Prototype d'éclairage intelligent aux DELs avec un modulateur lumineux

Prototype d’éclairage intelligent aux DELs avec un

modulateur lumineux

Mémoire

Alexandre Baril

Maîtrise en génie électrique

Maître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

Prototype d’éclairage intelligent aux DELs avec un

modulateur lumineux

Mémoire

Alexandre Baril

Sous la direction de:

Résumé

Avec la venue des lampes aux DELs sur le marché de l'éclairage, une forte tendance pour un éclairage plus ecace, ecient et dirigé est apparue. Le projet se positionne à l'avant garde de cette tendance en développant un prototype de démonstration pour faire l'évalua-tion de nouveaux algorithmes d'éclairage intelligent. Le c÷ur du prototype de démonstral'évalua-tion est un modulateur lumineux aux cristaux liquides récemment développé pour ouvrir les fais-ceaux lumineux émis par les DELs. Ces modules sont contrôlés par des signaux électriques et possèdent une plage de fonctionnement très linéaire. Cette propriété permet d'envisager le développement d'applications d'éclairage intelligent en boucle fermée avec une caméra comme capteur. L'utilisation de la vision numérique est une avenue prometteuse pour le développe-ment d'application intelligente. Le prototype de démonstration développé inclut une source de lumière DEL haute puissance, le modulateur lumineux aux cristaux liquides, une caméra et toute l'électronique nécessaire pour implanter une fonctionnalité de boucle fermée par vision numérique.

Abstract

Since the massive invasion of LED lighting over the illumination market, a clear trend of need appeared for a more ecient and targeted lighting. The project leads this trend by developing an evaluation board to test smart lighting applications with a new liquid crystal light modulator recently developed for broadening LED light beams. These modulator are controlled by electricals signals and they are characterised by a very linear working zone. This feature allows the implementation of a closed loop control with a sensor feedback. We show that the use of computer vision is a promising opportunity for closed loop control. The developed evaluation board integrates the liquid crystal modulator, a camera, a LED light source and all the required electronics to implement a closed loop control with a computer vision algorithm.

Table des matières

Résumé iii

Abstract iv

Table des matières v

Liste des tableaux vii

Liste des gures viii

Liste des acronymes x

Liste des variables xii

Remerciements xv Introduction 1 0.1 Contexte du projet . . . 3 0.2 Problématique . . . 6 0.3 Dés . . . 7 0.4 Structure du mémoire . . . 7

1 Aspects théoriques du projet 9 1.1 Photométrie . . . 9

1.2 Propriétés des DELs . . . 18

1.3 Théorie de fonctionnement du modulateur lumineux aux cristaux liquides . 22 2 Concept de l'éclairage intelligent 28 2.1 Commande en boucle fermée et rétroaction . . . 28

2.2 Exemples de systèmes d'éclairage intelligent . . . 32

3 Caractéristiques du modulateur lumineux aux cristaux liquides 37 3.1 Le composant . . . 37

3.2 Circuit de commande. . . 38

3.3 Mesures des performances du modulateur lumineux aux cristaux liquides . . 41

4 Conception d'un prototype de démonstration pour des applications d'éclairage intelligent 46 4.1 Objectifs généraux pour la conception . . . 46

4.2 Schéma fonctionnel du prototype de démonstration . . . 49

4.3 Modulateur lumineux aux cristaux liquides . . . 50

4.4 Source lumineuse à DEL avec optique secondaire . . . 51

4.5 Conception thermique . . . 52

4.6 Circuit de contrôle du modulateur lumineux . . . 55

4.7 Microcontrôleur et communication . . . 57

4.8 Circuit gradateur . . . 59

4.9 Alimentation à découpage . . . 61

4.10 Conception mécanique . . . 67

4.11 Capteur d'images et vision numérique . . . 70

5 Résultats expérimentaux du prototype de démonstration 73 5.1 Mesures photométriques de la source . . . 73

5.2 Échauement de la source lumineuse au DEL . . . 78

5.3 Protocole de communication externe . . . 79

5.4 Performances de l'alimentation à découpage réalisée. . . 80

5.5 Comportement en dynamique avec une rétroaction par vision numérique . . 82

5.6 Eet de la température sur la dynamique . . . 85

5.7 Applications d'éclairage intelligent avec le prototype de démonstration . . . 87

Conclusion 91 Bibliographie 94 A Calculs d'incertitude 99 A.1 Cas d'une mesure directe. . . 99

A.2 Cas d'une mesure indirecte . . . 100

B Guide d'utilisation du prototype de démonstration 102 B.1 Installation du pilote . . . 102

B.2 Connexions . . . 102

Liste des tableaux

1.1 Tableau résumant les mesures photométriques . . . 9

1.2 Extrait de la norme d'éclairage européenne EN 12464. [3] La norme canadienne

est tres similaire. . . 12

1.3 Tableau présentant la température de couleur et l'indice de rendu des couleurs

pour plusieurs sources de lumière usuelles [64] . . . 17

4.1 Caractéristiques de la DEL CoB Luxeon S1000® [14] . . . 52

4.2 Dimensions mécaniques des composantes du prototype de démonstration . . . . 67

5.1 Mesures thermiques pour l'échauement du dissipateur de chaleur . . . 78

5.2 Protocole de communication externe implanté sur 16 bits . . . 79

5.3 Table de vérité pour la sélection du périphérique à qui la commande s'adresse . 79

5.4 Tableau des performances de l'alimentation à découpage . . . 82

5.5 Résultats de l'identication pour les trois essais . . . 84

5.6 Résultats de l'identication selon la température . . . 86

A.1 Exemple de spécications données par un fabricant d'appareils de mesure . . . 99

Liste des gures

0.1 Spectre radiométrique d'une même DEL bleue avec deux épaisseurs de phos-phore diérentes. La courbe en bleu représente le spectre radiométrique d'une DEL d'un blanc froid (6000K) et la courbe en rouge d'une DEL d'un blanc

chaud (3000K). . . 3

0.2 Symbole électrique d'une DEL avec la polarisation . . . 3

0.3 Comparaison du rendement énergétique des diérentes sources de lumière. . . . 4

0.4 Schéma explicatif de la technologie Li-Fi. . . 5

1.1 Dénition de l'angle solide [67] . . . 10

1.2 Courbe de sensibilité spectrale de la CIE 1931 [63] . . . 11

1.3 Relation entre la couleur et la longueur d'onde dans le spectre du visible [44] . 14 1.4 Spectre des fonctions x, y et z [63] . . . 15

1.5 Diagramme de couleur xy avec la courbe des corps noirs de la CIE 1931 [63] . 16 1.6 Les huit couleurs des spectres pour le calcul du CRI (R1 à R8). R9 à R14 sont des couleurs de la version étendue du calcul du CRI [51] . . . 17

1.7 Relation I/V d'une DEL d'un Watt de Osram Semiconductor [62] . . . 20

1.8 Modulateur aux cristaux liquides d'un diamètre de 50 mm . . . 20

1.9 Diérentes mésophases des cristaux liquides [52]. . . 22

1.10 Illustration du principe de biréfringence pour une source de lumière non-polarisée [36]. . . 24

1.11 Représentation schématique d'un pixel d'un écran LCD quand aucune tension n'est appliquée aux électrodes : la lumière ne passe pas [53] . . . 25

1.12 Représentation schématique d'un pixel d'un écran LCD quand une tension est appliquée aux électrodes : la lumière passe [53] . . . 25

1.13 Illustration d'un modulateur lumineux aux cristaux liquides au repos . . . 26

1.14 Illustration de l'eet du champ électrique sur les cristaux liquides dans la lentille 26 2.1 Diérence entre un système en boucle ouverte et un système en boucle fermée . 29 2.2 Figure représentant les principaux éléments du recueillement de la lumière du jour [17] . . . 30

2.3 Principe de détection du capteur PIR [4] . . . 31

2.4 Représentation du fonctionnement des pôles d'éclairage du groupe Zumtobel [18] 33 2.5 Algorithme d'éclairage intelligent utilisé pour le projet [20] . . . 34

2.6 Programme du cycle circadien utilisé par le projet [35] . . . 36

3.1 Modulateur aux cristaux liquides d'un diamètre de 10 mm . . . 38

3.2 Modulateur aux cristaux liquides d'un diamètre de 50 mm . . . 38

3.4 Schéma du montage pour la mesure de la linéarité et de la colorimétrie à l'aide

d'une caméra . . . 42

3.5 Graphique démontrant la linéarité entre l'angle à demi-hauteur de la valeur maximale et de la valeur ecace de la tension appliquée . . . 44

