Métrologie pour l'éclairage à leds (Lighting)

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L’éclairage à DEL (maintenant communément appelé « led ») a une technologie spécifique :  ses performances optiques et sa durée de vie dépendent de la température de jonction des DEL et l’évolution dans le temps se manifeste par un déclin très lent du flux émis ; les DEL ont des spectres de rayonnement spécifiques avec un pic bleu pour la technologie la plus commune ; le rayonnement est produit sur des surfaces de petites dimensions avec sous sans optique de concentration et qui donc peuvent être vu par l’œil humain avec comme des points sources d’intensité très élevée ; les DEL nécessitent des électroniques spécifiques pour pouvoir fonctionner avec des caractéristiques électriques mal prises en compte dans les méthodes actuelles de mesures.

Une nouvelle métrologie relevant des grandeurs optiques, électriques et psycho-visuelles est donc nécessaire pour pouvoir correctement mesurer et caractériser les éclairages à led. Ce projet, piloté par le VSL, a pour objectif de mettre en place les moyens de caractérisation et d’étalonnage des sources d’éclairage dites à état solide (SSL, solid state lighting), essentiellement à base de leds, du point de vue photométrique mais aussi de celui de la perception (rendu des couleurs, confort visuel et en vision mésopique).

Le travail a été réparti entre 17 partenaires et est organisé en 4 parties :

1   Mesures pour la traçabilité des caractéristiques de ces sources d’éclairage ;

2   Méthodes de mesure de base pour la caractérisation de ces sources ;

3   Évaluation de la perception humaine des SSL : rendu des couleurs, confort visuel, vision mésopique pour l’éclairage extérieur ;

4   Développement de paramètres pour qualifier les performances de ces sources.

Le LCM a coordonné la partie n° 3 et a été également impliqué dans les parties 2 et 4.

Partie 2 : Méthodes de base pour la caractérisation des SSL

Le LCM est intervenu pour la définition des méthodes d’accélération du vieillissement des leds. Deux expériences de vieillissement accéléré de 6 mois en chambre climatique à deux températures (45 °C et 60 °C). Puis le LCM a traité les données de mesure et les a comparées à celles obtenues par le MIKES (Finlande) après un vieillissement naturel. Deux rapports ont été fournis, l’un sur les méthodes et l’autre sur les résultats.

Une accélération du vieillissement en caisson climatique a été constatée pour l’ensemble des lampes testées avec des vitesses proches ou significativement différents suivants les lampes testées mais suffisamment uniforme pour retenir la méthode comme un outil pertinent de détermination de la durée de vie des SSL.

Partie 3 : Perception humaine des éclairages à base de SSL

Le LCM a été impliqué dans les tâches relatives aux métriques de rendu des couleurs et de confort visuel.

Rendu des couleurs

Un état de l’art complet a été réalisé couvrant toutes les propositions de métriques de rendu des couleurs pour remplacement de l’actuel indice. Un programme en C++ a été développé intégrant toutes les composantes de base des différentes métriques et permet l’exploitation paramétrique des métriques de rendu des couleurs. Pour estimer l’impact des différentes métriques sur les différentes technologies d’éclairage et la corrélation entre elles, un ensemble de 122 spectres de sources a été constitué et classé par technologies. Une analyse générale et comparative a été réalisée. La majorité des métriques pour les sources fluorescentes sont bien corrélées entre elles (coefficient de Pearson de 0,90) alors les éclairages à DEL présentent une corrélation inférieure (coefficient de Pearson de 0,57), montrant la spécificité des éclairages à DEL. Les grandeurs influentes dans les métriques ont été déterminées. Cette partie initiale a fait l’objet d’un rapport.

Puis le LCM a mené une expérience subjective importante. Une pièce d’expérimentation a été construite, meublée et décorée en salon. Douze jeux de sources peuvent être installés sur des chariots mobiles au-dessus du plafond de la pièce de manière à éclairer la pièce à travers un diffuseur translucide situé au centre du plafond. 43 observateurs ont participé à cette expérience subjective utilisant 9 sources : lampes incandescentes, fluorescentes, fluocompactes et 6 types de lampes à technologie DEL. Les critères d’évaluation ont porté sur 9 attributs qualitatifs : la préférence, la qualité de la vivacité des couleurs, la fidélité des couleurs, le naturel des couleurs en général. L’analyse portait sur des éléments spécifiques (fruits/légumes, plantes, peau) et sur le rendu d’un document de charte de couleurs. Une analyse statistique (ACP) a montré que l’expérience était robuste. Les corrélations des notes subjectives avec les prédictions de la métrique courante et 13 propositions de métriques ont été étudiées.

