MESURES OPTIQUES POUR LA CARACTERISATION D’ECLAIRAGES A LED

(1)

HAL Id: hal-01205634

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01205634

Submitted on 30 Sep 2015

HAL

is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire

HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

MESURES OPTIQUES POUR LA

CARACTERISATION D’ECLAIRAGES A LED

Nicolas Pousset, Bernard Rougie, Annick Razet

To cite this version:

Nicolas Pousset, Bernard Rougie, Annick Razet. MESURES OPTIQUES POUR LA CARACTER-

ISATION D’ECLAIRAGES A LED. 15ème Congrès international de métrologie, Oct 2011, Paris,

France. �hal-01205634�

(2)

15^ème Congrès international de métrologie, Paris, France, 2011.

MESURES OPTIQUES POUR LA CARACTERISATION D’ECLAIRAGES A LED

N. Pousset

^*

, B. Rougié

^**

et A. Razet

^**

* NEOLUX Aérodrome du Breuil

41330 La Chapelle Vendômoise, France

* Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam 61 rue du Landy

93210 La Plaine Saint Denis, France

Résumé

NEOLUX, société française spécialisée dans la conception d’éclairages à LED, s’est dotée d’un laboratoire de photométrie pour la caractérisation complète de luminaires. Dans le cadre de l’évaluation métrologique de ses équipements, l’exactitude de mesure de spectroradiomètres portatifs a été étudiée par comparaison à des équipements du Laboratoire Commun de Métrologie LNE-Cnam. D’importants écarts de mesures entre les spectroradiomètres portatifs ont été observés.

Abstract

NEOLUX, a French company specialized in the development of LED lightings, built a photometry laboratory for the complete characterization of luminaries. During the metrological evaluation process of its equipments, the measurement accuracy of portable spectroradiometers was studied by comparison with instruments from the French national metrology institute called “Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam”. Huge measurement differences were observed between the portable spectroradiometers.

Introduction

Depuis l’apparition des diodes électroluminescentes (LED : Light Emitting Diode) blanches de forte puissance, apparues grâce, notamment, aux recherches de S. Nakamura dans les années 90, celles-ci sont de plus en plus utilisées pour des applications d’éclairage.

Les principaux avantages de la mise en œuvre des LED de forte puissance, concernent leur efficacité lumineuse, leur durée de vie, la gamme de température de couleur proximale disponible.

Pour les lampes à incandescence et à halogènes, l’efficacité lumineuse typique est respectivement de 15 lm/W et jusqu’à 25 lm/W pour une durée de vie de 1 000 et 2 000 heures.

La température de couleur proximale est proche de 2 900 K.

Pour les lampes à décharges, telles que les sources à fluorescence, l’efficacité lumineuse est comprise entre 80 et 100 lm/W, avec une durée de vie, en général, de 5 000 à 15 000 heures. La gamme de températures de couleurs proximales s’étend de 2 700 K à 15 000 K environ.

Les LED nues ont une efficacité lumineuse de l’ordre de 70 à 110 lm/W pour une durée de vie supérieure à 30 000 heures. La gamme de température de couleur proximale est similaire à celle des sources à fluorescence. A noter qu’il est

également très facile de créer de la lumière colorée avec les sources LED.

NEOLUX, société française située près de Blois, dans le département du Loir-et-Cher, est spécialisée dans la conception d’éclairage à LED selon cinq gammes de produits :

EVENT, éclairages très haute luminosité, statiques ou dynamiques, pour les professionnels de la scène, pour des applications architecturales et de mise en valeur du patrimoine.

CITY, éclairages pour les bâtiments publics, les espaces sportifs et culturels, les zones piétonnes et résidentielles, les parkings, les bureaux et espaces de travail.

HOME, éclairages intérieur dans le tertiaire (bureaux, couloirs,…) ou l’industrie (hangars, centres logistiques,…) avec des systèmes de gradation de la lumière.

STORE, éclairages de magasins : enseignes, vitrines, présentoirs, cabines d’essayage,…

O.E.M., éclairages sur mesure (balises de parking, murs de briques colorés, éclairages de diamants, panneaux d’affichage publicitaire, éclairages de caves,…)

Un laboratoire de photométrie a été aménagé au sein de NEOLUX pour l’étude et l’optimisation des luminaires développés ou distribués, et fournir les informations techniques nécessaires à la rédaction des fiches produit.

