Laboratoire Commun de Métrologie 1
Diodes électroluminescentes (LED): Source pour l avenir J. Dubard A. Razet N. Pousset S. Kosmalski G. Ged A. Richard J-R. Filtz 2
LED: source pour l avenir SOMMAIRE Introduction Domaine d application Métrologie des LED Utilisation des LED en métrologie Conclusion 3
Introduction Principe de fonctionnement d une LED 4
Introduction Durée de vie 5
Introduction Effet thermique 6
Domaines d application Grand public 7
Domaines d application Affichage 8
Domaines d application Transport 9
Domaines d application Habitat 10
Domaines d application Habitat Application de la directive européenne EuP: Energy-using Products Disparition des lampes tungstènes dès 2009 80 lm/w X 10 à 20 lm/w 100 à 200 lm/w? 11
Métrologie des LED Caractérisation des diodes électroluminescentes (DEL) Qualité de la lumière Quantité de lumière Rendu des couleurs Intensité Flux lumineux Projet : «Diodes électroluminescentes : qualité et quantité de lumière» 12
Métrologie des LED Qualité de lumière Mesures physiques liées à la qualité de lumière des DEL La qualité du rendu des couleurs des sources est à l heure actuelle déterminée par l indice de rendu des couleurs (IRC) lié à la perception visuelle et dont le calcul est basé sur la mesure de la répartition spectrale des sources. Étudier la traçabilité de l IRC au système international d unités à travers des mesures spectrales de rayonnements et examiner les variations de cet IRC en fonction d un ensemble de paramètres physiques agissant sur l émission du rayonnement des sources dans des conditions de mesures visuelles d où l utilisation d une cabine. 13
Métrologie des LED: qualité de la lumière Etude préliminaire Étude des caractéristiques intrinsèques d une LED blanche Alimentation stabilisée en courant U Résistance Résistance Étalon R=100 Ω U LED LED Mesure du courant d alimentation i (U=R.i) 14
Métrologie des LED: qualité de la lumière Etude préliminaire Étude des caractéristiques intrinsèques d une LED blanche 1,1 26 1 24 0,9 22 Eclairement énergétique relatif 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Courant d'alimentation direct I F (ma) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 0,1 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Courant d'alimentation directe I F (ma) 0 2,25 2,40 2,55 2,70 2,85 3,00 3,15 3,30 Tension d'alimentation directe V F (V) 15
Métrologie des LED: qualité de la lumière Etude préliminaire Mesure de l intensité lumineuse d une LED blanche Mesures d intensité lumineuse d une LED blanche avec une incertitude type relative estimée à 0,6% Banc photométrique N. Pousset, A.Razet, G. Obein, A. Richard, J. Bastie, «Métrologie des diodes électroluminescentes», Métrologie 2007, Création poissonsoluble.com, juin 2007, sous forme de CD 16
Métrologie des LED: qualité de la lumière Cabine à lumière et systèmes d éclairage à DEL Cabine à lumière 17
Métrologie des LED: qualité de la lumière Cabine à lumière et systèmes d éclairage à DEL Installation de 60 LED (1W) de 6 types différents, - 3 blancs chauds - 2 blancs froids - 1 ambre Blanc froid (Lumileds) Blanc chaud (Lumileds) Blanc chaud (Seoul) et de l électronique associée. - Alimentations stabilisées en courant. - Résistances étalons Blanc chaud (Cree) Blanc froid (Seoul) Ambre (Lumileds) 18
Cabine à lumière et systèmes d éclairage à DEL Mesures spectrales relatives Métrologie des LED: qualité de la lumière Blanc froid 5 Blanc froid 3 Blanc froid 2 Blanc froid 1 Blanc froid 4 19
Métrologie des LED: qualité de la lumière Mesures spectrales relatives sur les éclairage à DEL Détermination des incertitudes sur les mesures spectrales à partir de la méthode de simulation numérique de Monte Carlo. Les incertitudes types relatives varient de 2% à 4% en fonction de la longueur d onde. N. Pousset, B. Rougié, A.Razet, «Uncertainty evaluation of LED measurement color by Monte Carlo simulations», Metrologia, 2009, à soumettre début avril 2009 20
Métrologie des LED: qualité de la lumière Mesures physiques et analyses métrologiques de paramètres colorimétriques associés à l apparence Détermination des paramètres colorimétriques coordonnées chromatiques de différentes DEL blanches température de couleur proximale indice de rendu des couleurs 21
