Le mythique luminaire « sans scintillement »

Pour favoriser un éclairage approprié grâce à des mesures et à une bonne compréhension

rédigé par Daniel Murby, ingénieur optique sénior

Qu'est-ce qu'un scintillement?

Tout le monde a déjà fait l'expérience d'un léger scintillement. Qu'il soit remarqué ou non, un léger scintillement désigne le changement d'intensité de lumière visible en fonction du temps. Les scintillements ne sont toutefois pas tous égaux, et chaque observateur y réagira de façon différente. L'industrie de l'éclairage décrit ce comportement de la lumière à l'aide d'un terme générique : « artéfacts de lumière temporelle » (TLA). Ces TLA se divisent en deux sous-catégories : 1) scintillement et 2) effets stroboscopiques. Le scintillement catégorise les modulations de lumière à basse fréquence et à grand impact que la plupart des occupants perçoivent facilement. Le scintillement entraîne des conséquences néfastes pour la santé, notamment des maux de tête et des étourdissements. Dans les applications nécessitant une acuité visuelle de haut niveau, comme la fabrication, le scintillement peut être dangereux. Les effets stroboscopiques, pour leur part, sont plus nuancés et apparaissent à des fréquences plus élevées. Ces effets tendent à se manifester lorsque des objets ou des sources de lumière se déplacent à grande vitesse - par exemple dans les sports ou dans la conduite d'un véhicule motorisé.

Même s'il existe des applications justifiées dans lesquelles le scintillement est privilégié ou avantageux, comme l'éclairage des véhicules d'urgence ou les stroboscopes destinés au divertissement, la grande majorité des applications d'éclairage cherchent à réduire au minimum le scintillement et ses effets. Pour atteindre ce but, il faut bien comprendre les origines du scintillement, la façon de le mesurer et la manière de mettre en place des solutions d'atténuation.

D'où provient le scintillement?

Une source de lumière, qu'elle soit à DEL ou autre, ne comporte pas naturellement de scintillement. Celui-ci provient plutôt de la transmission électrique, de la conversion et du système de commande auquel la DEL est branchée. Même si le scintillement se manifeste visuellement au niveau de l'émission lumineuse, il apparaît en réalité en fonction de la tension. L'alimentation fournie par les lignes de transmission typiques est sous forme de courant alternatif (CA) (une forme d'ondes sinusoïdales habituellement d'une fréquence de 50 et 60 cycles par seconde, ou hertz [Hz]). Il est impossible d'alimenter des DEL par une tension alternative. L'apport énergétique doit plutôt être converti en courant continu (CC). Ce processus de conversion est géré par l'alimentation électrique. Dans la majorité des cas, l'alimentation électrique renverra une fréquence de scintillement équivalant au double de la fréquence secteur en raison du mode de correction ou de rectification de la puissance sinusoïdale. Il est par exemple très courant d'enregistrer des fréquences de scintillement de 100 Hz sur les marchés européens et de 120 Hz sur les marchés nord-américains, puisque ces marchés fonctionnent à des fréquences de secteur de 50 Hz et de 60 Hz, respectivement.

Outre la conversion de la puissance, l'autre grande source de scintillement de tension induite prend naissance au moment de la diminution d'intensité d'un produit d'éclairage à DEL. D'autres caractéristiques de scintillement pourraient apparaître, selon le système de gradation et sa compatibilité avec le luminaire, surtout lors du recours à des niveaux d'éclairage à intensité réduite. Une méthode de gradation répandue dans de nombreuses solutions d'éclairage à contrôle numérique consiste à utiliser une modulation d'impulsions en durée (MID). Dans un système à MID, la réduction de la luminosité perçue est obtenue par un basculement rapide du DEL sous et hors tension. Le niveau d'éclairage perçu correspond au pourcentage de temps écoulé en position « sous tension ». Puisque les états faible (« hors tension ») et élevé (« sous tension ») sont prédéterminés, la technique d'atténuation du scintillement prévu est censée accroître la fréquence de basculement; cette méthode nécessite toutefois plus de matériel électrique coûteux, entraîne une génération de chaleur accrue (autrement dit, un rendement électrique plus faible) et, dans certains cas, pose un risque de génération de bruit audible.

Comment mesurer le scintillement?