3.6 Image de la caméra montrant l'intensité lumineuse du patron d'éclairement lumineux en diérents segments . . . 44

3.7 Image de patron d'éclairement lumineux rouge . . . 45

3.8 Image de patron d'éclairement lumineux vert . . . 45

3.9 Image de patron d'éclairement lumineux bleu . . . 45

4.1 Schéma fonctionnel du prototype de démonstration . . . 49

4.2 Schéma de conception . . . 50

4.3 Registre d'écriture et séquence des bits pour le MCP4912 [24] . . . 58

4.4 Schéma du circuit gradateur avec l'interface de contrôle isolée . . . 60

4.5 Circuit théorique de la topologie yback [1] . . . 62

4.6 Circuit théorique de la topologie forward [2] . . . 62

4.7 Circuit de rétroaction théorique pour le circuit intégré de contrôle KA5H0380R [60]. . . 63

4.8 Design mécanique intégral . . . 68

4.9 Design mécanique avec coupe transversale pour montrer les supports de circuit 69 4.10 Schéma électrique du circuit de contrôle . . . 71

4.11 Schéma électrique de l'alimentation à découpage . . . 72

5.1 Prototype de démonstration . . . 74

5.2 Montage goniométrique en laboratoire . . . 74

5.3 Intensité lumineuse en fonction de l'angle . . . 75

5.4 Variation de la température de couleur en fonction de l'angle . . . 76

5.5 Indice de rendu des couleurs en fonction de l'angle . . . 77

5.6 Ecacité énergétique de l'alimentation à découpage en fonction du niveau de charge . . . 81

5.7 Réponse temporelle du modulateur lumineux aux cristaux liqudies lors de l'iden-tication. . . 84

5.8 Réponse temporelle du modulateur lumineux aux cristaux liquides à une tem-pérature de -15° C . . . 87

Liste des acronymes

ACL Achage aux cristaux liquides C Degré Celsius

cd Candela

CAO Conception assistée par ordinateur CCT Correlated color temperature

CIE Commission internationale de l'éclairage cm Centimètre

CMOS Complementary metaloxidesemiconductor CoB Chip-on-board

CSA Canadian standards association CRI Color rendering index

DAC Digital to analog converter DEL Diode électroluminescente EN European norm

FWHM Full width half maximum Hz Hertz

K Degré Kelvin kHz Kilohertz

LCD Liquid-crystal display LED Light-emitting diode

Li-Fi Light delity LSB Least signicant bit lm Lumen

m Mètre m2 Mètre carré mA Milliampère mm Millimètre

MSB Most signicant bit nm Nanomètre

PID Proportionnel, intégral, dérivée PIR Passive infrared sensor

PLA Acide polylactique s Seconde

SPI Serial peripheral interface sr Stéradian

UART Universal asynchronous receiver/transmitter USB Universal serial bus

V Volt W Watt

Liste des variables

I Courant (A)

Ω Angle solide (stéradian) E Éclairement lumineux (lux)

E1 Éclairement lumineux initial (lux)

E2 Éclairement lumineux secondaire (lux)

r Rayon de la sphère (m) S Surface (m2)

d1 Distance source-objet initiale (m)

d2 Distance source-objet secondaire (m)

EΘ Éclairement lumineux à angle (lux)

Φ Flux lumineux (lumen)

Rth Résistance thermique (°C/W)

Rtheq Résistance thermique équivalente (°C/W)

T1 Température initiale (°C) T2 Température secondaire (°C) Φth Flux thermique (W) TJ Température de jonction (°C) TA Température ambiante (°C) Pth Puissance thermique (W) f Distance focale (m)

n Indice de réfraction

L Épaisseur de la lentille (m) Tper Période d'une onde (s)

fHz Fréquence (1/s)

Dpe Distance du patron lumineux sur l'écran (m)

Dce Distance entre la caméra et le l'écran (m)

Rthba Résistance thermique équivalente entre le boîtier l'air ambiant (°C/W)

TJ Température de jonction de la DEL (°C)

TA Température ambiante (°C)

Rthjb Résistance thermique équivalente entre la jonction et le boîtier (°C/W)

Pe Puissance électrique (W)

ef fdel Ecacité lumineuse de la DEL (lm/W)

ef ftot Ecacité lumineuse maximale dénie par la CIE (683 lm/W)

Nprim Nombre de tour au primaire du transformateur

Vinmax Tension d'entrée maximale (V)

Dmax Taux de remplissage (%)

fmod Fréquence de modulation (Hz)

Bsat Flux magnétique maximal dans noyau magnétique sans provoquer la saturation (T)

Ae Aire de la section du noyau magnétique (m2)

Nr Nombre de tour de l'enroulement qui décharge l'énergie magnétique du transformateur

Vsec Tension au secondaire du transformateur (V)

Nsec Nombre de tour au secondaire du transformateur

Dbase Taux de remplissage au point nominal de fonctionnement (%)

J Densité de courant dans un conducteur (A/m2) S Section du conducteur (m2)

Remerciements

Un travail de cette envergure nécessite de l'aide extérieure et j'aimerais en proter pour nom-mer les personnes qui ont contribué signicativement au projet. Tout d'abord, j'ainom-merais re-mercier mon directeur de recherche M. Simon Thibault qui m'a guidé tout au long du projet. Ses conseils et ses encouragements m'ont été d'une aide précieuse pour mener à terme le projet. J'aimerais aussi remercier le professeur Tigran Galstian pour son soutien théorique et pra-tique envers le modulateur lumineux aux cristaux liquides. Je remercie aussi toute l'équipe de TLCL pour les nombreux échantillons que j'ai eus à ma disposition et en particulier M. Karen Asatryan pour sa disponibilité et son soutien.

De plus, j'aimerais remercier les étudiants et les professionnels de recherche du groupe de recherche de M. Simon Thibault pour leur aide et les bons moments passés ensemble. Le soutien technique des techniciens du centre d'optique et de photonique a été important pour la réussite du projet quand les dicultés se sont présentées. Finalement, je remercie aussi mes parents de m'avoir encouragé à persévérer dans mes études graduées.

Introduction

L'éclairage est l'un des principaux usages que l'humanité fait de l'électricité. Plusieurs tech-nologies d'éclairage sont apparues au cours du dernier siècle. La première source de lumière à partir de l'électricité fut l'ampoule incandescente. Par la suite, les lampes à décharge sont apparues comme les ampoules halogènes ou les lampes au mercure. Les tubes uorescents ont été inventés depuis le début du vingtième siècle et leur adoption par le grand public a été grandement accélérée avec les avancements des ballasts électroniques. La première découverte de l'éclairage par semi-conducteur remonte à 1907 par M. Henry Round [56]. Il avait utilisé des cristaux de carbure de silicium sur lesquels il appliquait un potentiel électrique continu entre 10 et 110 Volts et il observait une faible émission de lumière jaunâtre. La première DEL commerciale fut développée chez GE dans les années soixante. Elle émettait une très faible lumière rouge. Ensuite, la technologie DEL se développa surtout pour des applications d'indi-cation comme l'acheur sept segments. À cette époque, on pouvait avoir les couleurs rouge, vert et jaune pour une DEL. Cependant il était encore impossible (commercialement parlant) de produire une DEL de couleur bleue car le procédé de fabrication n'était pas au point. [43]. C'est en 1991 que le japonais Shuji Nakamura découvrit le procédé pour produire une DEL bleue à partir d'un substrat de nitrure de gallium en modiant le réacteur MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) pour inclure un apport de gaz secondaire an de réduire la convection qui était le problème principal du procédé standard à l'époque. M. Nakamura a obtenu le prix Nobel de physique en 2014 pour l'invention des DELs bleues commerciales qui ont permis la révolution du monde de l'éclairage actuelle. La lecture qu'il a présentée à l'université de Californie résume bien ses contributions. [47] À partir de cet instant, on a pu produire la première DEL blanche en utilisant une DEL bleu avec une couche de phosphore an de convertir les photons bleus en photon jaune-orange. La combinaison spectrale de ces deux raies d'émission donne une lumière de couleur de blanche à l'÷il. Les premières DELs blanches étaient très inecaces, de l'ordre de quelques lumens par watt, mais les investissements dans cette technologie ont vite fait augmenter l'ecacité à des niveaux jamais égalés pour une source de lumière. Le record d'ecacité pour une DEL est revendiqué par la compagnie Cree à 303 lm/W. [48] Commercialement, on peut obtenir des ecacités lumineuses de plus de 200 lm/W.