Métrologie des LED: qualité de la lumière Mesures physiques et analyses métrologiques de paramètres colorimétriques associés à l apparence Analyse des paramètres colorimétriques en fonction des variations des spectres des DEL x y Paramètres colorimétriques T cp (K) Blanc froid 1 Moyenne Ecart-type 0,3237 0,0002 0,3268 0,0004 5934 11 Blanc froid 2 Moyenne Ecart-type 0,3201 0,0003 0,3325 0,0004 6098 17 R 1 72,8 0,8 63,5 0,8 Utilisation de la méthode de Monte Carlo R 2 R 3 R 4 R 5 74,2 72,1 74,3 73,3 0,8 0,6 0,5 0,7 78,6 83,0 60,6 63,3 0,7 0,3 0,6 0,6 R 6 64,3 0,9 65,3 0,9 R 7 77,8 1,0 80,6 0,7 N. Pousset, B. Rougié, A.Razet, «Uncertainty evaluation of LED measurement color by Monte Carlo simulations», Metrologia, 2009, à soumettre début avril 2009 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R 13 R 14 R a 65,2-9,7 36,1 73,0 43,9 71,5 83,8 71,7 0,8 0,6 1,0 0,4 0,4 1,1 0,4 0,3 50,9-50,5 43,8 49,8 32,6 67,4 90,2 68,2 0,7 0,6 0,9 0,5 0,5 0,9 0,3 0,2 R a_14 62,3 0,2 55,6 0,2 22
Métrologie des LED: qualité de la lumière Mesures physiques et analyses métrologiques de paramètres colorimétriques associés à l apparence Influence de l alimentation électrique sur les paramètres colorimétriques des DEL Spectres du système d éclairage blanc froid 2 dans le visible entre 425 et 475 nm lorsque celui-ci est alimenté en courant continu et en pulsé. PWM: Pulse Width Modulation 23
Métrologie des LED: qualité de la lumière Mesures physiques et analyses métrologiques de paramètres colorimétriques associés à l apparence Influence de l alimentation électrique sur les paramètres colorimétriques des DEL Ecarts sur la coordonnée chromatique x entre 100% (ou 99%) et 5% du courant maximal de 350 ma. Ecarts sur la coordonnée chromatique y entre 100% (ou 99%) et 5% du courant maximal de 350 ma. 24
Métrologie des LED: qualité de la lumière Mesures physiques et analyses métrologiques de paramètres colorimétriques associés à l apparence Influence de l alimentation électrique sur les paramètres colorimétriques des DEL Ecarts sur la température de couleur proximale entre 100% (ou 99%) et 5% du courant maximal de 350 ma. N. Pousset, B.Rougié, S. Aubert, A. Razet, «LED de puissance blanches : sources de lumière de demain», Métrologie 2009 Ecarts sur les indices de rendu des couleurs entre 100% (ou 99%) et 5% du courant maximal de 350 ma pour l éclairage blanc froid 2. N. Pousset, B.Rougié, A. Razet, «Colorimétrie des LED: incertitudes et paramètres d influence», Revue Française de Métrologie, à soumettre avril 2009 25
Métrologie des LED: quantité de lumière Quantité de lumière Moyens photométriques développés pour les DEL pour répondre aux besoins de mesures d intensité lumineuse et de flux lumineux + Intensité lumineuse Intégration Goniophotomètre pour DEL de référence Flux lumineux Sphère intégrante pour DEL de travail 26
Photométrie des LED GONIOPHOTOMETRE Détection Caméra DEL et support de DEL Platine de rotation Alimentation des moteurs Laser d alignement 27
Photométrie des LED GONIOPHOTOMETRE Support de LED 28
Photométrie des LED Goniophotomètre Caractéristique du photomètre Cellule LED 1.2 1 0.8 S(l) rel 0.6 Normalis V(l) 0.4 0.2 0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Longueur d'onde (nm) F 1= 1,8% 29
Photométrie des LED Goniophotomètre 30
Photométrie des LED Comparaison supplémentaire APMP-S3 Laboratoire pilote: KRISS (Corée) Participants: 16 (8 Euramet) Comparaison en étoile avec 8 jeux de LED 14 échantillons par jeu 12 LED classiques 2 LED spéciales Mesures Intensité lumineuse Flux lumineux Colorimétrie Début: 01/2008, Fin 10/2009 31
Utilisation des LED en métrologie Caractérisation en linéarité de détecteurs par la méthode d addition de flux 32
Utilisation des LED en métrologie Caractérisation en linéarité de détecteurs Réalisation d une source à LED 33
Utilisation des LED en métrologie Caractérisation en linéarité de détecteurs Réalisation d une source à LED 34
Utilisation des LED en métrologie Réalisation de sources à spectres variables Spectrally Tunable Source STS (NIST) «The Spectrally Tunable LED light Source Design and Development Issue», I. Fryc, S. W. Brown and Y. Ohno, NEWRAD2005, Davos Illuminant D65 (pointillé), STS (trait plein) 35
Conclusion Forte pénétration des LED dans notre quotidien Besoin d une métrologie spécifique Apparence (qualité de la lumière) Photométrie (quantité de lumière)- Comparaison APMP-S3 Applications multiples: nouvelles source en métrologie, essai et process industriels Projets en cours avec des partenaires institutionnels et industriels LED: source pour l avenir? OUI 36
Conclusion Merci de votre attention 37