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HAL Id: tel-01344416 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01344416 Submitted on 11 Jul 2016 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 de la qualité des éclairages artificiels (rendu des couleurs et confort visuel) en particulier pour les sources à lumières à diodes électro-luminescentes (DEL) Jordi Nonne To cite this version: Jordi Nonne. Caractérisation de la qualité des éclairages artificiels (rendu des couleurs et confort vi- suel) en particulier pour les sources à lumières à diodes électro-luminescentes (DEL). Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]. Conservatoire national des arts et metiers - CNAM, 2015. Français. NNT : 2015CNAM1024. tel-01344416 ÉCOLE DOCTORALE SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur THÈSE présentée par : Jordi NONNE Réalisé au sein du Laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM Soutenue le : 15 Décembre 2015 Pour obtenir le grade de : Docteur du Conservatoire National des Arts et Métiers Discipline/ Spécialité : Lasers, Nanosciences et Métrologie Caractérisation de la qualité des éclairages artificiels (Rendu des couleurs et confort visuel) en particulier pour les sources de lumière à diodes électroluminescentes (DEL) THÈSE dirigée par : Marc HIMBERT Professeur, CNAM RAPPORTEURS : Raphaël LABAYRADE Enseignant-chercheur, ENTPE Georges ZISSIS Professeur, Université de Toulouse Président du Jury : Frédéric DU BURCK Professeur, CNAM JURY : Pierre FALZON Professeur, CNAM Marc HIMBERT Professeur, CNAM Raphael LABAYRADE Enseignant-chercheur, ENTPE Dominique RENOUX Ingénieur - Docteur, LNE Georges ZISSIS Professeur, Université de Toulouse Invités : Gaël OBEIN Maitre de conférences, CNAM Jean-Louis MEYZONNETTE Professeur, Institut d’Optique I Remerciements Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse ont été réalisés au Laboratoire National de métrologie et d‟Essais (LNE) sur le site de Trappes. Je tiens à remercier le directeur, M. Jean Luc LAURENT pour m‟avoir accueilli dans ces lieux. Je souhaite remercier Olivier FARON, directeur du Conservatoire National des Arts et Métiers(CNAM), mon université, et également Antoine BEVORT, directeur de l‟Ecole Doctorale "Bernard Gregory". Je tiens à remercier les institutions et les acteurs à l'origine du projet dans lequel s'inscrivent mes travaux de recherche notamment l‟European Research Metrology Programme (EMRP), et la contribution de l'Association Nationale de la Recherche et de la Technologie (ANRT). Je souhaite également porter une attention à tous mes supérieurs hiérarchiques, avec qui j‟ai eu des échanges très enrichissants tout au long de ma thèse, à savoir Lionel DREUX, directeur de la Direction Métrologie Scientifique et Industrielle (DMSI) du LNE, Jean Rémy FILTZ, responsable du pôle photonique énergétique et enfin Jimmy DUBARD, responsable du département photonique. Mes remerciements vont également à Marc HIMBERT, mon directeur de thèse, pour avoir encadré mes travaux et pour les relations de confiance que nous avons pu entretenir. Je tiens à remercier mes rapporteurs Raphaël LABAYRADE et Georges ZISSIS qui ont accepté de relire et corriger ce manuscrit ainsi que Frédéric DU BURCK, président du jury et les membres du jury Pierre FALZON, Jean-Louis MEYZONNETTE et Gaël OBEIN pour avoir bien voulu assister à ma soutenance et évaluer mon travail. J'adresse ma reconnaissance toute particulière à Dominique RENOUX, mon référent au sein du LNE. Il m‟a beaucoup appris durant ces trois années. Son professionnalisme, sa gentillesse et sa disponibilité m'ont guidé dans une grande rigueur et le respect de la démarche scientifique. Je le remercie également pour ses remarques constructives et bienveillantes dans l'élaboration de ce manuscrit. Je tenais à faire part de ma gratitude à l‟ensemble de l‟équipe photonique, Romain, les François, Bernard, Thierry, Isabelle, Caroline, Pierre, Jean, Marc, KhuongMinh, Mai-huong, Olivier, Philippe, Guillaume, Gaël et Martin pour leur disponibilité et pour toutes les II discussions informelles que nous avons pues avoir. J'associe également Philipe, Dominique, Jean-Noël, Max, Liliane à ce soutien. Je remercie l'ensemble du personnel du LNE que j‟ai côtoyé tout au long de la thèse, et particulièrement les personnes qui ont été volontaires pour effectuer les expériences subjectives. Je remercie l‟ensemble des contacts professionnels que j‟ai pu tisser pour leurs conseils scientifiques et techniques, en particulier les échanges que j'ai eu avec Sophie JOST- BOISSARD, Frédérique LE LOUP ainsi que Kevin SMET. Enfin ma reconnaissance va à ma fiancée, Julie AIRIAU, pour sa patience, son aide et sa présence au quotidien. Un grand merci à mes parents pour m'avoir soutenu et épaulé avant et pendant cette thèse. Merci également à mes deux sœurs pour leurs intérêts sur mes travaux, Nora pour avoir relu certains de mes articles en anglais et Ysé, pour ses faibles demandes de résolution de problèmes informatiques. Je remercie l‟ensemble de ma famille, de ma belle famille et tous mes amis pour avoir fait l‟effort d‟essayer de comprendre les spécificités de mon étude et pour m‟avoir accompagné dans ma motivation. Merci à tous de m‟avoir suivi dans cette aventure. III Résumés Cette thèse a été réalisée en parallèle avec le projet de recherche « ENG05 lighting », un programme européen de recherche en métrologie réunissant une quinzaine d‟instituts nationaux de métrologie en Europe. L'apparition de nouvelles solutions d‟éclairage utilisant des diodes à électroluminescence (DEL) n‟apporte pas seulement une efficacité en termes de diminution de puissance consommée mais elles doivent également répondre à des critères de qualité de lumière pour l‟utilisateur selon l‟environnement. L'étude se concentre sur les problématiques du confort visuel ainsi que sur les indices du rendu des couleurs conformes à ceux de la Commission International de l'Eclairage (CIE) qui ne permettent pas de prédire une évaluation fiable en ce qui concerne ces nouveaux éclairages à l‟état solide. Cette recherche s‟appuie sur les calculs informatisés des métriques existantes, les résultats de plusieurs expériences subjectives réalisées dans un environnement contrôlé et reproductible et leurs caractérisations. Un premier modèle capable de prédire le confort visuel d'un scénario d'éclairage est réalisé et décrit. Plusieurs axes d'amélioration des métriques du rendu des couleurs sont étudiés. L'ensemble des expériences intègre des solutions d'éclairages traditionnels. A l‟aide de carte de luminance, les résultats obtenus sont comparés aux performances des sources respectives. Mots-clefs : Rendu des couleurs, confort visuel, qualité des éclairages, expérience subjective, DEL, DEL, UGR, IRC, CRI, éblouissement, carte de luminance. Abstract The ENG05 project funded by the European Research Metrology