Tout l’art de compartimenter

Un regard sur le passé et l’avenir de la compartimentation des DEL

rédigé par Dave Grassi, gestionnaire , ingénierie optique chez Lumenpulse

Le fait de compartimenter des DEL est le processus qui consiste à trier les DEL selon certaines caractéristiques, comme la couleur, la tension et la brillance. La norme C78.377-2017 de l'American National Standard for Electric Lamps (ANSI) fournit les dimensions des compartiments actuellement utilisés pour normaliser les points de couleur de toutes les DEL de lumière blanche. Le calcul de ces dimensions repose sur la température de couleur proximale (TCP) et la distance par rapport au lieu de Planck (ou lieu des corps noirs).

Le dorénavant très connu espace colorimétrique XYZ, d'abord mis au point par la Commission Internationale de l'Éclairage (CIE) il a près de 90 ans, associe mathématiquement toute la gamme des couleurs visibles et leur façon de se mélanger dans les applications d'éclairage. À l'extérieur de l'espace colorimétrique se trouvent les couleurs saturées, ROJVBIV; vers le milieu se loge la région pastel, et au centre, l'espace blanc. La courbe du milieu représente le lieu de Planck, qui correspond à la chromaticité qu'affiche un radiateur intégral (p. ex. le soleil) à mesure que la température change.Dans l'espace colorimétrique de la CIE de 1931, ces températures physiques sont jumelées à la couleur qui s'en rapproche le plus, avant de recevoir une TCP spécifique. Cela constitue le fondement de toutes les TCP standard que nous utilisons de nos jours dans le domaine de l'éclairage général. Assurer un éclairage de qualité repose en grande partie sur l'obtention de l'uniformité en matière de chromaticité. David MacAdams, Ph. D., a réalisé de nombreuses expériences pour établir exactement la nature d'un seuil différentiel entre deux couleurs en invitant les sujets de son essai à comparer différents échantillons de couleur jusqu'à ce que deux d'entre eux soient appariés. S'entend par seuil différentiel l'atteinte d'un partage égal de l'opinion de tous les sujets d'un essai, et ce, qu'il soit ou non possible de détecter une différence entre les deux échantillons de couleur. M. MacAdams a découvert que dans tous les essais, les couleurs appariées se retrouvaient à l'intérieur d'une ellipse dont la taille et l'orientation variaient en fonction de l'emplacement qu'elle occupait dans l'espace colorimétrique. Cette ellipse est à la base de toute la compartimentation actuelle, qui définit la chromaticité d'un appareil d'éclairage en tant que déviation. Une ellipse de 1 déviation correspond à une déviation normale par rapport à cette couleur cible, et aux extrémités de cette ellipse, une grande partie des sujets de l'essai ne devraient pas être en mesure de déceler une différence. Une ellipse de 3 déviations correspond à trois déviations normales par rapport à cette couleur cible, et aux extrémités de cette ellipse, presque tout le monde (ayant une vision normale) devrait déceler la différence.

Ces connaissances ont par la suite été intégrées pour assurer une chromaticité uniforme relativement aux anciennes sources de lumière blanche, comme l'éclairage incandescent et fluorescent. Les fabricants faisaient en sorte que leurs sources d'éclairage se trouvent dans une ellipse à 4 déviations de la ligne d'un corps noir pour une TCP donnée, ce qui était réputé acceptable, même si la plupart des observateurs étaient en mesure de déceler la différence de couleur d'un appareil d'éclairage à un autre s'ils étaient dans la même ligne droite. Lorsque les DEL à lumière blanche ont fait leur apparition, cette norme était écrite de manière à accorder le plus de rendement possible aux fabricants de DEL et, pour ce faire, le recours à des quadrangles à 7 déviations a remplacé celui des ellipses de MacAdam. La logique derrière cette décision était que même si nous utilisons des ellipses de MacAdam pour décider de l'acceptabilité d'une variation de couleur, les quadrangles peuvent combler les lacunes laissées par les ellipses. Ces compartiments n'auraient pas nécessairement d'utilité en eux-mêmes pour créer des températures de couleur normales, mais permettent aux fabricants de DEL d'accroître le rendement global et leur procurent la flexibilité requise pour créer des régions de chromaticité propres à un client, en plus de plus grandes possibilités, dans l'ensemble, en ce qui a trait au mélange de divers compartiments en vue de créer des TCP standard.

Compartimenter ou ne pas compartimenter, voilà la question

Figure 2 - Exemple de calculs pour le mélange de deux compartiments d’un quadrangle de 3000K afin d’obtenir une chromaticité moyenne finale au centre de la ligne d’un corps noir.
Figure 2 - Exemple de calculs pour le mélange de deux compartiments d’un quadrangle de 3000K afin d’obtenir une chromaticité moyenne finale au centre de la ligne d’un corps noir.

