui est recouvert d’un absorbant dont le rôle est de transformer le flux incident en chaleur. Il en résulte une élévation de température du détecteur qui est mesurée par un capteur de température. Le chauffage par le rayonnement incident est ensuite remplacé par un chauffage électrique délivré par une résistance chauffante, de manière à obtenir la même élévation de température [TOU 99]. En première approximation, le flux énergétique du rayonnement incident est égal à la puissance électrique dissipée dans la résistance chauffante. Dans la pratique l’égalité des puissances optique et électrique n’est pas parfaitement réalisable à cause des sources de non-équivalence entre les deux modes de chauffage dues à :
l’absorption incomplète du rayonnement incident sur la surface absorbante. En effet, pour optimiser le temps de réponse du système par rapport à la conductivité thermique du matériau de l’absorbant, celui-ci a été choisi comme une fine couche plane de matériau métallique. Or, cette planéité de l’absorbant engendre une perte de flux par réflexion ;
la différence de conductivité thermique entre les deux modes de chauffage qui n’ont pas lieu au même endroit ;
la chaleur parasite produite par les fils d’alimentation de la résistance chauffante qui ont des résistances non nulles. Afin de réduire ces sources de non-équivalence, les laboratoires ont utilisé les propriétés particulières de la matière à très basse température et ont réalisé des radiomètres à substitution électrique cryogéniques, fonctionnant à la température de l’hélium liquide (4,2 K). La conductivité thermique des matériaux utilisés est fortement améliorée (d’un facteur 104) à cette température, ce qui permet de remplacer la fine couche absorbante, par une cavité, et de piéger la quasi-totalité du rayonnement incident. L’amélioration de la conductivité thermique permet, également, de réduire la différence entre les deux modes de chauffage à cause de leur localisation géographique différente. Enfin, l’emploi de fils d’alimentation supraconducteur (matériau dont la résistance est nulle en dessous d’une température seuil) permet de supprimer les erreurs dues à l’apport de chaleur par ces fils. En pratique, le radiomètre cryogénique permet d’effectuer des mesures de flux énergétique dans une gamme de longueurs d’onde comprises entre 200 et 2500 nm environ avec une incertitude-type relative de 4 x 10-5. Les valeurs obtenues sont ensuite comparées à celles mesurées par un détecteur de référence monté en piège. Cela permet d’obtenir la sensibilité spectrale de ce détecteur, qui servira d’élément de base pour la détermination de l’intensité lumineuse au travers de la candela [OBE 07]. La candela est l’unité de base du Système international d’unités pour la grandeur d’intensité lumineuse. Elle est définie comme suit : La candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x 1012 hertz et dont l’intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.

Espace chromatique CIE 1931 RGB

               Le système proposé par la CIE en 1931 est associé aux trois couleurs primaires que sont le rouge R, le vert G et le bleu B avec, respectivement, des maximums en longueur d’onde de 700,0 nm, 546,1 nm et 435,8 nm. Dans ce contexte, des fonctions colorimétriques représentatives d’un observateur moyen ayant une vision normale des couleurs et utilisant un champ visuel restreint d’une étendue angulaire de 2° ont été normalisées. Ces fonctions nommées r(λ), g(λ), b )λ( , (nous les écrirons sous la forme λr , gλ, bλ dans la suite du document pour alléger les équations) et représentées sur la figure 1.22, correspondent aux fractions de lumière de couleurs primaires R, G, B nécessaires pour reproduire toutes les couleurs du spectre visible. Ce sont ces valeurs normalisées qui définissent l’observateur de référence colorimétrique CIE 1931 RGB.

