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HAL Id: tel-00452845 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00452845 Submitted on 3 Feb 2010 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. Caractérisation du rendu des couleurs des nouvelles sources : les diodes électroluminescentes (LED) Nicolas Pousset To cite this version: Nicolas Pousset. Caractérisation du rendu des couleurs des nouvelles sources : les diodes électrolu- minescentes (LED). Physique [physics]. Conservatoire national des arts et métiers, 2009. Français. tel-00452845 THESE présentée au Conservatoire national des arts et métiers pour l’obtention du grade de DOCTEUR dans la spécialité Lasers, métrologie, communications par Nicolas POUSSET CARACTERISATION DU RENDU DES COULEURS DES NOUVELLES SOURCES : LES DIODES ELECTROLUMINESCENTES Soutenue en 2009 devant le jury composé de Marie Claude Castex Directrice de recherche au CNRS, Villetaneuse Présidente Frédéric du Burck Professeur à Paris XIII, Villetaneuse Rapporteur Jimmy Dubard Docteur au LNE, Trappes Examinateur Marc Himbert Professeur du Cnam, Paris Examinateur Annick Razet Professeur au Cnam, Paris Directrice de thèse Françoise Viénot Professeur du MNHN, Paris Rapporteur i | P a g e Remerciements Mon initiation au monde de la métrologie a commencé, pour moi, dès l’âge de 16 ans aux côtés de mon père, Roland Pousset, au sein du laboratoire de métrologie dimensionnelle de TRESCAL (autrefois Metrotech), chez nous, à Vendôme dans le Loir-et-Cher. Grâce à lui, j’ai pu gagner mes premiers salaires en passant mes vacances scolaires (de 2000 à 2004) à nettoyer et à étalonner des cales étalons, des pieds à coulisses, des tampons lisses ou filetés, des comparateurs, et autres instruments de mesures dimensionnelles aux noms plus ésotériques les uns que les autres. Par l’intermédiaire de ma formation d’ingénieur en optronique (Polytech’Paris-Sud à Orsay) tournée vers un pragmatisme et une professionnalisation importante - concrétisée par une période de dix huit mois de stages sur un cursus de cinq années d’études - j’ai pu améliorer la formation initiale de mon père. Cela s’est d’abord traduit par un stage de trois mois au laboratoire de métrologie dimensionnelle de la Délégation générale pour l’armement (DGA) à Arcueil, sous la responsabilité de Serge Bussières. Puis, ont suivi deux autres stages de cinq et six mois, dans l’équipe de métrologie dimensionnelle du Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) à Paris, sous la tutelle de José Salgado et de Georges-Pierre Vailleau. A 22 ans, après l’obtention de mon diplôme d’ingénieur en juillet 2006, j’ai décidé de poursuivre mon parcours en sollicitant un sujet de thèse au sein de l’équipe « Rayonnements optiques » de l’Institut national de métrologie (INM) du Conservatoire national des arts et métiers (Cnam). Cette thèse se voulait être, pour moi, une période de mise en pratique de mes connaissances d’ingénieur complétée par l’apprentissage d’une rigueur scientifique propre à la recherche. Avec cette rapide introduction vous aurez tout de suite compris que le travail présenté dans ce document ne constitue qu’une suite logique à mon jeune parcours professionnel dans le monde de la métrologie scientifique. A ce titre, j’aimerai adresser mes remerciements à : - Marc Himbert, directeur de l’Institut national de métrologie et professeur titulaire de la chaire de métrologie au Cnam, pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire. - Annick Razet, ma directrice de thèse, professeur des universités, responsable de l’équipe « Rayonnements optiques » et responsable qualité, pour son très bon accueil au sein de l’équipe et ses conseils. - Bernard Rougié, ingénieur de recherche dans l’équipe « Rayonnements optiques », pour ses multiples conseils très utiles et indispensables. Sans Bernard ce travail n’aurait pas été possible. - Stéphane Aubert, assistant ingénieur, responsable électronique et informatique à l’INM, pour sa sympathie, son dynamisme, ses réalisations et ses nombreuses discussions dans ii | P a g e divers domaines. Un grand merci pour son précieux concours dans la conception de l’expérience psychophysique. - Gaël Obein, maître de conférences, pour son aide dans la mise en place de l’expérience psychophysique et l’interprétation des résultats. - Zaccari Silvestri, ingénieur de recherche dans l’équipe « Masse et grandeurs associées », pour sa grande sympathie et sa disponibilité. - Jean Bastie, ancien responsable de l’équipe « Rayonnements optiques », pour ses discussions toujours très intéressantes mais malheureusement écourtées par son départ à la retraite quelques mois après mon arrivée. - Daniel Truong, technicien dans l’équipe « Thermométrie », pour sa sympathie, son enthousiasme et son aide pour mes conceptions mécaniques. Un grand merci à Stéphane Aubert, Daniel du Colombier (ingénieur dans l’équipe « Masse et grandeurs associées »), Bernard Rougié et Zaccari Silvestri pour avoir accepté d’être les « Bêta- testeurs » de mon expérience psychophysique. Et pour tout ceux qui m’ont côtoyé pendant ces trois années : "Une cravate bien nouée est le premier pas sérieux dans la vie" [Oscar Wilde, écrivain irlandais, 1854-1900] Les membres de l’équipe « Rayonnements optiques » qui ont participé aux travaux sur les LED. De gauche à droite : Bernard Rougié, Gaël Obein, Annick Razet, et Nicolas Pousset. Photo : Philippe Stropa (Studio Pons). iii | P a g e "Lorsque souffle la tempête, ce qui sauve l'arbre, ce ne sont pas les feuilles ou les fruits, ce sont les racines" A mes parents Chantal et Roland, à ma fiancée Virginie iv | P a g e v | P a g e Table des matières Introduction 1 Chapitre I Rayonnements optiques : de la grandeur physique à la perception de la couleur 3 1 Grandeurs et unités en radiométrie et en photométrie 3 1.1. Introduction 3 1.2. Grandeurs 4 1.2.1. Flux 4 1.2.2. Intensité 4 1.2.3. Eclairement 5 1.2.4. Exitance 6 1.2.5. Luminance 6 1.3. Unités 6 1.4. Fonctions d’efficacité lumineuse spectrale relative de l’œil humain 7 1.5. Relation de passage entre systèmes énergétique et lumineux 8 1.6. Référence primaires 8 1.6.1. Corps noir 8 1.6.2. Radiomètre à substitution électrique cryogénique 10 1.7. Facteur d’adaptation spectral 11 2 Physique de la couleur 12 2.1. Perception de la couleur 12 2.1.1. Introduction 12 2.1.2. Sources de lumière 12 2.1.2.1. Introduction 12 2.1.2.2. Illuminants normalisés CIE 13 2.1.3. Objet coloré 16 2.1.4. La vision humaine 16 2.2. Modélisation de la couleur 19 2.2.1. Introduction 19 2.2.2. Teinte 19 2.2.3. Saturation 20 2.2.4. Clarté 20 2.2.5. Classification des couleurs de Munsell 20 2.3. Modélisation colorimétrique de l’œil humain 22 2.3.1. Introduction 22 2.3.2. Systèmes colorimétriques 22 2.3.2.1. Espace chromatique CIE 1931 RGB 22 2.3.2.2. Espace chromatique CIE 1931 XYZ et CIE 1964 XYZ 22 2.3.2.3. Espace chromatique CIE 1960 UVW 25 2.3.2.4. Espace chromatique CIE 1964 U*V*W* 26 2.3.2.5. Espace chromatique CIE 1976 L*u*v* 26 2.3.2.6. Espace chromatique CIE 1976 L*a*b* 27 2.3.3. Adaptation chromatique et illuminant de référence 28 vi | P a g e 2.3.4. Différences de couleur 29 2.4. Température de couleur et température de couleur proximale 30 2.5. Indice de rendu des couleurs 30 2.5.1. Définition 30 2.5.2. Histoire 31 2.5.3. Méthode actuelle de détermination de l’IRC 31 3 Conclusion 40 Chapitre II Les LED : sources d’éclairage de demain 41 1 LED : passé, présent, futur 41 1.1. Histoire de la lumière artificielle 41 1.2. L’éclairage aujourd’hui en quelques chiffres 43 1.3. Les sources artificielles dans le contexte actuel du réchauffement climatique et du développement durable 44 1.4. La place des LED dans notre société 44 1.4.1. Histoire et évolution de la technologie LED 44 1.4.2. Quelques domaines d’application 45 1.4.3. Marché des LED et principaux fabricants 47 2 Description et caractéristiques métrologiques des LED 48 2.1. Principe de fonctionnement 48 2.2. Architectures d’une LED 49 2.3. Différents types de LED 50 2.3.1. LED colorées 50 2.3.2. LED blanches 51 2.4. Caractéristiques intrinsèques des LED 52 2.4.1. Caractéristiques électroniques 52 2.4.2. Caractéristiques optiques 53 2.4.3. Caractéristiques thermiques 53 2.4.4. Caractéristiques énergétiques 55 2.4.5. Caractéristiques mécaniques 57 2.4.6. Durée de vie 57 2.4.7. Température de couleur proximale 58 2.5. Dimensionnement d’applications 59 2.6. Etude métrologique d’une LED blanche 60 2.6.1. LED et module d’asservissement en température 60 2.6.2. Caractérisation intrinsèque 61 2.6.2.1. Montage expérimental 61 2.6.2.2. Résultats expérimentaux 61 2.6.3. Mesure d’intensité lumineuse 62 2.6.3.1. Principe et considérations pour les LED 63 2.6.3.2. Banc photométrique 64 2.6.3.3. Procédure d’alignement du banc 66 2.6.3.4. Résultats et budget d’incertitude 67 2.6.4. Conclusion sur l’étude métrologique 70 3 Conclusion 70 vii | P a g e Chapitre III L’indice de rendu des couleurs traçable au Système international d’unités 71 1 Mesures spectrales de sources à LED, calculs colorimétriques et incertitudes 72 1.1. Montage expérimental 72 1.1.1. Cabine à lumière et éclairages à LED 72 1.1.2. Spectroradiomètre 74 1.1.3. Etalonnage du spectroradiomètre 75 1.1.3.1. Etalonnage en longueur d’onde 75 1.1.3.2. Etalonnage en sensibilité spectrale 76 1.2. Mesures spectrales sur les LED : résultats et incertitudes 79 1.2.1. Spectres de LED 80 1.2.3. Analyse des uploads/Ingenierie_Lourd/ attachment 1 .pdf