Programme (EMRP) addresses measurement aspects of both quantity and quality of new lighting such as solid- state lighting (SSL). The current Colour Rendering Index (CRI) of the CIE (International Commission on Illumination) fails to predict the subjective ranking of the lighting sources based on DEL (light emitting diode). Along with a study of colour rendering metrics based on an extensive computation of relevant metrics and colorimetric calculations, a study on visual comfort is performed and both are presented in this thesis. For interior lighting standards it doesn‟t exist a metric able to predict the visual comfort of an environment. Therefore, the aim of this study consists in a contribution to the human visual comfort characterization according to various realistic configurations considering the comparison between DEL luminaries and traditional lighting technologies (fluorescent, halogen). The analysis of the results DEL to develop a model which could be deemed worthy of consideration by CIE. Keywords: color rendering, visual comfort, lighting quality, subjective experiment, DEL, UGR, CRI, glare, luminance maps. IV Table des matières INTRODUCTION AUX TRAVAUX DE LA THESE ................................................................................. 1 PREMIERE PARTIE : LA VISION ET LES SOURCES LUMINEUSES ........................................................ 5 PHYSIQUE DE L’INFORMATION LUMINEUSE .............................................................................................. 7 CARACTERISTIQUES DES ONDES LUMINEUSES ET DES PHENOMENES OPTIQUES : ....................................................... 7 HISTORIQUE ................................................................................................................................................ 7 LA REFRACTION ............................................................................................................................................ 8 POLARISATION ........................................................................................................................................... 10 DUALITE ONDE/CORPUSCULE ....................................................................................................................... 11 LES GRANDEURS PHOTOMETRIQUES ............................................................................................................... 12 NOTION DE TYPE DE SOURCES : ..................................................................................................................... 17 SYNTHESE DES COULEURS ............................................................................................................................ 19 TEMPERATURE DE COULEUR PROXIMALE (TCP) ............................................................................................... 21 VISION HUMAINE ........................................................................................................................... 25 PRINCIPE DE L’ŒIL ...................................................................................................................................... 25 PHYSIOLOGIE DE L’ŒIL ................................................................................................................................. 27 PHOTORECEPTEURS .................................................................................................................................... 31 LES TYPES DE VISION ................................................................................................................................... 35 LA VISION DES COULEURS ............................................................................................................................ 36 LES ESPACES COLORIMETRIQUES DE LA CIE ..................................................................................................... 39 ADAPTATION DE L’ŒIL. ................................................................................................................................ 41 PROPRIETES PHYSIQUES ET CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DES ECLAIRAGES ................................................. 43 LA LAMPE A FILAMENT : DU TUNGSTENE A L'HALOGENE .................................................................................... 43 LES LAMPES A DECHARGE: LES FLUO ET LES LAMPES A HAUTE PRESSION ................................................................ 45 DIODES ELECTRO-LUMINESCENTES ................................................................................................................ 47 DEUXIEME PARTIE : CARACTERISATIONS PHYSIQUES ET QUALITE DES ECLAIRAGES ....................... 53 CARACTERISATIONS DES ECLAIRAGES .................................................................................................... 54 LES MOYENS DE CARACTERISATIONS PHYSIQUES ET LEURS ETALONNAGES .............................................................. 54 DEVELOPPEMENT DES OUTILS DE CARACTERISATION ................................................................................ 62 GONIOCAM ............................................................................................................................................... 62 V TETE OPTIQUE ........................................................................................................................................... 70 ETAT DE L’ART DE LA MESURE DE LA QUALITE DES ECLAIRAGES ..................................................................... 72 LE RENDU DES COULEURS ............................................................................................................................ 72 LE CONFORT VISUEL.................................................................................................................................... 89 TROISIEME PARTIE : PRESENTATION DES EXPERIENCES SUBJECTIVES ............................................ 95 EXPERIENCE SUR LE RENDU DES COULEURS ............................................................................................ 96 DESCRIPTION DU SALON .............................................................................................................................. 96 PRESENTATION DES MESURES PHYSIQUES ...................................................................................................... 102 PRESENTATION DES RESULTATS .................................................................................................................... 109 EXPERIENCE SUBJECTIVE SUR LE CONFORT VISUEL : ................................................................................. 117 DESCRIPTION DES QUATRE CONFIGURATIONS................................................................................................. 117 BUT uploads/Science et Technologie/ rendu-des-couleurs-et-confort-visuel-en-particulier-led.pdf