Température de couleur et température de couleur proximale

               La température de couleur d’une source est la « température du radiateur de Planck dont le rayonnement a la même chromaticité que celle du stimulus donné » [CIE 87]. De façon usuelle, rares sont les sources à avoir des spectres semblables à ceux du corps noirs. Ainsi, la notion de température de couleur proximale a été définie comme étant la « température du radiateur de Planck dont la couleur perçue ressemble le plus, dans les conditions d’observation spécifiées, à celle d’un stimulus donné de même luminosité » [CIE 87]. Cette définition revêt un caractère expérimental et qualitatif que la définition de la température de couleur ne possède pas. La température de couleur d’une source lumineuse émettant une lumière «  blanche » caractérise sa teinte. Les lumières de type blanc chaud (jaune – rouge) ont des températures de couleur inférieures à 4000 K et les lumières de type blanc froid (bleu) des températures de couleur supérieures à 6000 K (fig. 1.27).

LED bleue et luminophore jaune

                   La méthode qui est la plus répandue chez les industriels, consiste à utiliser une jonction pn, émettant de la lumière bleue, qui est recouverte d’un (ou de plusieurs) luminophore jaune. Typiquement, il s’agit d’yttrium aluminium garnet dopé au cérium (YAG : Ce) pour un blanc froid ou YAG : Ce + CaS :Eu pour obtenir un blanc chaud. Les photons émettant du bleu, au contact du luminophore, engendrent des photons émettant du jaune. Comme pour les deux méthodes précédentes, des photons de longueurs d’onde complémentaires provoquent une sensation de blanc.