Avec toutes ces diérentes sources de lumière, la science de la photométrie est apparue an de pouvoir les comparer sur une base de mesure commune. La photométrie est une branche de la radiométrie qui se concentre sur la lumière visible (380 à 780 nm). La photométrie se distingue de la radiométrie, car elle prend en considération la sensibilité de l'÷il humain aux diérentes longueurs d'onde du spectre visible. Par exemple, un ux radiométrique de 10 W à 550 nm n'aura pas la même valeur photométrique qu'un ux de 10 W à 400 nm. C'est la commission internationale de l'éclairage (CIE) qui a déposé en 1931 la première courbe de sensibilité photométrique en 1931. [63] La courbe fut mise à jour en 1978 parce qu'on avait observé une sensibilité plus importante aux ux radiométriques de lumière bleue que ce qui était énoncé dans la première courbe de sensibilité en 1931. [68] La photométrie permet surtout de comparer le ux lumineux, la couleur et le rendu des couleurs des diérentes sources lumineuses. La photométrie est essentielle pour la technologie de la DEL, car les propriétés photométriques peuvent changer énormément d'un modèle à l'autre selon la fabrication. C'est justement l'une des particularités des sources de lumière DEL par rapport aux autres sources de lumière énoncées précédemment. Ces dernières changent très peu en termes photométriques outre que la puissance lumineuse. Par exemple, une ampoule incandescente change très peu de couleur et de rendu des couleurs peu importe la puissance de l'ampoule. Les DELs peuvent produire des spectres lumineux diérents en jouant sur la quantité de phosphore qu'on ajoute. Plus on met de phosphore, plus les longueurs d'onde jaunes/oranges deviennent proéminentes face au bleu original de la DEL. Donc plus la couche de phosphore est importante, plus la lumière blanche aura une teinte chaude mais plus l'ecacité diminuera. C'est à cause de ce phénomène que les DELs les plus ecaces sont les DELs à blanc froid (nom commercial pour décrire une DEL produisant une lumière blanche avec peu de longueurs d'onde jaune-orange et beaucoup de longueurs d'onde bleue. La gure0.1[59] permet de visualiser l'eet de l'épaisseur de la couche de phosphore sur le spectre radiométrique d'une même DEL.

Au niveau électrique, une DEL est un composant électronique semblable à une diode classique. Elle comprend une anode et une cathode. La DEL est donc un élément polarisé, cette dernière fonctionne seulement si on applique le courant de l'anode à la cathode. Le symbole standard d'une DEL dans un schéma électrique est montré à la gure0.2. La DEL émet un ux lumineux proportionnel au courant continu qui la traverse. Habituellement, les sources de puissance électrique contrôlent la tension, pas le courant. C'est pourquoi une ampoule DEL doit être équipée d'une alimentation conçue spécialement pour le comportement des DELs, surtout si on veut pouvoir contrôler ecacement l'intensité de celle-ci.

Figure 0.1  Spectre radiométrique d'une même DEL bleue avec deux épaisseurs de phosphore diérentes. La courbe en bleu représente le spectre radiométrique d'une DEL d'un blanc froid (6000K) et la courbe en rouge d'une DEL d'un blanc chaud (3000K).

Figure 0.2  Symbole électrique d'une DEL avec la polarisation

0.1 Contexte du projet

Ecacité énergétique

Un des principaux avantages à utiliser l'éclairage aux DELs est leur rendement pour la conver-sion de l'énergie électrique en ux lumineux. Ainsi, le simple fait de remplacer un éclairage incandescent pour un éclairage aux DELs permet de sauver beaucoup d'énergie électrique. La gure0.3, produite par un site web pour consommateur averti [16], montre l'ecacité des dié-rentes sources de lumière. La performance en lm/W des ampoules aux DELs est moins ecace que celle de la DEL elle-même car on doit tenir compte des pertes dans le convertisseur élec-tronique de l'ampoule aux DELs. L'éclairage est un secteur qui consomme beaucoup d'énergie dans les pays développés. Par exemple, les États-Unis consomment environ annuellement 404 milliards de kilowattheures en 2015 selon département de l'énergie des États-Unis. Cela repré-sente 10 % de consommation totale d'énergie électrique aux États-Unis. [7] Le potentiel de faire des économies d'énergie en utilisant les DELs comme source de lumière principale est énorme. Non seulement le consommateur pourrait en bénécier, mais l'environnement aussi quand on

sait que 66% l'énergie électrique des États-Unis provient de sources polluantes comme le char-bon et le gaz naturel. [8]. Il y a donc un double avantage à utiliser l'éclairage aux DELs comme source de lumière.

Figure 0.3  Comparaison du rendement énergétique des diérentes sources de lumière. Éclairage intelligent et marché

Avec les avancements de l'électronique en général et surtout au niveau des capteurs bon marché, un nouveau domaine s'est ouvert avec la conjoncture de l'éclairage DEL et des capteurs : l'éclairage intelligent. L'éclairage intelligent repose sur l'idée de mieux utiliser l'éclairage dans le but de faire des économies substantielles d'énergie électrique. C'est à dire, non seulement les ampoules sont plus ecaces, mais elles sont mieux utilisées avec un contrôle automatique pour les ouvrir ou bien les atténuer selon les conditions environnantes. Le marché de l'éclairage intelligent s'adresse surtout au secteur commercial pour l'instant, mais l'amélioration continue des technologies au niveau des coûts pourra permettre de bientôt intégrer le secteur résidentiel à grande échelle. Le marché de l'éclairage intelligent est en pleine croissance. Par exemple, l'étude de marché eectuée par la rme Markets and Markets estime le marché à 19,47 milliards de dollars américains en 2022. [41] Les perspectives pour ce marché sont donc excellentes pour l'avenir et cela se traduit par un engouement marqué des entreprises pour développer de nouveaux produits.

Dans le domaine de la télécommunication locale, le Li-Fi est une technologie prometteuse pour remplacer le très commun Wi-Fi. Cette technologie repose sur une modulation d'amplitude à très haute fréquence de l'éclairage ambiant pour transporter les bits [21]. Si jamais la tech-nologie Li-Fi venait à trouver sa place sur le marché, il serait très utile de varier le patron lumineux de façon à éclairer spéciquement le dispositif qui reçoit l'information an de limiter la propagation du signal et limiter les risques d'hameçonnage du signal par un tiers indésirable. La gure 0.4 [70] montre le schéma conceptuel de la technologie Li-Fi.

L'angle de vue d'une source DEL et le modulateur lumineux aux cristaux liquides

Présentement, peu importe le capteur utilisé, on peut seulement contrôler l'intensité de la lumière DEL. Si l'ampoule comporte plusieurs DELs de couleur diérente, on peut faire varier

Figure 0.4  Schéma explicatif de la technologie Li-Fi.

la couleur de l'ampoule et c'est présentement ce qu'orent la plupart des produits d'éclairage intelligent actuels sur le marché grand public. Dans tout les cas, le patron lumineux demeure xe selon la conception des optiques secondaires, il ne peut que varier d'intensité ou de couleur. Dans plusieurs applications d'éclairage intelligent, varier le patron lumineux pourrait être une option très intéressante. Par exemple, dans l'éclairage de scène, il faut souvent changer l'angle de vue des projecteurs lumineux. Pour ce faire, on utilise des projeteurs motorisés pour faire varier le diamètre d'un diaphragme. Il existe aussi des systèmes avec des lentilles montées comme optique secondaire et on fait varier la position de la lentille par rapport à la source lumineuse pour changer l'angle. Encore une fois, ces systèmes doivent être motorisés an de les contrôler à distance. Dans l'éclairage photographique sur téléphone cellulaire, il faut ajuster l'éclairage de la DEL de manière à avoir un éclairage qui met en valeur les personnes dans la photo (le fameux ash). Présentement, on peut seulement ajuster l'intensité de la DEL ou utiliser d'autres composants externes, mais il serait pratique de pouvoir aussi modier le patron lumineux projeté par cette dernière. Par exemple, un brevet a été déposé pour contrôler l'éclairage de la DEL qui produit le ash en ajoutant un écran ACL où l'on module les pixels de cet écran pour avoir un éclairage plus adapté à la situation [71]. L'utilisation d'une quelconque motorisation est impossible dans le cas des téléphones cellulaires à cause des contraintes de poids, de abilité et de consommation d'énergie.