Il existe dans l'industrie plusieurs techniques pour mesurer le scintillement, dont chacune possède diverses propriétés positives et négatives. Une évaluation réussie du scintillement doit essentiellement tenir compte de trois caractéristiques : l'amplitude, la fréquence et la forme d'ondes de la modulation de la lumière.

Pourcentage de scintillement

Probablement la technique de calcul la plus simple, le pourcentage de scintillement sert à mesurer l'amplitude du scintillement perçu. Le pourcentage de scintillement se calcule en soustrayant la valeur minimale de l'émission lumineuse de sa valeur maximale, et en divisant ce résultat par la somme de ces deux valeurs. Cette différence est ensuite convertie en pourcentage. Bien que ce calcul soit simple et corresponde à l'amplitude, le pourcentage de scintillement ne tient compte ni de la fréquence ni de la forme d'ondes, et il ne peut servir à lui seul à caractériser les artéfacts de lumière temporelle. Au mieux, un pourcentage de scintillement pourrait fournir une estimation relative de la propension d'un luminaire au scintillement - au pire, il entraînerait la mise à l'écart d'appareils d'éclairage convenables, comme ceux dotés de systèmes de gradation à MID.

Indice de scintillement

L'indice de scintillement aborde l'évaluation en calculant d'abord l'émission lumineuse moyenne pour un cycle de scintillement donné. Il calcule ensuite l'aire totale sous la courbe de l'onde du dessus, et l'aire totale sous celle de l'émission lumineuse moyenne. Pour terminer, l'aire totale au-dessus de l'émission lumineuse moyenne est divisée par la somme des deux aires. Cette méthode a l'avantage de reposer sur des calculs relativement simples, mais tient compte de la forme de l'onde plutôt que de ne considérer que les valeurs d'amplitude, comme le pourcentage de scintillement. L'indice de scintillement est habituellement présenté sur une échelle de 0 à 1, le score le plus faible correspondant à une plus faible perceptibilité du scintillement.

Analyse du domaine de fréquence

Les plus récentes techniques de mesure du scintillement, notamment la mesure de visibilité de l'effet stroboscopique et la perception du scintillement, présentent une différence critique par rapport à l'indice de scintillement et au pourcentage de scintillement. Ces « mesures de perception » reposent plus particulièrement sur la transformée de Fourier de l'émission lumineuse, qui convertit cette émission d'un domaine de temps à un domaine de fréquence. Cette conversion tient compte à la fois de la fréquence et de l'amplitude, ce qui crée une représentation plus complète de la perception d'un scintillement lumineux. Une transformée de Fourier sectionne les signaux compliqués de l'émission lumineuse en « blocs de construction » à fréquence constante, ce qui permet d'évaluer une source lumineuse par rapport à la présence de scintillement à des fréquences connues, pour causer des problèmes aux occupants. Afin d'obtenir un score significatif, les mesures de perceptibilité du scintillement sont comparées aux fréquences fondamentales à l'aide de données empiriques entourant l'impact sur l'être humain. Il est possible de pondérer ces fréquences en fonction des résultats d'un test empirique de perception humaine, afin de déterminer le risque d'impact négatif sur les occupants humains. Bien que les tests empiriques soient empreints de subjectivité, ils permettent de comparer directement des sources de lumière entre elles et, souvent, de simplifier le choix des sources de lumière. Certaines de ces mesures, comme la perception du scintillement, limitent la plage de fréquences à ce qui correspond à un scintillement, c'est-à-dire habituellement < 120 Hz. D'autres mesures, comme la norme PAR1789-2015 de l'IEEE, étendent la plage de fréquences jusqu'à 1000 Hz afin de tenir compte également des effets stroboscopiques. L'analyse du scintillement par domaine de fréquence comporte plus d'essais et d'analyse de données que les scores de scintillement précédents, comme l'indice et le pourcentage de scintillement, mais en combinant les variations de l'amplitude et de la fréquence, ces mesures procurent la plus importante quantité d'information sur la performance du luminaire.