Une recommandation à la commission internationale de l’éclairage (CIE) pour les métriques de rendu des couleurs a été rédigée et présentée en 2012 au Congrès de la CIE à Hangzhou en Chine.

Confort Visuel

Quatre expériences subjectives ont été réalisées avec 50 participants : 17 scénarios réels d’éclairages ont été aménagés dans un salon (la pièce subjective développée), un bureau, une grande pièce arrangée en compartiments et un espace à fond uniforme (3 m × 3 m) avec des sources éblouissantes.

Tous les scénarios d’éclairage et d’éblouissement ont été caractérisés par des mesures photométriques. Des cartes de haute résolution de la luminance lumineuse couvrant le champ visuel ont été élaborées pour tous les scénarios. A partir de ces cartes de luminances et des caractéristiques colorimétriques, un modèle physique de prédiction du confort visuel ressenti a été élaboré. Les corrélations entre les notes subjectives moyennes de 50 observateurs et les prédictions du modèle sont excellentes : 94 % (salon), 91 % (compartiments), 97 % (bureau) et 98 % (éblouissement). Les travaux ont été présentés en 2013 au Congrès International de Métrologie (CIM) à Paris.

Partie 4 : métriques de qualité pour les SSL

Le premier rapport porte sur les métriques de qualité couleur et inclut une synthèse des recherches effectuées sur le rendu des couleurs et d’autres paramètres colorimétriques pour constituer une spécification complète des qualités colorimétriques des éclairages.

Le second rapport est un état des lieux pour la sécurité photobiologique avec quelques investigations en laboratoire sur les méthodes de mesures.

Travaux en cours :

Le travail se poursuit sur l’approfondissement et une mise à jour des métriques de qualité de rendu des couleurs.

Site du projet :

http://www.m4ssl.npl.co.uk/

L’impact du projet est essentiellement une contribution aux activités prénormatives concernant l’estimation de la durée de vie, de rendu des couleurs et du confort visuel.

Les organismes internationaux comme la Commission internationale de l’éclairage (CIE) établissent des nouveaux indices en se basant sur un réseau de laboratoires et d’experts qui prennent en compte les travaux publiés.

La diffusion de l’information et des résultats obtenus durant le projet européen est réalisée par l’édition un site internet dédié, l’organisation d’événements de type séminaire ouvert aux parties prenantes du projet (en fin de projet) et par la représentation dans les comités techniques des organisations européenne et internationale de métrologie, de l’éclairage et de la normalisation.

RENOUX D., NONNE J. et SABOL D., “Contribution to the assessment and the improvement of colour rendering metrics of artificial light sources”, CIE 2012 – Lighting Quality and Energy Efficiency, Hangzhou, Chine, 19 septembre 2012.

ROSSI L, SIRAGUSA S., NONNE J. et RENOUX D., “Correlating eye movements with indoor visual comfort perception under artificial lighting”, 17^th European Conference on Eyes Movements (ECEM), Lund, Sweden, 11-16 August 2013.

NONNE J., RENOUX D. et ROSSI L., « Metrologie pour les éclairages à état solide », 16^e Congrès International de Métrologie, Paris, France, 7-10 octobre 2013, DOI: 10.1051/METROLOGY/201314004.

BAUMGARTNER H., RENOUX D., VASKURI A., PULLI T., POIKONEN T., KÄRHÄ P. et IKONEN E., “Lifetime projection of LED light sources”, Proceedings of the Finnish Physics Days, 2013, 10.18.

• INRIM (Italie) : accueil d’un scientifique (févier-mars-avril 2012) pour travailler sur le rendu des couleurs.
• SMU (Slovaquie) : accueil d’un scientifique (août-septembre-octobre 2012) pour travailler sur les métriques de confort visuel.
• Mitsubishi Chemical : utilisation des DEL de cette société et échange sur les résultats.

Partenaires du JRP-ENG05 :

• VSL (Netherlands),
• Aalto (Finland),
• CMI (Czech Republic),
• CSIC (Spain),
• EJPD (Switzerland),
• INRIM (Italy),
• IPQ (Portugal),
• LNE (France),
• MKEH (Hungary),
• NPL (United Kingdom),
• PTB (Germany),
• SMU (Slovakia),
• SP (Sweden),
• Trescal (Denmark),
• CCR (Italy),
• TU-IL (Germany),
• UPS (France).