Pour obtenir des résultats de mesures avec des incertitudes maîtrisées, la caractérisation métrologique des instruments a été réalisée à l’aide d’équipements du Laboratoire commun de métrologie (LCM) LNE-Cnam. Dans cet article, des différences de résultats de mesures spectrales obtenus, à partir de différents spectroradiomètres, pour des conditions expérimentales données, sont exposées, et ont permis d’argumenter sur la nécessité de procéder, de manière précise, à l’évaluation des équipements.

Ces analyses permettent de mettre en exergue les compétences nécessaires à l’exploitation appropriée d’un laboratoire de photométrie, et d’orienter les recherches, en métrologie, vers la réalisation de sources de référence utilisant des LED pour l’étalonnage des moyens de mesures dans le domaine des rayonnements optiques.

Laboratoire de photométrie

La figure 1 présente une vue du laboratoire de photométrie de NEOLUX. Il s’agit d’une salle noire constituée d’un goniospectrophotomètre en champ proche, de luxmètres et de spectroradiomètres portatifs.

Le goniospectrophotomètre, de marque Radiant Imaging, est composé de trois parties :

(3)

- un support mécanique mobile, modèle NFMS-0800, permettant d’effectuer des rotations du luminaire dans l’espace ;

- un photomètre, modèle PM-1200N, utilisant essentiellement un objectif de mise au point, un jeu de filtres, et un capteur CCD (Charge Coupled Device) permettant d’effectuer des mesures en rapport avec la courbe d’efficacité lumineuse spectrale relative de l’œil humain V(λ) ;

- un spectroradiomètre comprenant un correcteur cosinus, un réseau de diffraction fixe et un capteur CCD, pour la détermination de la répartition spectrale des sources lumineuses.

Dans la suite de cet article, nous identifierons cet équipement par la lettre R.

Figure 1 – Laboratoire de photométrie de NEOLUX.

Cet instrument permet la caractérisation complète de luminaires au travers de la mesure :

- de l’intensité lumineuse, en cd, à chaque angle d’orientation du luminaire ;

- de la distribution en intensité lumineuse (figure 2) ; - du flux lumineux ;

- de l’ouverture angulaire (figure 3) ;

- de la cartographie de la luminance lumineuse en cd/m² (figure 4) ;

- de la répartition spectrale de la source lumineuse (figure 5) ; - des paramètres colorimétriques (coordonnées chromatiques x et y dans l’espace CIE 1931, température de couleur proximale, T_cp, et indice général de rendu des couleurs, Ra).

Différents types de luxmètres, utilisés pour effectuer des mesures d’éclairement lumineux, en lx, permettent de compléter les capacités de mesure offertes par le goniospectrophotomètre. Un luxmètre, de marque LMT, considéré à NEOLUX comme un équipement de référence, est notamment utilisé pour valider les mesures d’intensité lumineuse du photomètre PM-1200N au travers de la loi de Bouguer (ou loi de l’inverse carré de la distance).

Pour répondre à la nécessité d’effectuer des mesures spectrales sur les chantiers, deux autres spectroradiomètres portatifs ont été évalués, avec pour objectif d’en faire l’acquisition, pour compléter les capacités offertes par celui intégré au goniophotomètre.

Figure 2 – Exemple de distribution en intensité lumineuse d’un module à LED utilisé pour la fabrication d’enseigne lumineuse.

Figure 3 – Exemple d’ouverture angulaire d’un tube T8 1500 mm à LED.

Figure 4 – Exemple de cartographie en luminance lumineuse d’un encastré de plafond à LED.

(4)

Figure 5 – Exemple de répartition spectrale d’une LED 1 W émettant un blanc chaud.

Spectroradiomètres

Spectroradiomètres étudiés

Dans le cadre de la caractérisation métrologique de ses équipements, NEOLUX a mené une étude sur l’exactitude de mesures de trois spectroradiomètres portatifs à l’aide de sources d’éclairage à LED.