Une entreprise, nommée TLCL (anciennement Lens Vector) [55], a récemment développée un modulateur lumineux à base de cristaux liquides qui permet de faire varier l'angle de vue d'une source lumineuse. Le modulateur est une lentille plane composée de cellules de cristaux liquides. Techniquement, la lentille ne peut que faire augmenter l'angle de vue du

faisceau lumineux, c'est pour cela que la conception d'un bon réecteur pour concentrer la lumière est importante. Puisque c'est un composant qui se contrôle de manière électronique, il peut facilement s'intégrer à des microcontrôleurs standards. Tel que décrit précédemment, dans les diérentes situations où le patron lumineux xe d'une ampoule pose problème, le modulateur lumineux à base de cristaux liquides représente une opportunité de développement très intéressante pour ces applications. Le composant est disponible en plusieurs tailles ce qui laisse beaucoup de latitude aux concepteurs de produits.

0.2 Problématique

L'éclairage intelligent soure d'un problème assez particulier, la technologie est disponible et à bas coût, mais les produits ne sont pas nécessairement bien conçus pour répondre aux besoins des clients. De plus, on est pas encore capable de clairement montrer le bénéce d'ajouter des capteurs sur des ampoules standards dans toutes les situations. Il devient dicile aux manufacturiers de justier le coût additionnel de l'éclairage intelligent comparé à l'éclairage standard. Un autre problème est le manque d'une plate-forme logicielle commune entre les diérents manufacturiers. Si un client décide d'acheter une ampoule intelligente d'un manu-facturier en particulier, il ne peut pas la faire communiquer avec une autre ampoule achetée d'un manufacturier diérent. Pourtant, la simplicité d'utilisation est et a toujours été un cri-tère d'une importance capitale pour percer le marché de masse. Les utilisateurs doivent être capables d'ajuster eux-mêmes les produits d'éclairage intelligent sans avoir recours à un tech-nicien spécialisé. Un article du IoT journal résume bien la problématique actuelle de l'éclairage intelligent [69].

Pour augmenter la valeur ajoutée des produits actuels d'éclairage intelligent, le présent projet propose l'utilisation d'un modulateur lumineux aux cristaux liquides pour élargir les possibili-tés à faible coût. Récemment développé, le modulateur lumineux aux cristaux liquides permet de contrôler l'angle d'ouverture d'une lampe sans les pièces mobiles habituellement nécessaires pour ce genre d'action. Il a seulement besoin d'un peu d'électroniques pour fonctionner. C'est pour cette raison que le modulateur lumineux aux cristaux liquides s'adapte très bien aux lampes DELs parce que ces dernières ont déjà besoin d'électroniques pour fonctionner. Pour permettre aux manufacturiers et aux utilisateurs de découvrir les possibilités du modulateur lumineux aux cristaux liquides pour des applications d'éclairage intelligent, le projet consiste à réaliser un prototype de démonstration. Le prototype de démonstration met en valeur les propriétés additionnelles que procure le modulateur lumineux aux cristaux liquides face aux applications d'éclairage intelligent actuellement disponible sur le marché. Le prototype de dé-monstration inclut aussi les fonctionnalités déjà présentent sur le marché comme la possibilité de modier l'intensité de la source lumineuse et une communication simple avec un ordinateur.

0.3 Dés

Les dés que constitue une telle aventure sont multiples. La plate-forme doit être susam-ment modulaire pour qu'on puisse avoir accès au plus grand nombre de variables de contrôle possible an de personnaliser les applications et de bien voir les possibilités réalisables avec le modulateur lumineux aux cristaux liquides. Elle devra aussi être simple d'utilisation an de permettre son adoption par le plus grand nombre de développeurs. Il est aussi important de prendre en compte le fait que le composant n'est pas encore à l'étape de la commerciali-sation. On ne sera peut-être pas capable de faire tout ce que l'on veut en termes d'ouverture d'angle et de dimensions de la lentille. Idéalement, le prototype d'évaluation devrait produire autant de lumière qu'une ampoule vendue commercialement an d'avoir un meilleur point de comparaison. Par exemple, le prototype pourrait produire autant de lumière qu'une ampoule incandescente de 100 W ou un projecteur incandescent de 50 W, tout deux très utilisé dans le domaine de l'éclairage grand public. La exibilité de la plate-forme devra aussi prendre cette incertitude en compte. L'électronique interne au prototype de démonstration devra être su-samment intégrée pour qu'elle soit totalement transparente aux utilisateurs. Ces derniers sont en majorité des programmeurs et des éclairagistes, leurs connaissances en électroniques ne leur permettent pas de déboguer les problèmes qui peuvent survenir dans les circuits électroniques. Pour des applications d'éclairage intelligent, le contrôle en boucle fermée est important. La plate-forme devra prendre en compte cette facette et la conception de cette dernière devra être orientée vers le contrôle en boucle fermée. Cela signie que la rapidité d'exécution des commandes envoyées à la plate-forme est très importante. De plus, il va falloir trouver des moyens de mesurer adéquatement le comportement dynamique de la lentille aux cristaux liquides et de la plate-forme. En connaissant le comportement dynamique de la lentille, on pourra plus facilement trouver des applications à sa mesure. Puisque beaucoup d'applications d'éclairage intelligent sont conçues pour l'extérieur, il faut aussi s'assurer que le prototype de démonstration fonctionne sur une large gamme de température. Encore une fois, le but est de permettre l'utilisation du prototype pour le plus grand nombre de situations.

0.4 Structure du mémoire

Le mémoire est divisé en six chapitres. L'ordre des chapitres respecte la chronologie du déve-loppement de ce mémoire en commençant par les aspects théoriques et la recherche pour nir avec les réalisations pratiques, les mesures et les applications d'éclairage intelligent réalisées avec le modulateur lumineux.

Le premier chapitre illustre la théorie nécessaire pour bien comprendre le projet du présent mémoire. La première partie explique la photométrie. La deuxième partie se concentre sur les propriétés des DELs. Finalement, la troisième partie permet au lecteur de découvrir le fonctionnement théorique du modulateur lumineux aux cristaux liquides.

Le deuxième chapitre expose et explique le concept de l'éclairage intelligent. Il s'agit d'une revue de littérature avec les recherches et les applications réalisées sur ce sujet. Quelques projets réels d'éclairage intelligent sont présentés.

Le troisième chapitre montre l'utilisation pratique de la lentille ainsi que des performances mesurées sur une lentille. On montre aussi la façon de les contrôler au niveau électrique. L'eet de la température y est aussi discuté.

Le quatrième chapitre présente la conception du prototype de démonstration avec les critères de conception de base. On montre les plans mécaniques et électriques de la plate-forme. Le chapitre est divisé en plusieurs sections et chacune de ces sections montre une partie de la plate-forme.

Le chapitre cinq se concentre sur les mesures pratiques de la performance de la plate-forme. On donne les performances mesurées spéciques à chacune des parties de la plate-forme pour faire le lien avec le chapitre précédent sur la conception. Le chapitre montre aussi l'application d'éclairage intelligent développée pour tester les performances. Le chapitre conclut en donnant des conseils sur la réalisation d'une boucle fermée avec le modulateur lumineux aux cristaux liquides.

Finalement, la conclusion fait le récapitulatif du mémoire et on discute surtout des points forts et des points à améliorer du projet.

Les annexes contiennent des suppléments sur les calculs d'incertitudes pour les mesures de performances ainsi qu'un guide d'utilisation pratique pour le prototype de démonstration développé.

Chapitre 1

Aspects théoriques du projet

Le premier chapitre présente les concepts théoriques importants pour le projet. La première partie de ce chapitre se concentre sur la photométrie et les caractéristiques des DELs. Par la suite, un bref aperçu théorique des cristaux liquides est exposé et le fonctionnement conceptuel du modulateur lumineux à base de cristaux liquides développé par TLCL [55] est expliqué.

1.1 Photométrie

La compréhension de la photométrie est essentielle pour mesurer les performances d'un système d'éclairage. La photométrie s'applique à toutes les sources radiométriques qui émettent des ondes électromagnétiques dans les longueurs d'onde comprises entre 380 nm et 780 nm. Pour comprendre la photométrie, il faut d'abord s'attaquer aux unités qui s'y rattachent. Par la suite, les principales lois et propriétés de la lumière visible peuvent être expliquées ecacement.

1.1.1 Unités en photométrie

Les unités en photométrie permettent de quantier la lumière. Les unités photométriques sont fortement liées à la géométrie. La compréhension des grandeurs géométriques de l'aire et de l'angle solide est un préalable pour dériver les diérentes unités photométriques. Le tableau

1.1 permet de résumer les principales quantités photométriques avec les unités associées. Les unités présentées dans le tableau ne sont pas exhaustives, mais elles sont celles retrouvées dans le présent mémoire.