Table des matières

Introduction
Chapitre I Rayonnements optiques : de la grandeur physique à la perception de la couleur 
1 Grandeurs et unités en radiométrie et en photométrie 
1.1. Introduction
1.2. Grandeurs
1.2.1. Flux
1.2.2. Intensité
1.2.3. Eclairement
1.2.4. Exitance
1.2.5. Luminance
1.3. Unités
1.4. Fonctions d’efficacité lumineuse spectrale relative de l’œil humain
1.5. Relation de passage entre systèmes énergétique et lumineux
1.6. Référence primaires
1.6.1. Corps noir
1.6.2. Radiomètre à substitution électrique cryogénique
1.7. Facteur d’adaptation spectral
2 Physique de la couleur 
2.1. Perception de la couleur
2.1.1. Introduction
2.1.2. Sources de lumière
2.1.2.1. Introduction
2.1.2.2. Illuminants normalisés CIE
2.1.3. Objet coloré
2.1.4. La vision humaine
2.2. Modélisation de la couleur
2.2.1. Introduction
2.2.2. Teinte
2.2.3. Saturation
2.2.4. Clarté
2.2.5. Classification des couleurs de Munsell
2.3. Modélisation colorimétrique de l’œil humain
2.3.1. Introduction
2.3.2. Systèmes colorimétriques
2.3.2.1. Espace chromatique CIE 1931 RGB
2.3.2.2. Espace chromatique CIE 1931 XYZ et CIE 1964 XYZ
2.3.2.3. Espace chromatique CIE 1960 UVW
2.3.2.4. Espace chromatique CIE 1964 U*V*W*
2.3.2.5. Espace chromatique CIE 1976 L*u*v*
2.3.2.6. Espace chromatique CIE 1976 L*a*b*
2.3.3. Adaptation chromatique et illuminant de référence
2.3.4. Différences de couleur
2.4. Température de couleur et température de couleur proximale
2.5. Indice de rendu des couleurs
2.5.1. Définition
2.5.2. Histoire
2.5.3. Méthode actuelle de détermination de l’IRC
3 Conclusion 
Chapitre II Les LED : sources d’éclairage de demain 
1 LED : passé, présent, futur 
1.1. Histoire de la lumière artificielle
1.2. L’éclairage aujourd’hui en quelques chiffres
1.3. Les sources artificielles dans le contexte actuel du réchauffement climatique et du développement durable
1.4. La place des LED dans notre société
1.4.1. Histoire et évolution de la technologie LED
1.4.2. Quelques domaines d’application
1.4.3. Marché des LED et principaux fabricants
2 Description et caractéristiques métrologiques des LED 
2.1. Principe de fonctionnement
2.2. Architectures d’une LED
2.3. Différents types de LED
2.3.1. LED colorées
2.3.2. LED blanches
2.4. Caractéristiques intrinsèques des LED
2.4.1. Caractéristiques électroniques
2.4.2. Caractéristiques optiques
2.4.3. Caractéristiques thermiques
2.4.4. Caractéristiques énergétiques
2.4.5. Caractéristiques mécaniques
2.4.6. Durée de vie
2.4.7. Température de couleur proximale
2.5. Dimensionnement d’applications
2.6. Etude métrologique d’une LED blanche
2.6.1. LED et module d’asservissement en température
2.6.2. Caractérisation intrinsèque
2.6.2.1. Montage expérimental
2.6.2.2. Résultats expérimentaux
2.6.3. Mesure d’intensité lumineuse
2.6.3.1. Principe et considérations pour les LED
2.6.3.2. Banc photométrique
2.6.3.3. Procédure d’alignement du banc
2.6.3.4. Résultats et budget d’incertitude
2.6.4. Conclusion sur l’étude métrologique
3 Conclusion 
Chapitre III L’indice de rendu des couleurs traçable au Système international d’unités 
1 Mesures spectrales de sources à LED, calculs colorimétriques et incertitudes
1.1. Montage expérimental
1.1.1. Cabine à lumière et éclairages à LED
1.1.2. Spectroradiomètre
1.1.3. Etalonnage du spectroradiomètre
1.1.3.1. Etalonnage en longueur d’onde
1.1.3.2. Etalonnage en sensibilité spectrale
1.2. Mesures spectrales sur les LED : résultats et incertitudes
1.2.1. Spectres de LED
1.2.3. Analyse des incertitudes : méthode Monte Carlo
1.2.3.1. Principe de la méthode
1.2.3.2. Causes d’erreurs et incertitudes
1.2.3.3. Expression analytique entre grandeurs
1.2.3.4. Attribution d’une fonction de densité de probabilité à chaque cause d’erreur
1.2.3.5. Résultats d’analyse
1.3. Paramètres colorimétriques des LED : résultats et incertitudes
1.3.1. Coordonnées chromatiques
1.3.2. Température de couleur proximale
1.3.3. Indice de rendu des couleurs
1.3.4. Commentaires sur les résultats d’incertitudes
1.3.5. Conclusion
2 Variations radiométriques et colorimétriques en fonction de paramètres d’influence
2.1. Alimentation électrique
2.1.1. Etude en courant continu
2.1.1.1. Etude sur des alimentations en courant commerciales
2.1.1.1.1. Dispositif expérimental
2.1.1.1.2. Résultats
2.1.1.2. Variations autour du courant nominal
2.1.1.2.1. Dispositif expérimental
2.1.1.2.2. Résultats
2.1.2. Comparaisons entre courant continu et courant pulsé
2.1.2.1. Introduction
2.1.2.2. Dispositifs expérimentaux
2.1.2.3. Résultats
2.2. Fonction de transfert du monochromateur
2.2.1. Principe
2.2.2. Résultats
2.2.3. Méthodes de correction de l’effet de la largeur de bande
2.3. Observateurs colorimétriques 2° et 10°
2.4. Pas en longueur d’onde des spectres
2.5. Conclusion sur les paramètres d’influence
3 Conclusion 
Chapitre IV Vers une redéfinition de l’indice de rendu des couleurs 
1 Indice de rendu des couleurs : passé, présent, futur 
1.1. Limitations
1.2. Considérations pour les LED
1.3. Méthode proposée par le NIST : « Color Quality Scale »
2 Etude psychophysique sur les éclairages à LED 
2.1. Principe
2.2. Calcul de l’IRC et du CQS sur les éclairages à LED
2.3. Dispositif expérimental et protocole
2.4. Résultats et analyses
2.4.1. Mesures de luminance lumineuse
2.4.2. Mesures de reproductibilité
2.4.3. Analyse en moyenne des réponses des observateurs
2.4.4. Analyse par la loi du jugement comparatif
2.4.4.1. Introduction
2.4.4.2. Analyse par la « condition C »
2.4.4.3. Analyse par la « condition B »
2.4.4.4. Tests d’ajustement
2.4.4.5. Résultats
2.5. Conclusion sur l’étude psychophysique
3 Conclusion 
Conclusion générale

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