Deux de ces spectroradiomètres, notés J et R, sont raccordés au Système international d’unités (SI) par l’intermédiaire du NIST (National Institute of Standards and Technology, USA), le troisième, noté M, par l’intermédiaire du LNE (Laboratoire National de Métrologie et d’Essais, France).

Les trois spectroradiomètres utilisent les mêmes technologies de mesure. La lumière incidente est collectée au travers d’un correcteur cosinus, puis diffractée par un réseau de diffraction fixe sur une matrice photodiode de type CCD, pour les spectroradiomètres J et R ou CMOS (Complementary Metal Oxyde Semi Conductor), pour le spectroradiomètre M. Ces matrices sont constituées de 1024 (J et M) ou 2048 (R) pixels et la plage de mesure des radiations électromagnétiques est restreinte entre 380 et 780 nm.

La largeur de bande de la fonction de transfert est de 5 nm pour les spectroradiomètres J et M et 2 nm pour le R.

Les dimensions de ces spectroradiomètres J, R, et M sont compactes et respectivement égales à 140 mm (L) x 58 mm (l) x 34 mm (H), 100 (L) x 40 (l) x 100 (H) mm, 55 mm (Ø) x 130 mm (L).

Spectroradiomètres de référence

Deux spectroradiomètres du LCM ont été utilisés dans le cadre de cette étude. Ceux-ci sont utilisés uniquement dans le cadre de travaux de recherches et ne font pas partie du système qualité du LCM. Dans cet article, nous considérerons ces équipements comme des spectroradiomètres de référence.

Le premier est un spectroradiomètre de table, de marque Bentham composé essentiellement d’un téléobjectif, d’un monochromateur, modèle M300, intégrant un réseau de diffraction mobile grâce à un moteur pas à pas, et d’un photomultiplicateur. La largeur à mi-hauteur de la fonction de transfert est de 1 nm.

Le second spectroradiomètre, portatif, de marque Konica Minolta, modèle CS-2000, est composé d’un téléobjectif, d’un réseau de diffraction fixe, et d’une matrice CCD asservie en température par un élément Peltier. La largeur à mi-hauteur de la fonction de transfert est de 5 nm.

La caractérisation métrologique détaillée de ces équipements a été réalisée au préalable [1] [2] [3] [4].

Mesures expérimentales

Comparaison entre les deux spectroradiomètres de référence

Une mesure comparative a été effectuée sur un éclairage à LED émettant une lumière de type blanc froid.

Cet éclairage était positionné dans une cabine à lumière et illuminait un étalon blanc de réflexion diffuse. Cet étalon était positionné à 45° par rapport au plan d’éclairage de la source et à 45° par rapport au plan du spectroradiomètre, symbolisé par le plan perpendiculaire à l’axe optique. Cet étalon réfléchit la lumière incidente avec un facteur de réflexion moyen qui est égal à 0,988, avec des variations comprises entre 0,987 et 0,989 sur le domaine spectral 380 - 780 nm. Dans le cadre de ces mesures, ce facteur est considéré comme étant égal à 1.

La figure 6 donne une représentation de l’accord entre ces deux instruments utilisant des techniques de mesure différentes.

L’écart mesuré dans la zone d’émission propre du semi-conducteur provient essentiellement de la différence de largeur à mi-hauteur de la fonction de transfert entre les deux spectroradiomètres.

Figure 6 – Comparaison de la répartition spectrale d’un éclairage à LED de type blanc froid, obtenue à partir des spectroradiomètres Konica Minolta et Bentham du LCM.

Le tableau 1 donne les valeurs des paramètres colorimétriques calculés à partir des mesures de répartition spectrale. Ceux-ci sont déterminés à partir du programme de calcul fourni avec la recommandation CIE 13.3 [5].

La température de couleur proximale est un paramètre technique très important, dans de nombreux domaines d’application, car il s’agit d’un élément objectif permettant d’évaluer la qualité de la lumière émise par une source. Il est donc primordial d’être en mesure de déterminer ce paramètre avec le maximum d’exactitude.

(5)

L’écart sur la température de couleur proximale pour cet éclairage est de 2,6 %. Celui-ci est jugée suffisamment faible dans le cadre de cette étude.