Dénition Unité principale Unité équivalente Équivalent radiométrique Flux lumineux lumen (lm) cd · sr W

Intensité lumineuse candela (cd) lm/sr W/sr Éclairement lumineux lux lm/m2 W/m2

Luminance cd/m2 lux/sr W/m2· sr Table 1.1  Tableau résumant les mesures photométriques

Les grandeurs géométriques nécessaires pour la photométrie

Avant de parler des unités photométriques, il faut comprendre les unités géométriques qui se rattachent à la photométrie. La première grandeur géométrique à comprendre est l'aire. L'aire permet de quantier la surface d'un objet. Elle se mesure en m2 _{et elle est une unité dérivée}

du système international d'unité [33]. En photométrie, l'aire est nécessaire pour la mesure de l'éclairement lumineux et de la luminance. La deuxième grandeur géométrique importante est l'angle solide. L'angle solide est déni comme le rapport de la surface d'un arc de sphère sur le rayon de cette dernière. On peux aussi faire l'analogie que l'angle solide est la version tridimensionnelle d'un angle classique à deux dimensions. L'angle solide peut se calculer en sachant la surface d'un objet par rapport à distance entre l'objet et l'observateur1.1. On note l'angle solide avec Ω ou bien sr.

Ω = S

r2 (1.1)

Figure 1.1  Dénition de l'angle solide [67]

La gure 1.1 permet de représenter en image la dénition de l'angle solide. La surface S est de forme sphérique, mais, dans la plupart des cas, on la suppose rectangulaire pour simplier les calculs d'angle solide sans engendrer d'erreur majeure. La gure permet aussi de mettre en évidence la diérence entre l'angle solide Ω et l'angle à deux dimensions θ. Si l'angle à deux dimensions varie de 0° à 360° pour faire un cercle complet, l'angle solide varie de 0 Ω à 4π Ω pour compléter une sphère. La plupart des unités en photométrie ont besoin de l'angle solide pour avoir du sens.

Flux lumineux

La puissance lumineuse d'une source est dénie par le ux lumineux, qui se note en lumen. Le lumen est une unité dérivée du système international d'unités [33]. La plupart des sources lumineuses sont exprimées en lumen plutôt qu'en intensité lumineuse (candela) pour les com-parer entre elles. Cela est dû au fait que l'on peut convertir directement les lumens en Watt

et vice versa par la courbe d'ecacité lumineuse de la CIE [63] [68], qui relie la photométrie à la radiométrie. La gure 1.2 donne un aperçu de la conversion d'un ux radiométrique en un ux lumineux développée par la CIE en 1931. De plus, le lumen à l'avantage de mesurer la puissance d'une source indépendamment des réecteurs utilisés pour concentrer la lumière. Le ux lumineux est toujours mesuré sur 4π Ω, alors on peut dire que c'est l'intégrale sur une sphère de la puissance optique d'une source. Pour mesurer le ux lumineux, il faut sommer toute la lumière provenant d'une même source. Pour ce faire, il faut utiliser une sphère d'Ul-rich. Cette sphère creuse est tapissée d'une couche presque parfaitement rééchissante. Il sut ensuite de positionner la source lumineuse au centre de la sphère et un détecteur d'éclairement lumineux sur la paroi de la sphère pour avoir une mesure directe en lumen. Il est à noter qu'il faut souvent faire des calibrations avec ces appareils de mesures à l'aide de sources étalonnées. Le ux lumineux est utile pour caractériser les sources lumineuses parce qu'il est indépendant de l'angle solide.

Figure 1.2  Courbe de sensibilité spectrale de la CIE 1931 [63] Intensité lumineuse

L'intensité lumineuse est l'unité de base de la photométrie. C'est une des sept unités de base du système international [33]. Elle s'exprime en lumen par stéradian. L'intensité lumineuse est pratique pour mesurer l'eet de luminosité sur l'÷il humain. Par exemple, si deux sources possèdent la même intensité lumineuse en candela pour un angle solide donnée, elles seront per-çues comme égale si on les regarde dans le même angle solide. La candela n'est pas très utilisée pour comparer des sources lumineuses parce qu'on n'a pas d'information sur la distribution de l'intensité lumineuse en angle solide. Par exemple, si une source équipée d'un réecteur projette la même intensité lumineuse sur un petit angle solide qu'une source sans réecteur qui projette la même intensité lumineuse sur un plus grand angle solide, le ux lumineux de cette source sera plus importante que celui de la source avec un réecteur. Pourtant, les deux sources auraient la même intensité en candela et produiraient le même eet de lumière à l'÷il

Lieux Niveau d'éclairement lumineux Magasins et entrepôts 100 lx

Magasins de vente, zone de vente 300 lx Zones de manutention 300 lx Salles de classe 300 lx Gymnases et piscines 300 lx Assemblage de précision et usinage 500 lx Bibliothèque 500 lx Bureaux 500 lx Tables de dessins 750 lx

Table 1.2  Extrait de la norme d'éclairage européenne EN 12464. [3] La norme canadienne est tres similaire.

quand on regarde dans le même angle solide. En résumé, l'intensité lumineuse n'est pas une unité souvent utiliser pour caractériser les sources lumineuses en raison de sa dépendance à l'angle solide.

Éclairement lumineux

L'éclairement lumineux est la mesure de la quantité de lumière sur une surface illuminée par une source lumineuse. Elle se mesure en lumen/m2_{, qu'on appelle le lux. L'éclairement}

lumineux est un paramètre important pour la conception d'un système d'éclairage. Il a été déterminé expérimentalement les niveaux d'éclairement lumineux pour diérentes tâches. Par exemple, la norme canadienne CSA 9241-1-F00 [15] ou la norme européenne EN 12464 [3] donnent des niveaux d'éclairement lumineux pour diérentes conditions de travail. Le tableau

1.2présente un extrait des niveaux d'éclairage requis par la norme européenne. En fonction des niveaux d'éclairement requis par la norme utilisée et des dimensions géométriques du bâtiment, l'éclairagiste peut sélectionner adéquatement les lampes à utiliser. L'éclairement lumineux est la quantité photométrique qui se mesure le plus facilement. Il sut d'utiliser un détecteur nommé luxmètre et de le placer sur la surface à laquelle on veut connaître son éclairement. Le luxmètre est habituellement constitué d'une cellule photosensible avec un ltre photométrique qui atténue les diérentes longueurs d'onde du visible en fonction de la courbe de sensibilité développée par le CIE [63]1.2.

Luminance

La luminance est la mesure de la luminosité d'un objet selon la géométrie de la source et de l'observateur. La luminance est dénie en candela par mètre carré. La luminance permet de quantier la luminosité des sources et c'est une quantité qui devient très importante pour mesurer l'éblouissement que cause cette dernière. Par exemple, un tube uorescent et une ampoule incandescente qui émettent le même ux lumineux (lumen), n'auront pas la même luminance parce que le tube uorescent émet sa lumière sur une grande surface alors que

l'ampoule incandescente possède une forte luminance parce qu'elle émet sa lumière sur un tout petit lament. La luminance se mesure aussi souvent avec les unités héritées du sys-tème impérial, soit le Lambert. Un Lambert équivaut à 104_{/π candelas. La luminance d'une}

source lumineuse peut se mesurer à l'aide d'une luminance-mètre, couramment appelée un spotmètre en photographie. Ce dernier fonctionne un peut de la même façon qu'un luxmètre, mais on le pointe en direction d'une source lumineuse à partir de l'endroit où les gens sont susceptibles de regarder directement la source de lumière. Il mesure qu'un tout petit cône de lumière entrant alors cet appareil est très sensible au positionnement. La luminance est une quantité très importante pour la photographie et l'imagerie, mais pas énormément pour la caractérisation des sources lumineuses. Pour les sources lumineuses, la mesure de la luminance est fondamentale pour estimer l'éblouissement qu'elles produisent. Les formules pour calculer l'éblouissement sont en constante évolution puisqu'elles mesurent une quantité relativement subjective. Cependant, la luminance fait et fera toujours partie de ces équations.

1.1.2 Principales lois et relations en photométrie

Pour mesurer correctement les grandeurs lumineuses, il est important de comprendre les princi-pales lois et relations en jeu an de s'assurer de la validité des mesures des diérentes grandeurs lumineuses. Principalement, les lois en photométrie pour la caractérisation des sources lumi-neuses les plus importantes sont la loi en carré inverse et la loi du cosinus. Les dénitions des lois présentées dans le mémoire peuvent être approfondies dans le manuel d'Alex Ryer sur la mesure des grandeurs de la lumière [57].

