Vous souhaitez vous équiper d’un plafonnier à LED ? Vous travaillez dans le milieu médical ? Alors il vous faut absolument trouver un luminaire à LED qui respecte des normes drastiques pour assurer une lumière de qualité.
Il existe des LEDs et des LEDs ; toutes ne se valent pas, très loin de là. Découvrons comment faire pour être en mesure de choisir le bon plafonnier à LED pour le secteur médical, notamment grâce aux ellipses de McAdam et du SDCM et pourquoi il vous faut un plafonnier à LED qui est une valeur de 3 SDCM.
Une LED, c’est quoi ?
Nous avons tendance à penser que rien ne se ressemble plus que deux luminaires à LED. Pourtant, cela est faux, et peut avoir de profonde répercussion sur notre manière d’exercer votre profession.
Pour faire très schématique, une LED est un composant de type semi-conducteur. Dis autrement, la lumière produite par une LED n’est pas organique, contrairement à une source lumineuse conventionnelle. Les LEDs sont des composants électroniques : de très petites puces électroniques en cristaux semi-conducteurs.
A la différence d’une lumière conventionnelle, une LED produit directement la couleur pour laquelle elle est calibrée. Aucun filtre chromatique est nécessaire. Mais cela implique qu’une LED est en théorie capable uniquement de produire une lumière précise.
La fabrication d’une LED
Nous ne rentrerons pas ici dans le détail complet d’une LED. Contentons-nous de mettre le focus sur la partie qui va venir très grandement influencer la qualité de la lumière produite. 😊
Nous le disions en introduction, l’immense différence entre une lumière à incandescence et une LED réside dans le fait qu’une lumière à incandescence est produite à partir d’un fil ou d’un gaz. Avec les LEDs, nous travaillons avec la luminescence produite par des cristaux semi-conducteur.
La LED est sans conteste la plus grande révolution en matière de lumière depuis l’invention de l’ampoule à incandescence.
L’utilisation de la LED nous fait basculer dans ce que nous appelons l’optoélectronique.
Pour fabriquer des LEDs, nous suivons donc le processus classique de fabrication à grande échelle des semi-conducteurs, à savoir utiliser un wafer.
Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessous, un wafer est un disque extrêmement fin de matériau semi-conducteur comme le silicium. Un wafer vient servir de support à la fabrication des micro-structures du composant semi-conducteur, et donc des LEDs, par des techniques dites de gravures ou encore de déposition d’autres matériaux ainsi que le processus de photolithographie.
La fabrication de LED repose donc sur l’utilisation d’un wafer semi-conducteur, sur laquelle on ajoute une très fine couche semi-conductrice négative pour la base et une fine couche positive pour les trous. Lorsque l’on place l’ensemble sous tension, les électrons positifs passent vers les électrons négatifs. Le passage de l’un à l’autre libère de l’énergie qui se convertie sous la forme de lumière et de chaleur par les cristaux semi-conducteur.
Cette technique de fabrication industrielle sur base de wafer pose cependant un très gros problème : il est impossible de conférer sur l’ensemble du diamètre du wafer un flux lumineux et une chromaticité égale à toutes les LEDs.
Mais alors, comment est-il possible de fabriquer un luminaire à LED, qui ait des spécifications très précises en matière de flux lumineux et de chromaticité dans ce cas ?
Grâce à processus dit de binning ; un processus capital notamment pour les LEDs blanches.
Lumière blanche et LED
Il est possible d’obtenir une LED blanche de deux manières différentes, par mélange additif ou par conversion de luminescence.
Sans entrer dans les détails, comprendre cela permet également de comprendre en quoi le processus de binning est à ce point capital.
Si obtenir de la lumière blanche à partir d’une LED par mélange additif peut sembler clair de prime abord, la conversion de luminescence peut être un peu plus obscure.
Le mélange additif pour obtenir du blanc est une technique un peu datée. Elle consiste à produire une lumière blanche par mélange RVB. Cela implique à la fois que le fabricant choisisse des LEDs de très grandes qualités, pour être certain du flux lumineux, mais aussi de maitriser très précisément le mélange de l’ensemble. Du fait de ses points faibles, les LEDs blanches par mélange additif ont un Indice de Rendu des Couleurs moyen voir médiocre si l’on se place dans un contexte médical. Son IRC est seulement compris entre 70 et 80. Ce qui n’est clairement pas suffisant lorsqu’il est question d’avoir la certitude de bien discerner les couleurs vraies.
La conversion de luminescence est actuellement le processus le plus fréquemment rencontré lorsqu’il est question d’un luminaire LED à la lumière blanche à destination du monde médical. Le principe de la conversion de luminescence est de venir déposer une fine couche de phosphore au-dessus d’une LED bleue. Ainsi, grâce au jaune du phosphore, une partie de la lumière bleue est convertit en blanc. Cependant, cette technique impose une très grande maitrise dans son savoir-faire car la couche de phosphore doit être mesurée avec une très grande précision afin d’obtenir la couleur souhaitée (et être capable de le reproduire indéfiniment).
Le Binning
Comme nous venons de le voir, la production de LEDs ne permettait pas aujourd’hui une uniformité constante sur l’ensemble des LEDs produites à partir d’un même wafer. De plus, la production de LED d’un wafer à l’autre peut connaitre de faible variation de couleur et de luminance. L’un dans l’autre, cela fait qu’il est impossible d’avoir une production constante.
Mais comment les industriels font-ils pour proposer des luminaires à LED avec une lumière d’une qualité constante, sur toute la platine, et d’un luminaire à l’autre ?