Bentham Konica Minolta

x 0,2735 0,2747

y 0,2616 0,2623

Tcp 13833 13471

R_a 82,9 82,8

Tableau 1 - Paramètres colorimétriques obtenus à partir des mesures spectrales réalisées avec les spectroradiomètres Bentham et Konica Minolta sur un éclairage à LED de type blanc froid.

Pour les travaux explicités dans la suite de cet article, seules des mesures avec le spectroradiomètre Konica Minolta ont été effectuées car le temps d’exploitation de cet équipement est plus court que celui pour le spectroradiomètre Bentham : respectivement de l’ordre de quelques secondes à plusieurs minutes pour la mesure de la répartition spectrale d’une source dans des configurations équivalentes.

Comparaison entre les spectroradiomètres M, R et Konica Minolta

NEOLUX a procédé, dans un premier temps, à l’acquisition d’un seul spectroradiomètre portatif, le M, en complément de celui utilisé avec le goniophotomètre, le R.

Les conditions expérimentales de mesure reprennent celles explicités précédemment. Deux types d’éclairage ont, cette fois-ci, été utilisés : un éclairage à LED de type blanc froid identique à celui utilisé dans la précédente comparaison, et un éclairage à LED émettant une lumière de type blanc chaud.

Les écarts de mesures spectrales sur l’éclairage à LED blanc froid sont illustrés par la figure 7. Le tableau 2, fournit les valeurs des paramètres colorimétriques qui en découlent.

Les résultats obtenus sur la température de couleur proximale montrent des écarts très importants avec des valeurs allant de 10 000 K à 22 000 K soit 26 % et 68 % d’écarts, respectivement pour le spectroradiomètre M et R, par rapport au Konica Minolta. Entre les valeurs obtenues par les équipements M et R, l’écart est de 100 %.

Figure 7 – Comparaison de résultats de mesures spectrales obtenus à partir des spectroradiomètres Konica Minolta, R et M pour un éclairage à LED de type blanc froid. Première illustration : les valeurs sont normalisées à 1 au maximum de l’émission du luminophore autour de 550 nm. Seconde illustration : les valeurs sont normalisées à 1 au maximum de l’émission propre du semi-conducteur à 450 nm environ.

Konica

Minolta R M

x 0,2747 0,2647 0,2847

y 0,2623 0,2443 0,2812

Tcp 13471 22656 9963

Ra 83 83 80

Tableau 2 - Paramètres colorimétriques obtenus à partir des mesures spectrales réalisées avec les spectroradiomètres Konica Minolta, R et M sur un éclairage à LED de type blanc froid.

La figure 8 permet de comparer les écarts de mesure entre les spectroradiomètres R et Konica Minolta et entre les spectroradiomètres M et Konica Minolta. Les écarts dus au spectroradiomètre M sont beaucoup moins homogènes, sur l’ensemble du spectre visible, que ceux obtenus à partir du R.

Figure 8 – Comparaison des écarts de mesure entre, d’une part, le spectroradiomètre R et le Konica Minolta puis entre le M et le Konica Minolta.

Afin de mettre en lumière plus précisément l’origine physique de ces écarts de mesure, des comparaisons complémentaires ont été réalisées sur un éclairage à LED de type blanc chaud, tel que l’illustre la figure 9. Les paramètres colorimétriques associés sont donnés dans le tableau 3.

(6)

Figure 9 – Comparaison de mesures spectrales entre les spectroradiomètres R et M pour un éclairage à LED de type blanc chaud.

R M

x 0,4547 0,4507

y 0,4239 0,4171

T_cp 2876 2884

Ra 78 79

Tableau 3 - Paramètres colorimétriques obtenus à partir des mesures spectrales réalisées avec les spectroradiomètres R et M sur un éclairage à LED de type blanc chaud.

Pour un éclairage blanc chaud, les écarts de mesure sont beaucoup moins importants que pour un éclairage blanc froid. L’écart sur la température de couleur proximale entre les instruments M et R est égal à 0,3 %.

Cela permet de mettre en évidence que l’origine des écarts de mesure semble provenir d’une différence de sensibilité des spectroradiomètres dans la zone bleue du spectre visible correspondant à celle de l’émission propre du semi-conducteur.

