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Les travaux sont répartis entre 11 partenaires et sont organisés en 4 lots de tâches techniques :

1. Réduire la chaîne de traçabilité des mesures d’éclairement spectrique pour le spectre solaire UV afin de réduire les incertitudes de mesure avec les spectroradiomètres ;
2. Améliorer les techniques de caractérisation du rayonnement solaire avec des spectroradiomètres à matrice ;
3. Améliorer le spectroradiomètre portable de référence UV « QASUME » ;
4. Étude de nouvelles technologies utilisables pour améliorer les incertitudes de mesure.

Le projet a débuté le 1^er août 2011 pour une durée de 3 ans. Le LCM est impliqué dans les lots 2 et 4 pour l’estimation des incertitudes des spectroradiomètres à matrice et le développement d’un spectroradiomètre à barrette de photodiodes optimisé pour la mesure du spectre entre 290 nm et 400 nm et avec une minimisation de la lumière parasite.

Les causes d’incertitudes sur les mesures réalisées avec des spectroradiomètres à matrice ont été inventoriées et présentées aux partenaires du projet en 2012. En 2013, un logiciel a été réalisé sous MATLAB pour évaluer les incertitudes de mesure du rayonnement solaire selon la méthode de Monte-Carlo et le guide d’utilisation a été rédigé. La donnée de sortie est la fonction de distribution de probabilité (Probability Distribution Function, PDF) de l’éclairement solaire à quelques longueurs d’onde à partir de laquelle on peut déterminer l’éclairement solaire et l’incertitude associée correspondant respectivement à la valeur moyenne et l’écart type de la distribution PDF.

Le développement d’un spectroradiomètre à barrette de photodiodes optimisé pour la mesure du spectre entre 290 nm et 400 nm et avec une minimisation de la lumière parasite s’effectue en collaboration avec Jobin Yvon. Le spectroradiomètre a été caractérisé concernant la lumière parasite et le caisson thermalisé a été testé du point de vue mécanique et thermique. Pour réduire le taux de lumière parasite le LCM propose de présélectionner des bandes spectrales à l’aide de filtres spécifiques. Les optiques d’entrée incluant les filtres et les obturateurs ont été réalisés. Le spectroradiomètre est de type VS140 de chez Jobin Yvon. Le principe du spectroradiomètre modifié est indiqué sur la figure 1.

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Différentes configurations de filtres (épaisseur et type de filtre) ont été caractérisées du point de vue de la transmission. Puis des mesures ont été faites pour évaluer l’influence de la lumière parasite sur l’ensemble du système modifié.

Site du projet:

http://projects.pmodwrc.ch/env03/

Amélioration de la fiabilité des mesures (traçabilité et incertitudes) du rayonnement UV dont les valeurs entrent dans de nombreux modèles de prédictions et des programmes de prévention (climat, environnement, santé).

DUBARD J. et  ETIENNE R., “Monte Carlo uncertainty evaluation of UV solar spectral irradiance measurements using array spectroradiometer”, 7^th Workshop on Ultraviolet radiation measurements (UVNET), Davos, Suisse, 27-28 août 2013.

DUBARD J., VALIN T., ETIENNE R. et EBRARD G., “EMRP-ENV03: Traceability for surface  spectral solar ultraviolet radiation”, 16^e Congrès International de Métrologie, Paris, France, 7-10 octobre 2013, DOI: 10.1051/METROLOGY/201318001.

Partenaires du JRP-ENV03 :

• SFI Davos (Switzerland),
• EJPD/METAS (Switzerland),
• PTB (Germany),
• VSL (Netherlands),
• CMI (Czech Republic),
• LNE (France),
• INRIM (Italy),
• Aalto (Finland),
• CMS (Austria),
• Kipp&Zonen (Netherlands),
• IMU (Austria).

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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).

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Le cahier des charges fixé pour la nouvelle installation est d’améliorer la mise en œuvre des échantillons, d’étendre le domaine de mesure du banc d’étalonnage existant, de pouvoir effectuer les mesures dans toutes les directions de mesure et d’effectuer des mesures sur des matériaux liquides ou gels.

Sur la base de ce cahier des charges, un nouveau banc de mesure a été conçu, fabriqué et qualifié. Il permet d’effectuer des mesures d’indice de brillant dans toutes les directions et pour tous les niveaux de brillant de 0 et 120 ub (unité de brillant).

L'instrumentation est constituée d'une source, d'un système de lentilles qui crée un faisceau de lumière sur la surface d'essai, et d'un récepteur muni d'une optique appropriée, d'un diaphragme et d'une photodiode pour la détection du cône de lumière réfléchie par la surface d'essai. Cette instrumentation répond notamment à différentes exigences de la norme ISO 2813 concernant la source, l’étalon de référence, le récepteur et les géométries de mesure (pour les trois directions : 20°, 60° et 85°).

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La valeur de brillant B d’un matériau d’indice n sous pour un angle d’incidence a est défini par :

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L’étalon de référence est une lame prismatique de (70×70) mm² étalonnée en indice de réfraction à la longueur d’onde de 587,6 nm sur un banc de mesure absolue d’indice de réfraction du LCM.

L’installation développée permet la mise en place des échantillons diffusants et spéculaires avec une excellente reproductibilité ; ce qui constitue la principale amélioration. L’automatisation des mesures permet d’obtenir de nombreux résultats dans des conditions variées.

Pour l’étalonnage des éprouvettes de brillant spéculaire compris entre 80 ub et 120 ub, la nouvelle installation a permis une réduction de l’incertitude d’au moins un facteur 3 par rapport à l’ancien banc de mesure ; soit une incertitude élargie (k = 2) de 0,1 ub, 0,2 ub et 0,3 ub respectivement pour les configurations angulaires à 20°, 60° et 85°.

Des investigations complémentaires sur les étalons « Semi-Gloss » pourraient être faites avec le nouveau banc de mesure de BRDF pour expliquer des écarts dans les résultats obtenus sur des échantillons diffusants mais déjà les résultats obtenus indiquent que les spécifications inscrites dans la norme ISO 2813 nécessiteraient une révision et un complément.

• extension du domaine de mesure de l’indice de brillant au LCM vers les matériaux diffusants ;
• extension des configurations de mesure à toutes les directions ;
• extension des possibilités de mesure aux matériaux liquides (échantillon en position horizontale) 
• amélioration des incertitudes de mesure du brillant et de l’talonnage des brillancemètres industriels.