Loi en carré inverse

La loi en carré inverse s'applique pour toutes les mesures d'éclairement lumineux. Puisque les mesures d'éclairement lumineux sont les plus courantes en photométrie, la compréhension de la loi en carré inverse en essentielle. Cette relation stipule que l'éclairement lumineux diminue au carré de la distance par rapport à la source. L'équation 1.2est la dénition mathématique de la loi en carré inverse. Cependant, l'équation 1.3est plus utile pour comprendre l'eet de cette relation.

E = I

d2 (1.2)

E1· d21 = E2· d22 (1.3)

Pratiquement, la loi en inverse carré veut dire que, si un détecteur mesure un éclairement lumineux de 36 lux à 1 mètre d'une source ponctuelle, le détecteur mesurerait 9 lux à une distance de 2 mètres. Cette loi permet de mettre en évidence l'importance de la distance entre la source et l'objet que l'on désire éclairer. Pour un concepteur d'éclairage, cette loi est la

clé qui permet de calculer l'éclairement lumineux que reçoivent les postes de travail pour être conforme aux normes d'éclairage.

Loi du cosinus

La loi du cosinus est aussi une relation à prendre en compte pour faire des mesures d'éclaire-ment lumineux. La loi du cosinus stipule que l'intensité mesurée dépend de l'angle auquel la lumière de la source frappe le détecteur. La perte d'éclairement lumineux dû à un angle non normal du détecteur se calcule selon une relation cosinus 1.4.

Eθ = E · cos θ (1.4)

La loi du cosinus s'applique autant pour les sources que pour les objets éclairés. Par exemple, si une source ponctuelle éclaire un miroir parfait à angle et que ce dernier dirige la lumière vers le détecteur à angle aussi que l'on désire éclairer, la loi du cosinus est cumulative pour calculer l'éclairement lumineux sur le détecteur.

1.1.3 Colorimétrie

La colorimétrie permet de caractériser la couleur de la lumière émise par les diérentes sources de lumières du visible. Chacune des couleurs représente une longueur d'onde diérente, com-prise entre 380 nm et 780 nm. La gure 1.3 permet de voir la conversion entre la longueur d'onde et la couleur observée à l'÷il. La colorimétrie a deux usages pour dénir les sources de lumière visibles. Premièrement, la colorimétrie permet de dénir la couleur résultante d'une source lumineuse qui émet plusieurs longueurs d'onde diérentes. La méthode à préconiser pour cette grandeur s'appelle la température de couleur de la source à l'aide des coordonnées colorimétriques dénies par la CIE 1931 [63]. Deuxièmement, la colorimétrie caractérise aussi le rendu de la couleur sur les objets illuminés par une source polychromatique. L'outil utilisé pour ce genre de mesure se nomme l'indice de rendu des couleurs. Ces deux paramètres sont très importants pour sélectionner adéquatement les sources de lumière selon les diérentes applications d'éclairage.

Coordonnées colorimétriques et température de couleur

La CIE 1931 dénit une méthode pour calculer la couleur d'une source lumineuse en multipliant séparément le spectre radiométrique de la source avec trois spectres diérents. Un spectre nommé x, un spectre nommé y et un spectre nommé z. La gure 1.4 présente l'aspect des trois spectres que l'on doit multiplier avec le spectre de la source de lumière. Le résultat de chacune des multiplications donne ce qu'on appelle les coordonnées colorimétriques xyz. Les valeurs des coordonnées sont comprises entre 0 et 1. Les coordonnées sont liées par une relation et on peut connaître la coordonnée z en sachant les coordonnées x et y selon l'équation 1.5. Il devient donc important de seulement calculer deux coordonnées pour trouver les coordonnées colorimétriques d'une source de lumière. La CIE 1931 a alors construit un diagramme de couleur xy 1.5qui permet de relier les coordonnées à une couleur.

z = 1 − x − y (1.5)

Figure 1.4  Spectre des fonctions x, y et z [63]

Le diagramme de couleur xy permet de mettre en évidence qu'il existe plusieurs teintes de blanc. La superposition de la courbe des corps noirs permet de diérencier les diérentes teintes de blanc. C'est la méthode de l'identication de la couleur de la source de lumière blanche par la température de couleur. L'article de C.S. McCamey propose une fonction qui permet de calculer directement la température de couleur selon les coordonnées colorimétriques [45]. Cette méthode est décrite en long et en large dans la littérature [43] [40]. La comparaison de la couleur avec la théorie des corps noirs est logique puisque plusieurs sources de lumière fonctionnent selon le principe d'émission des corps noir comme une chandelle, le soleil et une ampoule incandescente. Ainsi, un blanc à faible température (entre 2200K et 3000K) aura une teinte jaunâtre, qualiée de blanc chaud. Un blanc à haute température (5000 à 6500K) aura une tendance vers le bleu, qualié de blanc froid. Entre ces deux types de blanc (3000K à 5000K), on parle d'un blanc avec une teinte un peu laiteuse, qualié de blanc neutre. Il est généralement admis qu'un éclairage avec des lampes blanches de faible température de couleur

Figure 1.5  Diagramme de couleur xy avec la courbe des corps noirs de la CIE 1931 [63] produit un eet chaleureux et réconfortant. Tandis qu'un éclairage sous des lampes blanches à haute température de couleur favorise la productivité au travail [43].

L'indice de rendu des couleurs

Dans une application d'éclairage, plusieurs objets de couleurs diérentes sont illuminés par la même source de lumière. Les diérentes couleurs des objets apparaîtront plus ou moins vives selon le spectre électromagnétique de la source. Par exemple, un objet vert sera vif si la source de lumière produit beaucoup de longueurs d'onde dans le vert (environ 550 nm). La même logique s'applique pour toute les couleurs. Connaître la température de couleur d'une source ne donne aucune information sur la richesse du spectre de la source, car diérents spectres peuvent donner la même couleur lors du calcul des coordonnées. C'est pourquoi la CIE a développé un outil nommé l'indice de rendu des couleurs pour quantier la capacité d'une source de lumière à illuminer uniformément toutes les couleurs du visible [32]. L'indice est noté de 0 à 100. Un score de zéro signie que la source ne rend aucune couleur tandis qu'un score de 100 indique que toutes les couleurs sont parfaitement rendues. En pratique, une source avec un fort indice permet de mieux voir les contrastes de couleurs au sein du même objet. Il va de soi que pour des applications d'éclairage, où les objets à illuminer sont riches en couleur comme dans une galerie d'art, les lampes doivent posséder l'indice de rendu des couleurs le plus élevé possible. Le tableau 1.3 permet d'avoir un aperçu des indices de couleurs pour diérentes sources de lumière. De plus, le tableau permet de constater que la

Source de lumière Température de couleur Indice de rendu des couleurs Sodium haute pression 2100K 25

Incandescent 2700K 100 Halogène 3200K 95 Halogénures métalliques 5500K 60 Soleil 5000K 100

Table 1.3  Tableau présentant la température de couleur et l'indice de rendu des couleurs pour plusieurs sources de lumière usuelles [64]

température de couleur d'une source est indépendante de l'indice de rendu des couleurs.

Figure 1.6  Les huit couleurs des spectres pour le calcul du CRI (R1 à R8). R9 à R14 sont des couleurs de la version étendue du calcul du CRI [51]

L'indice de rendu des couleurs se calcule un peu de la même manière que les coordonnes de couleur. Au lieu d'avoir trois spectres qui multiplient le spectre de la source lumineuse, on mul-tiplie ce dernier avec huit spectres diérents qui représente chacun une couleur diérente. La gure1.6donne la couleur de chacun des spectres à multiplier. Les huit premiers spectres (R1 à R8) sont ceux du standard ociel de la CIE [32] et les autres sont des suggestions an d'amé-liorer les résultats de la méthode. On moyenne ensuite le score à chacune des multiplications et on ramène le résultat sur 100. Les méthodes colorimétriques sont en constante évolution et plusieurs révisions sont souvent proposées an de toujours mieux prendre en compte l'aspect subjectif de l'÷il humain. Par exemple, l'indice de rendu des couleurs a été critiqué parce qu'il donnait un score trop élevé pour les sources DELs à haute température de couleur par rapport à ce que la population observait [66]. L'ajout des couleurs R9 à R14 de la gure 1.6 semble une solution ecace pour ce problème, mais elle n'est pas ociellement entérinée par la CIE. Malgré tout, la méthode de la température de couleur et la méthode standard de l'indice de

rendu des couleurs sont celles les plus utilisées dans l'industrie de l'éclairage pour caractériser les diérentes sources lumineuses.

1.2 Propriétés des DELs

Le chapitre d'introduction a exposé les bases des DELs. Cette section amène les concepts plus avancés sur ces dernières en expliquant le principe d'émission, la relation I/V , la relation Φ/I et les aspects thermiques des DELs. Ces notions permettront de mieux comprendre l'intérêt pour les DELs pour l'éclairage et les considérations prises lors de la conception du prototype de démonstration.