Depuis l'avènement de la fabrication de DEL à lumière blanche, chaque fabricant a apporté sa propre touche à la compartimentation afin de se démarquer de ses concurrents. La structure la plus souvent utilisée est appelée communément 1/16 ANSI C78.377. Elle a recours au quadrangle à 7 déviations standard pour fixer les limites extérieures, qu'elle répartit ensuite en 16 quadrangles.

Cette structure procure 16 points de couleur uniques à l'intérieur d'un simple quadrangle de TCP, ce qui permet d'optimiser les rendements puisque les DEL fabriquées se retrouvent presque toutes dans un de ces compartiments.

Elle a l'avantage d'offrir une marge de manœuvre à l'intérieur du processus de compartimentation, en cela qu'il est possible d'obtenir des points de couleur intermédiaires (3250K) avec une extrême précision.

Certains fabricants d'éclairage considéreront toutefois la flexibilité de ce processus par rapport aux difficultés de gestion d'un système d'inventaire aussi sophistiqué. Ces derniers opteront plutôt pour l'établissement de sources d'approvisionnement dans les seuls compartiments équivalant aux ellipses de MacAdam à 3 déviations, dans la courbe du corps noir. Maintenant, pour la majorité des applications générales, l'industrie de l'éclairage s'attend à retrouver pour le moins ce niveau d'uniformité de la couleur d'un produit à l'autre. Ce système présente entre autres avantages celui de l'uniformité des points de couleur résultants sans avoir à compartimenter de nouveau d'un lot à un autre. En revanche, il a l'inconvénient de comporter des coûts additionnels relativement à l'approvisionnement dans ces compartiments, ainsi qu'une limitation des stocks de DEL disponibles qui entraîne parfois de longs délais de mise en production pour le fabricant. Le problème ultime vient du fait qu'en raison de la compartimentation en 3 déviations, les appareils d'éclairage sont distants de 6 déviations d'ellipses de MacAdam les uns des autres.

Les écarts de compartiments

La majorité des produits à DEL font appel à de multiples DEL pour composer un seul appareil d'éclairage, ce qui permet de mélanger plusieurs DEL de différents compartiments et de les intégrer à la distribution en faisceau. Un fabricant capable de mettre en place du système de gestion pour le mélange de ces différents compartiments dispose de possibilités infinies. Comme nous l'avons indiqué dans l'introduction, la population générale peut détecter des différences de couleur de l'ordre de 3 déviations, voire de 2 déviations si les appareils d'éclairage sont à proximité l'un de l'autre; alors pourquoi est-ce la norme de l'industrie? La réponse simple est que la plupart des fabricants n'ont pas les connaissances en gestion des stocks ou le savoir-faire technique requis pour offrir des produits compartimentés en toute confiance, avec rapidité et précision, tout en tenant compte de l'application. Il serait possible de mettre au point des solutions logicielles qui tiendraient entièrement compte de la chromaticité de chaque DEL, mélangeraient les DEL sur un panneau pour obtenir moins de 2 déviations par rapport au point de couleur idéal, créeraient des points de couleur personnalisés et tiendraient même compte de l'application de l'appareil d'éclairage.

Nous compartimentons, encore et toujours, quoi qu'il advienne.

L'appareil d'éclairage montré ici est compartimenté afin d'obtenir des ellipses de MacAdam à 2 déviations pour l'ensemble de l'appareil, mais dans l'application, la distance entre l'appareil d'éclairage et la surface cible n'est pas suffisante pour permettre l'intégration de chaque DEL, ce qui fait en sorte que la compartimentation de chaque DEL est ici visible.  Dans ce cas, l'appareil d'éclairage est utilisé pour un effleurement lumineux, en faisant appel à une distribution d'optiques particulière; le fabricant doit s'approvisionner à un seul sous-ensemble de compartiments pour s'assurer qu'aucune différence ne sera visible au niveau des DEL.

Lumenpulse est à l'avant-garde de la compartimentation des DEL depuis sa fondation et, fort de l'expérience acquise, tient compte de tous les facteurs mentionnés plus haut dans la mise au point d'un produit final. Le fait de pouvoir accepter la totalité des produits de ses fabricants de DEL approuvés procure à l'entreprise les délais de mise en production les plus rapides possible pour ses appareils d'éclairage. Lumenpulse peut exercer un contrôle supérieur sur son stock de DEL et sur les délais de mise en production, tout en offrant au client final une uniformité de couleurs et une marge de manœuvre inégalées.