Conférence Lumière de Bruno VINOUZE
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La lumière : de la torche à la LED [email protected] Page 1 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Définition de la lumière Il y a 2 théories pour décrire la lumière : • • Théorie ondulatoire (les ondes qui vibrent) Théorie corpusculaire (les photons) Une onde a une couleur définie par sa longueur d’onde. L’homme ne voit qu’une partie du domaine spectral (du violet au rouge). « Lire, c’est vivre en peine lumière » M. Saint Denis Page 2 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Le principe de la vision La suite des éléments nécessaires pour que l’homme voit un objet : une source de lumière + un objet + l’œil + le cerveau Source de lumière Illuminant Puissance émise Spectre (blanc) Page 3 Objet Œil Cerveau Filtre Photorécepteur Traitement d’image Absorption Réflectivité Forme Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 Luminosité (bâtonnets) Couleur (cônes) Résolution De la torche à la LED Assemblage couleurs Construction du relief Perception mouvements Les caractérisations d’une lumière Le flux de lumière : si on compare la lumière à de l’eau qui sort d’un arrosoir, c’est le débit d’eau qui coule. L’unité de flux est le Lumen (lm). Débit Flux L’intensité de la lumière c’est le débit d’eau qui sort dans une direction (dans un cône). L’unité de l’intensité est le Candela (Cd). θ Flux dans une direction Rendement Rendement lumineux lumineux == (lm/W) Page 4 Puissance lumineuse perçue [lm] Puissance consommée [W] Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED La lumière à travers les âges LED Eclairage à combustion Lampes électriques Lampe à gaz Lampe à pétrole Chandelle Lampe à huile Torche Soleil -15 000 -350 000 Page 5 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED -3000 0 2000 La lumière par la combustion Eclairage à combustion Lampe à gaz Lampe à pétrole Chandelle Bougie Lampe à huile Torche Soleil -350 000 Page 6 -15 000 -3 000 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 0 De la torche à la LED 1500 1800 Le soleil : source de lumière pour la Terre • l’Etoile du système solaire, âgée de 4,5 milliards d’années ; • Eclaire les Planètes dont la Terre à 150 106 Km (8 minutes 20 s de durée de parcourt) ; • Constitué d’hydrogène qui explose par fusion nucléaire (H2 en He, 109 bombes nucléaires) • Température de la surface du soleil = 2 106 °C, émission de lumière ; • Dans 10 milliards d’années le Soleil deviendra une Géante Rouge qui brûlera la Terre. Spectre solaire « Que d’hommes se pressent vers la lumière non pas pour mieux voir mais pour mieux briller » Nietzsche Page 7 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Eclairage indirect de la Terre par le Soleil La nuit, la Lune « s’allume » en réfléchissant les rayons du soleil vers la Terre. Les aurores polaires (boréales et australes) s’allument sous l’effet du flux de particules solaires ionisées qui traversent la magnétosphère en suivant des lignes de champ. Vidéo aurores polaires Luminance du Soleil = 1,6 x109 Cd/m2 Luminance de la Lune = 3 x103 Cd/m2 Page 8 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 « La preuve que la lune est habitée, c’est qu’il y a de la lumière » F. Blanche De la torche à la LED Le feu naturel comme éclairage • Au début, le feu vient des éclairs ou des volcans qui brulent la végétation. • L’homme s’empare de branches enflammées et alimente continuellement ce feu pour s’éclairer. « Fiat lux ! » Page 9 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Mais le feu naturel ne suffit plus… L’homme perçoit qu’il dort environ 8 heures par nuit. L’homme constate qu’une nuit d’hiver dure jusqu’à 14 heures. L’homme comprend qu’il lui faut de l’éclairage pour bénéficier des 6 heures de nuit pour être plus productif… Autres avantages de l’éclairage par le feu : - sécurité - chaleur - cuisson Page 10 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED L’homme maîtrise le feu • • L’homme sait allumer du feu à partir du Paléolithique (-350 000 ans). Il utilise des torches en bois puis imprégnées de résine ou de graisse. Luminosité faible et peu coûteuse, forte émission de carbone et de chaleur. Habitants des Vanuatu Vidéo « La guerre du feu » de Jean-Jacques Anneau Page 11 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 « Tous les hommes aiment avant tout la lumière, ils ont inventé le feu » G. Apollinaire De la torche à la LED La lampe à huile - 15 000 ans, lampe de pierre en cuvette avec