1.2.1 Principe d'émission

Le principe d'émission de lumière d'une DEL est basé sur le fonctionnement des semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont créés à l'aide de matériaux semi-conducteurs comme le silicium, le nitrure de gallium, le carbure de silicium et bien d'autres. Ces matériaux sont caractérisés par une résistance électrique à mi-chemin entre un isolant et un conducteur. Le dopage de ces matériaux est ce qui les rend si intéressants. Le dopage consiste à ajouter un atome diérent au cristal du matériau semi-conducteur utilisé. Certains atomes donnent au cristal semi-conducteur une augmentation de sa conductivité, d'autres atomes augmentent la résis-tivité. Un dopage n conduit a une augmentation des électrons libres dans le matériau et un dopage p amène une diminution des électrons libres. Cette diminution se traduit par une aug-mentation des "trous", soit des endroits où il manque un électron libre. Le but du dopage est d'introduire une jonction pn à l'intérieur du matériau. Cette jonction s'obtient en combinant un matériau semi-conducteur dopé n et un autre dopé p. À la jonction des deux matériaux dopés diéremment, les électrons libres du dopage n vont migrer vers les trous du dopage p. Il se crée alors une bande interdite qui est électriquement nulle. Cette bande interdite s'épais-sit jusqu'à atteindre une taille maximale qui dépend de l'énergie des électrons libres par le dopage n et p ainsi que de la température ambiante. La largeur de la bande interdite est un paramètre contrôlable par le choix du cristal semi-conducteur et du dopage utilisé, parce que ces paramètres agissent directement sur les niveaux d'énergie des électrons libres.

Le résultat de cet assemblage est la création d'une diode, composé d'une anode et d'une cathode. La cathode est le dopage n et l'anode est le dopage p. Si on applique une tension qui polarise la diode de l'anode à la cathode (il faut se rappeler que les électrons voyagent dans le sens inverse du sens du courant conventionnel), les électrons qui se déplace par le courant électrique donneront de l'énergie aux électrons libres du dopage n et ils pourront "sauter" la zone interdite pour se combiner avec des trous du dopage p. La diode est dans son mode de conduction. Il faut préciser que la tension appliquée à diode doit atteindre un certain seuil avant de permettre la conduction. Ce seuil est déni par l'épaisseur de la zone interdite. Plus

la zone interdite est grande, plus les électrons libres ont besoin d'une tension élevée pour leur fournir l'énergie nécessaire pour faire le "saut". La recombinaison d'un électron libre avec un trou dégage de l'énergie sous forme de radiation. Cette radiation se traduit par une perte thermique qui cause l'échauement du composant. Si on applique une tension de la cathode à l'anode, la diode entre dans son mode de blocage. La tension donne de l'énergie aux électrons libres du dopage n dans le sens inverse du dopage p. Les électrons libres ne peuvent pas se déplacer dans ce sens parce qu'ils sont attirés par les trous du dopage p. Cependant, si la tension est assez élevée, on peut forcer les électrons à se déplacer dans le sens de la tension. Quand cela se produit, un grand courant traverse la diode et l'échauement thermique peut détruire le composant. Quand ce phénomène se produit, on parle de l'eet avalanche.

Une DEL est une version spéciale de la diode. Elle fonctionne sur le même principe, un matériau semi-conducteur dopé avec une région n et une région p qui forment l'anode et la cathode. Diérents matériaux semi-conducteurs créent des électrons libres avec diérents niveaux d'énergie. Dans le cas des DELs bleues, utilisé pour l'éclairage, le matériau semi-conducteur est habituellement du nitrure de gallium. Les niveaux de dopage peuvent aussi inuencer les niveaux d'énergie. Lors de la recombinaison d'un électron libre avec un trou, l'énergie dissipée sous forme radiative est dans les longueurs d'ondes du visible si les niveaux d'énergie sont bien ajustés. Il y a donc émission de lumière à la jonction de la diode. La lumière émise de cette façon est presque monochromatique, c'est pourquoi on parle des DELs en fonction de leur couleur. Cette conversion d'énergie électrique en énergie électromagnétique n'est pas parfaite. Les DELs ont habituellement des rendements de l'ordre de 60 % pour cette conversion. Le reste de l'énergie produit de la chaleur dans le matériau semi-conducteur. La chaleur doit être évacuée parce que la température aecte grandement les propriétés des DELs. La température aecte l'épaisseur de la zone interdite et cette dernière contrôle les niveaux d'énergie pour l'émission de radiation dans le visible. Puisque la chaleur est générée dans la jonction directement, il faut pouvoir conduire la chaleur hors de cette zone rapidement. La construction d'une DEL est basée sur les méthodes de fabrication d'une diode standard, mais il faut optimiser diérents paramètres pour la rendre plus ecace. Par exemple, il convient d'utiliser des électrodes transparentes, ajouter un réecteur sur le substrat et prévoir des électrodes métalliques qui ont pour fonction de conduire la chaleur à l'extérieur de la jonction pn. Ces optimisations pour l'extraction de la lumière émise par la jonction se font généralement au détriment des paramètres électriques de la diode. Par exemple, cette optimisation pour l'extraction lumineuse rend les DELs particulièrement vulnérables à l'eet d'avalanche si on les polarise de la cathode à l'anode comparativement à une diode classique.

1.2.2 Relations I/V et Φ/I d'une DEL

La fonction la plus importante pour une DEL est sa fonction I/V . Cette fonction permet de savoir le courant qui traverse la DEL en fonction de la tension appliquée à ses bornes en

Figure 1.7  Relation I/V d'une DEL d'un

Watt de Osram Semiconductor [62] Figure 1.8  Modulateur aux cristaux liquidesd'un diamètre de 50 mm mode de conduction. La tension est donc appliquée de l'anode à la cathode. Le courant qui traverse la DEL est le paramètre le plus important puisqu'il est la mesure directe du nombre d'électrons libres qui traversent la zone interdite de la jonction pour se combiner avec un trou et ainsi produire une émission électromagnétique dans le visible. Cette relation entre le courant électrique et le ux lumineux émis par la DEL est inscrite dans les ches techniques des manufacturiers sous la fonction Φ/I. Ces deux relations sont hautement non linéaires et elles sont valides seulement pour une température de jonction xe. Par exemple, une DEL standard disponible sur le marché, comme la Golden dragon® de la compagnie Osram Semiconductor® [62], possède la relation I/V présentée à la gure 1.7 et la relation Φ/I sur la gure 1.8. Il est important de préciser que la fonction Φ/I de la gure 1.8 est relative au ux lumineux nominal de la DEL au courant nominal de cette dernière. Dans l'exemple, le courant nominal est de 350 mA.

Ces relations sont à la base de tout circuit permettant de gérer la DEL pour l'éclairage. Les relations permettent d'avoir un ordre de grandeur sur le dimensionnement des composantes électroniques qui vont alimenter la DEL. Par exemple, les gures 1.7 et 1.8 imposent une alimentation électrique qui peut fournir un courant continu de 50 à 1000 mA avec une ten-sion variant de 2,85 à 3,6 Volts si on veut utiliser toute la plage de ux lumineux que peut produire la DEL. Il est important de mentionner les deux relations sont aectées négative-ment par l'augnégative-mentation de la température à la jonction de la DEL, il faut donc penser à surdimensionner l'alimentation électrique.

1.2.3 Aspects thermiques

Tel que mentionné dans la section sur le principe d'émission des DELs, la température a un impact majeur sur les propriétés optiques. La température aecte les niveaux d'énergie des électrons libres en augmentant l'épaisseur de la zone interdite proportionnellement. La chaleur générée lors de la recombinaison d'un électron libre et d'un trou doit être évacuée par conduction thermique. La conduction thermique peut être modélisée en faisant le parallèle avec les circuits résistifs électriques classiques. On appelle cette méthode la loi d'Ohm thermique et elle est très utilisée en électronique pour calculer l'échauement des composants. Les livres d'électronique de puissance expliquent la méthode en détail [54]. La résistance thermique de conduction est dénie comme étant la diérence de température aux bornes d'un élément pour un ux de chaleur donnée 1.6. Dans la version simpliée de la loi d'Ohm thermique, on peut calculer la température de la jonction sachant la puissance dissipée, la résistance thermique de conduction équivalente entre la jonction et l'air ambiant et la température ambiante 1.7.