Le luminaire « sans scintillement »

Il n'est pas inhabituel de voir des luminaires commercialisés sous la mention « sans scintillement », surtout lorsqu'il s'agit de DEL. Bien que cette étiquette puisse atténuer une certaine anxiété suscitée par l'adoption de la technologie à DEL, ces déclarations sont parfois trompeuses. Presque toutes les sources de lumière, qu'il s'agisse d'une chandelle, d'une ampoule incandescente ou d'un luminaire à DEL, présentent des variations de l'émission lumineuse au fil du temps et, par conséquent, un scintillement. Cela s'avère particulièrement vrai en présence de luminaires alimentés par un courant alternatif - le filament produira un scintillement mesurable, puisqu'il réagit au courant alternatif qui l'alimente. Le vocabulaire utilisé devrait être modifié et les déclarations de type « sans scintillement » faites par les fabricants de luminaires ou de blocs et conducteurs d'alimentation, remises en question. Le but devrait plutôt être l'élimination des impacts néfastes du scintillement et des effets stroboscopiques sur l'environnement dans lequel les luminaires sont installés. Les deux voies essentielles pour éliminer l'impact du scintillement, plutôt que de cibler intrinsèquement le scintillement, consisteraient à abaisser le pourcentage de modulation et à accroître la fréquence. Les différences quant aux applications et aux budgets de projet nécessiteront divers niveaux de performance, mais tout espace occupé régulièrement devrait être conçu activement pour éliminer les risques d'exposition à une lumière artificielle qui scintille. Dans tous les cas, le traitement du scintillement exige de faire des compromis dans la conception, comme le coût et la taille de l'appareil d'éclairage - habituellement, une plus grande réduction du scintillement nécessitera plus de composantes électriques et des appareils d'éclairage plus coûteux. Lors de l'évaluation du mérite des affirmations sur le scintillement des luminaires, regardez à la fois le pourcentage de modulation et la fréquence, puisque ces deux éléments pris ensemble vous donneront une indication plus précise de la performance en matière de scintillement.

Cas spéciaux

Parfois, tenir compte de l'impact physiologique sur l'humain ne suffit pas, et la conception lumière exige des enquêtes supplémentaires sur le scintillement ainsi que la prise de précautions. La production télévisuelle et vidéo est une zone d'application critique. Il est important de surveiller le scintillement, dans ces situations, puisque l'équipement d'enregistrement pourrait « percevoir » un scintillement que l'œil ne détecte pas de façon naturelle, selon la fréquence d'image de l'enregistrement. Les reprises au ralenti souvent utilisées dans la télédiffusion d'événements sportifs, par exemple, nécessitent des fréquences d'image plus élevées qui pourraient exacerber le vacillement de l'éclairage du champ. C'est pourquoi les établissements de sports professionnels doivent respecter des lignes directrices rigoureuses quant aux sources de lumière à utiliser durant les événements télédiffusés. Selon la source de lumière utilisée, les caméras doivent parfois être « synchronisées » avec la source de lumière pour assurer des niveaux d'éclairage constants d'image en image. Lumenpulse conçoit une grande partie de ses appareils d'éclairage de sorte qu'ils utilisent des fréquences suffisamment élevées pour demeurer compatibles avec la production vidéo.

Conclusion

Lumenpulse se fie aux études sur le scintillement pour comprendre les caractéristiques de l'émission lumineuse et assurer l'obtention d'un éclairage de qualité supérieure dans toutes les applications. Le scintillement de la lumière, qu'il soit détectable à l'œil ou non, est susceptible de créer des problèmes dans les espaces occupés. Il est possible de réaliser un éclairage bien adapté grâce à une bonne compréhension de la nature du scintillement de la lumière et de la façon de le mesurer, ainsi qu'au couplage de la conception lumière à l'application escomptée. La recherche d'un luminaire « sans scintillement » n'est pas une quête qui en vaut la peine, et elle pourrait aboutir à des coûts plus élevés que ne le nécessite l'application d'éclairage. Lumenpulse préconise plutôt de comprendre votre application et les niveaux requis de scintillement afin de réduire au minimum tout impact néfaste. Cela comprend une parfaite compréhension des exigences en matière de conformité, pour l'espace couvert - la norme WELL, par exemple, présente une liste des exigences en matière de scintillement. Le scintillement continuera de gagner en importance, puisque les études et les spécifications relatives aux impacts sur les humains de la lumière artificielle se multiplient - investir dans un appareil de mesure de scintillement de qualité capable de donner les mesures exactes de scintillement et l'utiliser en tant qu'instrument pour prendre des décisions de conception, faire des évaluations de simulations et établir les qualités requises pour un produit constitue une étape importante pour tout fournisseur de services spécifiques.