L’étalonnage de ces spectroradiomètres portatifs est généralement effectué au travers d’un illuminant A dont la figure 10 donne la répartition spectrale. De plus, ces équipements ne permettent pas l’ajustement de la sensibilité du capteur en fonction de la gamme de longueur d’onde et du niveau d’éclairement considérés. La mesure étant effectuée en une seule fois, et dans un temps très court, la sensibilité est fixe sur toute la gamme de longueur d’onde de 380 à 780 nm.

Figure 10 – Répartition spectrale relative d’un illuminant A.

Considérant le fait que l’énergie émise par un illuminant A est beaucoup plus faible dans la zone bleue du spectre visible que dans celle du rouge, l’exactitude de l’étalonnage dans les courtes longueurs d’onde est inférieure à celle pour les grandes longueurs d’onde.

Pour pouvoir utiliser convenablement ces spectroradiomètres portatifs, il semble nécessaire de procéder à un étalonnage systématique de la sensibilité spectrale en fonction de la source mesurée au niveau d’éclairement lumineux considéré. Malheureusement, la plupart du temps, il est difficile pour l’utilisateur final de pouvoir étalonner lui-même ce type d’instrument - les fabricants n’autorisant pas l’utilisateur à modifier les fichiers d’étalonnage intégrés dans la partie logicielle. Le champ d’utilisation de ces spectroradiomètres est donc limité.

Considérant les éléments précédemment explicités, notamment les écarts de mesure très inhomogènes entre le spectroradiomètre Konica Minolta et le M, ce dernier n’a pas été conservé par NEOLUX.

Comparaison entre les spectroradiomètres J et R

Pour évaluer plus en détail l’exactitude de mesure du spectroradiomètre R, ainsi que la compréhension des écarts de mesures obtenus, des comparaisons ont été effectuées entre le spectroradiomètre R et le J, mis à disposition gracieusement par un distributeur français d’équipements scientifiques.

Ces mesures ont été réalisées sur des éclairages à LED ayant des températures de couleur de 3 000, 4 500, 6 500 et 14 000 K pour des niveaux d’éclairement lumineux identiques.

Pour chaque spectroradiomètre, et pour chaque éclairage, deux mesures ont été effectuées à quelques minutes d’intervalles.

Les figures 11 à 14 représentent les répartitions spectrales de ces éclairages obtenues à partir des deux instruments. Les tableaux 4 à 7 donnent les valeurs des paramètres colorimétriques.

Figure 11 – Comparaison de la répartition spectrale d’un éclairage à LED de type blanc chaud (3 000 K) obtenue à partir des spectroradiomètres R et J.

R J

Eclairement

lumineux (lx) 139 157

x 0,4222 0,4223 0,4244 0,4244

y 0,3914 0,3912 0,3942 0,3939

T_cp 3158 3153 3130 3128

R_a 81 81 81 81

Tableau 4 - Paramètres colorimétriques obtenus à partir des mesures spectrales réalisées avec les spectroradiomètres R et J sur un éclairage à LED de type blanc chaud (3 000 K).

L’écart sur la température de couleur proximale entre les instruments R et J est égal à 0,8 %.

(7)

Figure 12 – Comparaison de la répartition spectrale d’un éclairage à LED de type blanc neutre (4 500 K) obtenue à partir des spectroradiomètres R et J.

R J

Eclairement

lumineux (lx) 41 45

x 0,3551 0,3554 0,3576 0,3574

y 0,3488 0,3491 0,3542 0,3533

T_cp 4607 4599 4559 4560

R_a 83 83 83 83

Tableau 5 - Paramètres colorimétriques obtenus à partir des mesures spectrales réalisées avec les spectroradiomètres R et J sur un éclairage à LED de type blanc neutre (4 500 K).

Figure 13 – Comparaison de la répartition spectrale d’un éclairage à LED de type blanc froid (6 500 K) obtenue à partir des spectroradiomètres R et J.

R J

Eclairement

lumineux (lx) 911 857

x 0,3081 0,3079 0,3134 0,3132

y 0,3130 0,3129 0,3230 0,3229

T_cp 6929 6945 6506 6519

Ra 77 77 76 76

Tableau 6 - Paramètres colorimétriques obtenus à partir des mesures spectrales réalisées avec les spectroradiomètres R et J sur un éclairage à LED de type blanc froid (6 500 K).