Rth=

T1− T2

Φth (1.6)

TJ = TA+ Pth· Rtheq (1.7)

Pour modéliser correctement la résistance thermique d'une DEL, il faut savoir la résistance thermique de tous les éléments internes. Cette responsabilité revient au fabricant de donner la résistance thermique équivalente entre la jonction pn et le boîtier de la DEL. Au l des ans, les résistances thermiques équivalentes des DELs ont beaucoup diminué grâce aux avancées techniques pour l'extraction de la chaleur des matériaux semi-conducteurs [43]. Cependant, la résistance thermique équivalente totale ne dépend pas seulement des données de la che technique du manufacturier. Les données du manufacturier s'arrêtent à la résistance thermique entre la jonction et le boîtier de la DEL, mais un système thermique complet doit donner la résistance thermique équivalente de la jonction à l'air ambiant. La résistance thermique du boîtier à l'air ambiant est déterminée par le dissipateur de chaleur installé avec la DEL. Le concepteur d'une lampe aux DELs a donc la responsabilité de bien dimensionner les compo-santes thermiques de l'assemblage pour contrôler la température de jonction dans une plage convenable. La température de fonctionnement d'une DEL est fortement lié à sa durée de vie et à sa détérioration des couleurs dans le temps. La durée de vie d'une DEL est dénie comme le nombre d'heures avant que le ux lumineux nominal de la DEL au courant nominal soit réduit de 30 %. Il n'existe pas encore de méthode universellement reconnue pour quan-tier la détérioration des propriétés colorimétriques des DELs temporellement. L'article Life of Led-based white light source [19] présente des résultats de durée de vie en fonction de la température de jonction. Il n'existe pas encore de modèle analytique parfait pour estimer la

durée de vie d'une DEL en fonction de la température de jonction qu'on lui impose. Il est généralement recommandé de faire des expériences pratiques pour la déterminer.

1.3 Théorie de fonctionnement du modulateur lumineux aux

cristaux liquides

1.3.1 Les cristaux liquides et la biréfringence

Les cristaux liquides sont une substance qui est dans une phase intermédiaire entre le liquide et le solide. Un guide explicatif de l'université de Cambridge résume bien le sujet [50]. Ils se caractérisent par leur apparence en forme de bâtonnets au niveau moléculaire. Puisqu'ils sont à un état intermédiaire entre un état liquide et solide, les cristaux liquides possèdent aussi des propriétés intermédiaires entre un solide et un liquide. Puisque la phase des matériaux dépend principalement de la température, les substances dans la phase de cristaux liquides ont des propriétés qui varient grandement en fonction de la température. On classe les cristaux liquides dans deux grandes catégories, les thermotropes et les lyothropes. Les propriétés des thermo-tropes changent en fonction de la température tandis que les lyothropes ont des propriétés en fonction du solvant que l'on ajoute à la substance pour former les cristaux liquides. Dans notre cas, on s'intéresse principalement à la classe thermotropes. Cette classe est caractérisée par une grande variation des propriétés des cristaux liquides en fonction de la température. Par exemple, plus la température sera basse, plus les cristaux liquides se comporteront comme un solide et plus la température sera haute, plus les cristaux liquides se comporteront comme un liquide. An de bien démêler les propriétés des cristaux liquides thermotropes en fonction de la température, on distingue plusieurs mésophases qui correspondent à diérente gamme de température. La gure 1.9montre les mésophases les plus courantes des cristaux liquides.

Figure 1.9  Diérentes mésophases des cristaux liquides [52]

La mésophase nématique est la phase où les cristaux liquides se rapprochent le plus des liquides. Les molécules en forme de bâtonnet sont distribuées aléatoirement dans la substance, propriété caractéristique des liquides. Cependant, les bâtonnets ont tendance à maintenir une direction préférentielle malgré leur dispersion, propriété propre au solide. Sur la gure 1.9, l'image de gauche montre bien la distribution aléatoire des molécules de cristaux liquides avec la direction

préférentielle. La mésophase smectique est celle de l'image au centre de la gure 1.9. Dans cette mésophase, les molécules des cristaux liquides sont orientées vers la même direction comme dans la phase nématique, mais les molécules ne sont pas distribuées aléatoirement. Elles sont divisées dans des couches subséquentes ce qui démontre un ordre plus élevé dans la substance, caractéristique se rapprochant d'un solide. La mésophase cholestérique est en faite une phase particulière de la phase smectique dans certaines substances de cristaux liquides. Dans chacune des couches, les molécules s'orientent vers une direction légèrement diérente de la précédente. Cette direction n'est cependant pas aléatoire, car, quand on regarde plusieurs couches, on remarque un eet d'hélice comme les lets d'une vis.

La propriété optique la plus importante des cristaux liquides est la biréfringence. Cette pro-priété optique stipule que l'indice de réfraction d'un matériau optique varie selon la polarisation de la lumière qui la traverse. La polarisation de la lumière vient de la nature ondulatoire de cette dernière. En tant qu'onde électromagnétique, la lumière possède un champ électrique et un champ magnétique. Il y a un déphasage de 90° entre les deux et ils sont perpendiculaires. Le produit vectoriel de ces champs donne la direction de propagation de l'énergie (vecteur de Poynting). Puisqu'il peut exister plusieurs combinaisons de direction des champs électriques et magnétiques pour une même direction de propagation, on doit faire appel à la polarisation de la lumière pour connaître l'orientation du champ électrique. La polarisation est le com-portement spatio-temproel du champ électrique de la lumière et, dans notre cas, on peut se contenter d'un modèle simplié qui est susant pour comprendre les cristaux liquides. Dans le cas de la lumière incohérente non polarisée, comme une source de lumière à DEL, on peut supposer que la polarisation de la lumière émise est composition d'une somme vectorielle entre une polarisation horizontale et une polarisation verticale. Selon l'orientation des molécules de cristaux liquides en bâtonnets, on peut savoir l'indice de réfraction qu'aura chacune des po-larisations. Pour illustrer cette explication, on jette un coup d'÷il sur la gure 1.10. Le sens de la polarisation est indiqué par les doubles èches. On voit que les rayons de la polarisation horizontale ne sont pas déviés, mais que les rayons de la polarisation verticale le sont. Si le bloc de vitre était une couche de cristaux liquides, on pourrait conclure que les molécules sont orientées verticalement, car c'est la lumière polarisée verticalement qui réagit fortement et qui cause le délai temporel.

1.3.2 Sensibilité aux champs électriques et pixel d'un écran ACL

Une autre propriété très intéressante des cristaux liquides est leur sensibilité aux champs électriques. Les molécules en bâtonnet des cristaux liquides ont une tendance naturelle à s'aligner dans une direction que l'on peut choisir en frottant les parois de verre qui contiennent les cristaux liquides avec un polymère dans la direction que l'on désire imposer. Si on applique un champ électrique proche des cristaux liquides, on va causer un réalignement des molécules dans cette direction. Si on arrête le champ électrique, les molécules des cristaux liquides vont

Figure 1.10  Illustration du principe de biréfringence pour une source de lumière non-polarisée [36]

retourner dans la direction naturelle imposée par le frottement. Les propriétés de pouvoir changer la direction des molécules électriquement et la biréfringence ont permis de créer les écrans ACL que l'on utilise quotidiennement. Les gures1.11 et1.12montrent les principaux composants d'un pixel d'un écran ACL soient les polariseurs, les électrodes de verre frottées dans une certaine direction et les cristaux liquides de type nématique. Les substrats sont frottées dans des directions orhtogonales. En l'absence d'un champ électrique, les directions de frottement sur les électrodes de verre imposent une rotation graduelle des molécules de cristaux liquides. La lumière non polarisée traverse le premier polariseur, puisque c'est une source de lumière non cohérente, la moitié de la lumière traverse le polariseur, celle dans la polarisation verticale comme on voit dans la gure1.11. L'électrode de verre étant au repos, la lumière entre en contact avec les cristaux liquides dont la rotation change au fur et à mesure que la lumière avance. Cette rotation graduelle des cristaux liquides change la polarisation de la lumière de verticale à horizontale. Finalement, un dernier polariseur vertical bloque la lumière, car elle n'est pas dans la bonne polarisation. Le pixel de l'écran ACL apparaît donc noir. Si on applique une tension sur les électrodes, on crée un champ électrique qui aligne toutes les molécules de cristaux liquides dans la même direction. Sur la gure 1.12, on voit que les cristaux liquides prennent une orientation horizontale et que la forme de rotation est détruite. La lumière ne subira pas de rotation et elle conservera donc sa polarisation verticale. Le dernier polariseur laisse la lumière poursuivre son chemin, car la lumière est dans la même polarisation que lui, le pixel apparaît donc blanc.