graisse animale et mèche en tresse végétale (Néolithique pour l’art des cavernes). Puis, lampe en terre cuite avec huile végétale (Antiquité, Moyen-Age). Enfin, lampe métallique avec graisse de baleine. Rendement faible, intensité faible, lumière chaude et émission de carbone. Brûloir de Lascaux en grès rose Page 12 Lampe à huile en terre cuite Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Lampe du XVIIIème siècle à l’huile de baleine. La chandelle puis la bougie -3 000 ans : chandelle au suif (mélange de cire et graisse bœuf ou mouton) ; XVIèm bougie en cire (cierge), XIXèm optimisation de la cire ; Les bougies peuvent être assemblées sur des bougeoirs ; Rendement faible, lumière chaude, émission de carbone. « L’expérience est une lumière qui n’éclaire que soi » Lao-Tseu Page 13 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED La lampe à pétrole 1800 : lampe métallique à pétrole distillé (pétrole lampant) ; 1850 : lampe améliorée avec une mèche en coton et un tube en verre ; Réglage de l’intensité par la hauteur de la mèche ; Pour l’extérieur : la lampe tempête ; Rendement moyen, lumière chaude, émission carbone. Page 14 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED La lampe à gaz 1800 : combustion d’un gaz par un brûleur perforé réglable en intensité ; Premier système d’éclairage individuel à alimentation collective ; Début XIXème: réverbère utilisé massivement pour l’éclairage public. Rendement faible, lumière chaude, émission de carbone et d’eau. « La civilisation nous donne des lumières plutôt que des vertus » H. Becque Page 15 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED La lumière à travers les âges LED Eclairage à combustion Lampes électriques Lampe à gaz Lampe à pétrole Chandelle Lampe à huile Torche Soleil -15 000 -350 000 Page 16 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED -3000 0 2000 La lumière avec alimentation électrique LED Ampoule à vapeur de Mercure ou Sodium 20% de l’électricité est transformé en lumière Tube fluorescent Ampoule à halogène Ampoule à filament Soleil 1900 Page 17 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 1960 De la torche à la LED 1970 1980 2010 Le réseau pour l’éclairage électrique Dans les années 1930, arrivée de la « fée électricité ». L’éclairage électrique nécessite un réseau de la production aux particuliers. Production d’énergie Nucléaire Thermique Barrage Eo / hydrolienne Photovoltaïque Page 18 Transport d’électricité Très haute tension Haute tension Moyenne tension Basse tension Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Circuit privé Tableau électrique Fils électrique Interrupteur Lampe Douille Ampoule Abat jour La représentation des couleurs Les couleurs sont des zones du spectre visible représentées sur un triangle selon des coordonnées (CIE 1931) Le blanc est la somme d’au moins 3 couleurs : rouge, vert, bleu La température de couleur représente la coloration du ‘’blanc’’ • Un blanc un peu jaune a une température basse (< 3000 K) • Un blanc un peu bleu a une température élevée (> 4000 K) Page 19 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED ∞ La lampe à incandescence à filament Inventé en 1878 en Angleterre puis optimisée par T. Edison Lampe à filament dans une ampoule fermée contenant un filament de Tungstène et du gaz neutre (Azote puis Argon, Krypton) Le passage du courant électrique échauffe le filament à 2 500 °C par effet Joule. Cet échauffement génère un rayonnement de lumière visible. Faible rendement 10 Lumen/Watt (< 20 %), durée de vie : 1 500 heures. Lumière chaude = température de couleur basse Page 20 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED La lampe à incandescence à halogène Lampe à filament Tungstène et ampoule de quartz contenant du gaz de la famille des halogènes (Iode et Brome) Le passage du courant électrique échauffe le filament à 2 900 °C Cet échauffement génère un rayonnement intense de lumière visible. Rendement 30 Lumen/Watt, durée de vie 4 000 heures, forte consommation. « Le courage est la lumière de l’adversité » Vauvenargues Page 21 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Le tube fluorescent Inventé vers 1930, électrodes + des gaz rares (Néon) + luminophores : • Tube de verre avec des contacts électriques ; • L’intérieur du tube est recouvert d’une poudre de luminophores R, V et B ; • Le tube contient des gaz rares (Xénon + Néon) et un peu de Mercure ; • Sous haute tension (300 V), le gaz s’ionise et émet des UV ; • Les UV viennent exciter les