Figure 14 – Comparaison de la répartition spectrale d’un éclairage à LED de type blanc froid (14 000 K) obtenue à partir des spectroradiomètres R et J.

R J

Eclairement

lumineux (lx) 13 14

x 0,2653 0,2646 0,2682 0,2682

y 0,2467 0,2450 0,2520 0,2516

Tcp 20 976 22 285 17 691 17 852

Ra 80 80 83 83

Tableau 7 - Paramètres colorimétriques obtenus à partir des mesures spectrales réalisées avec les spectroradiomètres R et J sur un éclairage à LED de type blanc froid (14 000 K).

L’écart sur la température de couleur proximale entre les instruments R et J est égal à 22 %.

Nous observons un degré d’accord important entre ces deux équipements pour des gammes de températures de couleur proximales correspondant à des éclairages conventionnels (de 3 000 à 6 500 K). Les écarts sont inférieurs à 10 %.

Pour des éclairages ayant des températures de couleur plus élevée, supérieure à 10 000 K, les écarts entre deux équipement de même catégorie peuvent être importants, supérieurs à 20 %.

Ces écarts semblent être dus à des différences de sensibilité des équipements dans la zone bleue du spectre visible.

Les différences de sensibilité dans le reste du spectre visible sont minimes.

Conclusions

Selon les mesures réalisées dans cette étude, des spectroradiomètres portatifs, utilisés dans les mêmes conditions expérimentales, peuvent engendrer des écarts très importants sur la mesure de la répartition spectrale de sources à LED et sur les paramètres colorimétriques qui en découlent.

Pour des éclairages avec des températures de couleurs proximales typiques comprises entre 3 000 et 6 500 K, les écarts sont inférieurs à 10 %.

Pour des éclairages ayant des températures de couleurs proximales plus élevées, supérieures à 10 000 K, les écarts sont incertains et peuvent être très importants, de l’ordre de 20 à 70 %.

Le financement de cette étude a été entièrement pris en

(8)

charge par NEOLUX sur ses fonds propres, avec l’appui technique et matériel du LCM. Ceci a permis de m’être en exergue des failles dans le processus d’étalonnage et des plages d’utilisation de certains spectroradiomètres portatifs, utilisés pour la caractérisation d’éclairages à LED. NEOLUX a ainsi accumulé des compétences complémentaires dans le cadre de la mise en place de son laboratoire de photométrie.

Les sources d’éclairages à LED ont à la fois, des répartitions spectrales différentes des sources à incandescence, mais également, des variabilités spectrales très importantes d’une source LED à l’autre, en fonction de la température de couleur proximale choisie ou de l’assemblage de LED émettant de la lumière blanche et colorée. La qualité nécessaire à la conception des équipements de mesure et le soin apporté à leur caractérisation, est, de ce fait, beaucoup plus élevée dans le cadre de mesures avec des LED que pour celles avec des sources à incandescence, si l’on veut atteindre des performances acceptables.

Cette étude tend à démontrer la nécessité de développer des sources de références à LED de différentes températures de couleurs proximales pour l’étalonnage des équipements de mesure dans le domaine des rayonnements optiques.

Références bibliographiques

[1] N. Pousset, B. Rougié, A. Razet, « Uncertainty evaluation of LED measurement color by a Monte Carlo simulations », Metrologia, vol. 49, n° 6, p. 704-718, 2009.

Corrigendum, vol. 47, n° 1, p. 112-112, 2010.

[2] N. Pousset, B. Rougié, A. Razet, « Colorimétrie des LED : incertitudes et influence du courant électrique », Revue française de métrologie, n° 20, p. 17-32, 2009

[3] N. Pousset, B. Rougié, A. Razet, « LED de puissance blanches : sources de lumières de demain » dans Actes des conférences Métrologie 09, 2009.

[4] N. Pousset, « Caractérisation du rendu des couleurs des diodes électroluminescentes », Thèse de doctorat du Conservatoire national des arts et métiers, 2009.

[5] Commission Internationale de l’Eclairage, « CIE 13.3 - Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources 3^rd edition », 1995.