Grâce au procédé de binning, qui se charge de qualifier la qualité de chaque LED produite.
Le binning est une technique de tri, qui classe les LEDs, en fonction de leur qualité de luminance et de couleur. Ainsi, chaque LED d’un même lot se retrouve dispatché au sein de groupe à la qualité plus ou moins proche. Plus le binning est fait de manière fine, plus le résultat est convaincant. Cependant, cela implique un coût pour l’industriel.
Ce processus de binning est particulièrement important lorsqu’il est question de LEDs blanches.
Le processus de tri de binning se fait généralement sur quatre axes :
- Le flux lumineux (ou lumen),
- La température de couleur, exprimé en Kelbins,
- La chromaticité,
- La tension en sens direct, exprimé en Volt.
Pour ce qui est du tri par flux lumineux, les choses sont plutôt simples. Chaque LED est testée de manière unitaire et triées en fonction du nombre de Lumens dans différentes gammes de flux lumineux.
Pour ce qui est du binning par température de couleurs, les choses sont plus complexes. C’est ici qu’interviennent les ellipses de McAdam et du SDCM.
SDCM et Ellipses de McAdam
Le binning par température de couleur est plus complexe, car à la différence du binning par flux lumineux, le binning par température de couleurs ne suit pas une fonction linéaire, mais fonctionne à partir d’ellipses.
Voici à quoi ressemble un diagramme de chromaticité, sur lequel va se reposer les ellipses de McAdam. Ce diagramme est aussi appelé diagramme CIE 1931.
Avant d’aller plus loin sur les ellipses de McAdam et du SDCM, il est intéressant de s’arrêter un instant sur la notion de température de couleur et température de couleur proximale.
Du fait d’une composition très variée en spectre électromagnétique, la lumière blanche propose une infinité de variation et de subtilités.
Normalement, on utilise le système CIE en XYZ (comme le schéma ci-dessus) et on reporte la position de la lumière sur ce diagramme de chromaticité. On vient ensuite évaluer cette position par rapport à des lignes d’égales température de couleur. La température de couleur proximale va plus loin, en définissant des segments de température de couleurs proximales. Cela est particulièrement utile pour les LEDs.
Voici à quoi ressemble la répartition des aires pour les couleurs proximales.
Seul avec le diagramme CIE 1931, il n’est pas possible de faire un binning de qualité. Pour ce faire, il faut utiliser le concept SDCM qui se caractérise par la taille des ellipses de McAdam. Petite explication.
Les ellipses de McAdam sont des ellipses qui viennent s’inscrire dans le digramme CIE 1931 comme cela par exemple :
Chaque ellipse représente un espace colorimétrique d’un même aspect. Dit autrement, la couleur située au centre d’une ellipse de McAdam ne peut être distinguée de toutes les autres couleurs contenues dans l’ellipse. On parle alors de zone de confusion colorimétrique visuelle. Il est à noter que la taille des ellipses de McAdam peuvent varier en fonction du résultat attendu par les industriel. Plus l’air occupé par l’ellipse est grand, plus la tolérance de l’industriel est grand ; plus l’ellipse est étroite, plus le résultat sera très proche d’une LED à l’autre.
On comprend tout de suite qu’un luminaire à LED dont le flux lumineux est précis, plus son prix sera élevé. En effet, il va falloir faire un tri très fin, et conserver uniquement quelques LEDs par wafer. Une haute qualité de flux lumineux impose donc encore un prix supérieur à un luminaire à LED qui serait bien plus permissif sur son flux lumineux.
Mais comment savoir si son luminaire à LED est construit à partir d’ellipses de McAdam étroites ou larges ? Grâce au SDCM.
SDCM (Standard Deviation Colour Matching)
Nous venons de le voir, plus les ellipses de McAdam sont étroites, et plus la qualité du flux lumineux est important. Le SDCM, ou standard deviation colour matching est un indicateur qui nous permet de tout de suite connaitre cette valeur.
Compris entre 1 et 8, cet indice permet de caractériser la taille de l’ellipse de McAdam. Chaque unité du SDCM donne ce que l’on nomme un pas. Comment cela fonctionne-t-il ?
Dans les années 40, McAdam définit des coordonnées dans l’espace pour lesquels 50% des sujets d’expérience ont observés une différence de couleur et 50% n’ont observé aucune différence. On parle alors d’un SDCM, qui représente une ellipse. Voila pourquoi nous pouvons compter en SDCM.
Chaque cercle du diagramme ci-dessus indique un pas.
Alors qu’une valeur d’un ou deux SDCM sont quasiment impossible à discerner par l’œil humain, une valeur de 8 est considérée comme étant très mauvaise. Généralement, on trouve facilement des luminaires de 4 ou 5 SCDM. Pour le milieu médical, il est fortement conseillé de partir sur un SDCM de 3, ce qui se fait de mieux pour la LED.
Conclusion
La LED est une véritable révolution dans notre quotidien. Mais si rien ne ressemble plus à une LED qu’une autre LED, nous avons pu voir que cela n’était pas du tout le cas. Si dans notre cuisine ou dans notre salon, cela est sans réelle importance, il en va tout autrement dans le milieu médical.
La grande variabilité dans le processus de production des LEDs imposes aux industriels d’avoir recourt au binnage ainsi qu’aux tests SDCM, qui eux-mêmes se basent sur les ellipses de McAdam.
Pour tout résumer : vous recherchez un luminaire à LED ? Alors le SDCM doit être égal à 3.
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