Doc TB
le 1 juillet 2017
| Modifié le le 10 septembre 2021
La lumière visible est constituée par l'ensemble des ondes électromagnétiques capables d'activer les récepteurs photosensibles de l'œil humain. Leurs fréquences se situent approximativement entre 450 et 750 THz (térahertz). Par commodité, on parlera plus généralement en longueur d'onde : de 400 nm (nanomètre), à la limite des ultraviolets, jusqu'à 700 nm, aux frontières de l'infrarouge. La lumière dite "bleue" correspond à la partie du spectre située entre 420 et 500 nm environ. Si certaines sources lumineuses artificielles en émettent plus que d'autres, l'homme y est soumis quotidiennement de manière naturelle depuis les siècles des siècles. Amen.
La plus puissante lumière bleue – et de très loin – auquel le commun des mortels peut être exposé provient du soleil. Contemplez un ciel immaculé en plein été et vous en recevrez une bonne dose sur la rétine. Le spectre solaire démarre très bas dans les infrarouges (> 2 000 nm), s'amplifie largement dans le domaine du visible (400-700 nm) puis chute rapidement dans les ultraviolets (260-400 nm). Et heureusement : les photons commencent alors à disposer de suffisamment d'énergie pour altérer la matière. On parle ensuite de rayonnements ionisants, capables de provoquer des dégâts directs au matériel génétique (ADN). Au-delà des ultraviolets se trouvent les rayons X, gammas et d'autres choses fort déplaisantes produites par la radioactivité. Si la lumière bleue se trouve bien dans la partie la plus énergétique du spectre visible, elle ne fait pas partie des rayonnements ionisants. À la surface de la Terre, la partie du spectre solaire qui offre l'éclairement maximal coïncide parfaitement avec celui de la lumière visible. La sensibilité de nos yeux culmine aux alentours de 550 nm (vert jaune), pile au milieu de la bande couverte (400-700 nm) ; Charles Darwin vous expliquera mieux que moi le pourquoi du comment. Le soleil produit une lumière relativement uniforme quant à sa composition spectrale : on n'y trouve ni pics ni creux et toutes les longueurs d'onde sont présentes à des niveaux sensiblement égaux. Il n'en va pas de même pour l'éclairage artificiel.
De la torche aux LFC.
La technologie a largement évolué depuis qu'homo erectus eut l'idée géniale d'exploiter la combustion pour enfin voir le fond de sa grotte. Les débuts de l'éclairage artificiel "moderne" datent du XIXe siècle avec l'invention de la lampe à incandescence (industrialisée par Edison). Pendant près d'un siècle, il fallut se contenter d'un filament chauffé électriquement à 2 400 °C (2 700 kelvins) dans une enveloppe à vide pour produire de la lumière. Personne n'y voyait le moindre problème jusqu'à ce que Nicolas Hulot fasse remarquer que ces ampoules gaspillaient le précieux uranium de nos centrales. Et pour cause : comme on le voit sur le graphique ci-dessous, elles émettent une large part de leur rayonnement dans l'infrarouge invisible, ce qui provoque un rendement énergétique exécrable. Bref, Gaïa pas contente. Des déclinaisons dites "éco-halogènes", où le filament baigne dans de l'iode ou du bromure, existent également, mais n'offrent au final qu'un gain d'environ 30 % en termes d'efficacité. Elles seront bannies de l'Union européenne pour cette raison dès 2018. À partir des années 2000, l'accent fut mis sur les lampes fluocompactes (LFC). Il s'agit en fait du bon vieux tube fluorescent replié sur lui-même et adapté au format des ampoules classiques. Bien que dotées d'une efficacité très correcte, les LFC n'ont jamais provoqué l'engouement du public. Elles furent accusées – à tort – par les habituelles associations "anti" d'émettre trop d'UV, trop d'ondes nocives et d'inoculer la peste. Ou presque. Mais le grand public sera surtout rebuté par la qualité de l'éclairage, souvent digne d'une chambre mortuaire. Quant à Gaïa, elle ne supportera pas la présence de mercure indispensable à leur fonctionnement.
L'ère des LED.
Les diodes électroluminescentes (LED – light-emitting diode) s'apparentent sur le papier au Saint Graal de l'éclairage : pas de mercure, puissance instantanément disponible, longue durée de vie, faible tension d'alimentation (donc peu de perturbations électromagnétiques), excellent rendement, etc. Électroniquement parlant, son fonctionnement exact n'en demeure pas moins effroyablement complexe. Il s'agit d'une diode dotée d'un semi-conducteur constituant une jonction P-N classique (voir Canard PC Hardware HS no 7), mais qui produit un photon par recombinaison radiative. Vous voilà bien avancé. Retenez simplement que le secret de l'émission de lumière vient principalement du type de semi-conducteur utilisé. Dans les années 1960, Nick Holonyak, un chercheur de General Electric, découvre que l'utilisation de phospho-arséniure de gallium permet de générer une lumière rouge visible. C'est le début de l'ère des LED. Viendront rapidement, au cours des années 1970, les modèles orange et jaunes basés sur le même semi-conducteur, puis les verts (phosphure de gallium) et enfin les bleus (nitrure de gallium et carbure de silicium). Malheureusement, la luminosité des premières générations – bien trop faiblarde – ne suffisait pas pour de l'éclairage. Ce n'est qu'au début des années 1990 que deux chercheurs japonais mirent au point une LED bleue de forte luminosité basée sur du nitrure de gallium-indium (InGaN). Une véritable révolution qui leur vaudra le prix Nobel en 2014.De par leur fonctionnement, les LED n'émettent qu'un rayonnement monochromatique très étroit. Tous les modèles actuels exploitent l'invention précédente et se basent donc sur une LED bleue qui émet uniquement aux alentours de 450 nm. Pour obtenir du blanc, on y ajoute un revêtement doté d'un luminophore. Celui-ci absorbe une partie des émissions bleues et produit en contrepartie une lumière couvrant une bonne partie du spectre restant. En triturant savamment la composition du luminophore (la difficulté consiste à récupérer le maximum de vert), on parvient à obtenir une LED blanche convaincante. Si vous voulez briller dans les dîners germanopratins, il s'agit d'un composé de grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au cérium ou au néodyme. Le rayonnement primaire issu de la LED provoque un pic de lumière bleue dans le spectre. Son intensité dépend de la température de couleur que le fabricant cherche à obtenir. Pour l'éclairage domestique, le standard ultra-majoritaire – hérité des ampoules à incandescence – se situe aux alentours de 2 700 kelvins (K). On parle alors de "blanc chaud", avec un pic de lumière bleue largement contenu qui ne dépasse souvent pas celui des LFC. Mais on trouve également sur le marché des modèles "blanc froid" (4 000 K) et "lumière du jour" (5 800-6 500 K) dont la proportion de lumière bleue s'avère nettement plus importante. Certaines lampes torches disposent également de LED dites Royal Blue dont la température de couleur peut dépasser les 8000 K.
Rouge, vert, bleu = blanc
Une technique plus archaïque que les LED bleues à luminophore existe pour créer du blanc : la juxtaposition de LED bleue, verte et rouge. Il en existe dans un même package et on parlera alors de "LED RGB". Certains fabricants combinent les deux techniques pour obtenir des ampoules multicolores haut de gamme comme les Hue de Philips. Si l'on constate sur le spectre des pics propres aux LED bleues et rouges, la qualité de rendu des couleurs s'avère souvent meilleure que sur les LED blanches (mais au prix d'une efficacité inférieure). Cette particularité a assuré aux LED RGB une certaine popularité pendant longtemps pour le rétroéclairage des moniteurs LCD.