luminophores qui émettent de la lumière visible. Tube en verre Luminophores Emission d’UV Décharge gazeuse Electrode Emission de lumière Page 22 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED La lampe fluorescente Durée d’allumage assez longue, ensuite stabilisation ; Effet de papillotement sauf si 2 tubes sont en opposition de phase ; En 2 000 : développement de lampe fluo-compacte ; Rendement 80 Lumen/Watt, durée de vie 20 000 heures ; La température de couleur est ajustée par la concentration respective de luminophores R, V et B. « Des mots rayonnants, des mots de lumière, avec un rythme et une musique, voilà ce qu’est la poésie » T. Gautier Page 23 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Lampes à décharge de gaz (Mercure, Sodium) Arc électrique entre deux électrodes proches ; Ampoule contenant des halogènes (Chlore, Iode, Brome) et un peu de Mercure ou de Sodium (émission orange à 590 nm) ; Utilisé pour l’éclairage public ; Allumage très long, durée de vie 20 000 heures ; Rendement vapeur de Hg = 40 Lumen/Watt et Na = 150 Lumen/Watt. Source : http://www.astro.ulg.ac.be/~demoulin/pollum/lampes.htm Page 24 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Les diodes électroluminescentes - LED Acronyme : Light Emitting Diode (DEL : Diode Electro-Luminescente) 07 Octobre 2014 : prix Nobel de physique à Nakamura, Akasaki et Amano pour leur travaux sur les LED bleues ! Dans les années 1990, ils ont fabriqué le premier semi-conducteur qui émet une lumière bleu (le rouge et le vert existent depuis 40 ans). Conséquences : potentiel de LED blanche (R V B ou B J) et laser bleu pour DVD blu-ray (densité de données multipliées par 4). Shuji Nakamura Page 25 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Technologies de LED blanches La gestion du blanc avec des LED 1) Emission simultanée de 3 LED : R + V + B 2) 1 seule LED + mélange de luminophores • 1 LED de grande surface émet des UV • Les luminophores sont excités par les UV • En se désexcitant, les luminophores émettent du R,V et B • • • Composant électronique tout solide à semi-conducteur de qq mm; Courant continu (20 mA) et faible tension (qq 10 volts) ; Convertisseur de tension intégré dans le culot de l’ampoule ; Peu d’échauffement et faible consommation ; Durée de vie 50 000 h, efficacité lumineuse 30-100 Lumen/W, allumage instantané. Page 26 Bruno 6082 FibresVinouze optiques UMR 6087 De la torche à la LED Comparaison des performancesRendement des lampes lumineux Rendement (lm/W) Durée de vie (H) 0,2 1 Lampe à incandescence à filament 10 - 15 1 000 Lampe à halogène 20 - 40 3 000 Lampe fluorescente 50-80 20 000 Lampe à arc (lampe au Xénon) 40 20 000 Lampes à vapeur de Sodium 150 20 000 30 - 100 50 000 Type Bougie (combustion) LED blanche « Le temps met tout en lumière » Thales Page 27 Bruno 6082 FibresVinouze optiques UMR 6087 De la torche à la LED Lumière intérieure et décoration LED ou lampe à halogène Page 28 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Lumière et travail, lumière et loisirs Lampe à halogène, tube fluorescent, lampe à vapeur de Hg Page 29 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Lumière et signalisation La signalisation lumineuse aide à la sécurité et à l’information (tube néon, lampe à halogène ou LED) Page 30 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Lumière et signalisation des côtes Exemple du phare de Créac’h : • Lampe à arc de forte puissance (4 X 2 000 W) ; • Lentille de Fresnel : concentre la puissance dans la direction focale (D = 68 Km) ; • Support rotatif : éclairage sur 360 ° et occultation ; • De 1816 à 1831, les naufrages passent de 161 à 39 par an. « La vie c’est çà, un bout de lumière qui finit dans la nuit » L. F. Céline Page 31 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Lumière et éclairage public Lampe à vapeur de Hg ou Na et LED Page 32 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Lumière et illumination de la ville LED et lampe à halogène Page 33 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Lumière et spectacle Lampe à halogène « Il y a des yeux qui reçoivent la lumière et d’autres qui la donnent » P. Claudel Page 34 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED Conclusion Evolution de l’homme et amélioration des techniques d’éclairage. Au XXème, l’électricité a permis les progrès considérables de l’éclairage. LED : excellent compromis consommation-coût-efficacité-puissance. ? Page 35 Bruno FibresVinouze optiques UMR 6082 De la torche à la LED
