Efficacité lumineuse ou rendu des couleurs, il faut choisir

Ce schéma sur l’évolution de l’efficacité lumineuse des sources de lumière a été publié à l’occasion de l’attribution du prix Nobel de physique 2014. C’était à Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura pour leurs contributions décisives à l’invention des LED émettant de la lumière blanche telles que largement commercialisées aujourd’hui. Toujours visible sur le site internet institutionnel des Prix Nobel, la figure montre l’évolution de l’efficacité lumineuse en fonction des technologies, de la lampe à l’huile jusqu’aux promesses des LED qui affichent un très optimiste 300 lm/W. La croissance hyperbolique de la courbe peut laisser croire à une limite infinie pour l’efficacité lumineuse. Pourtant, il n’en est rien.

Efficacité lumineuse

À ce stade, il est utile de rappeler la définition de l’efficacité lumineuse. Il s’agit du rapport entre :

• le flux lumineux rayonné, exprimé en lumen (lm), et
• la puissance électrique fournie à la lampe, exprimée en watts (W).

Le lumen est une unité photométrique définie par la Commission Internationale de l’Éclairage. Le lumen prend en compte la réponse du système visuel humain. Or, avec une source de 1 W, la quantité de lumière perçue ne peut être infinie : il y a une valeur maximale définie par convention à 683 lm. Cette efficacité lumineuse de 683 lm/W serait obtenue pour un rayonnement de type Laser, émettant à 555 nm, longueur d’onde pour laquelle l’œil est le plus sensible. Il s’agirait d’une lumière verte, très saturée, ce qui ne correspond pas exactement aux lumières blanches envisagées pour l’éclairage général.

Rendu des couleurs

L’indice de rendu des couleurs (IRC) permet de quantifier la possibilité des lumières blanches à restituer correctement les couleurs. Plus le spectre d’émission est riche, meilleur est l’IRC… mais au détriment du rendement énergétique.

Ce compromis entre l’efficacité lumineuse et l’IRC est particulièrement notable avec les lampes à décharge au sodium dont l’usage est très fréquent en éclairage public. Pour obtenir une lumière « plus blanche », un spectre plus riche, les fabricants ont augmenté la pression à l’intérieur des lampes ce qui signifie qu’il y a plus d’atomes de sodium et donc plus d’interactions entre atomes au moment de la décharge électrique.

Une lampe sodium haute pression standard, de couleur presqu’orangée, est très efficace (120 lm/W) mais avec un IRC particulièrement médiocre gravitant autour de 25. Les gammes supérieures, autrefois appelées « sodium blanc », offrent un IRC pouvant atteindre 80 mais pour une efficacité lumineuse autour de 40 lm/W seulement.

Pour les lampes à décharge entre 100 et 150 W utilisées en éclairage public – sodium et halogénures métalliques – l’efficacité lumineuse diminue si l’on souhaite obtenir un meilleur IRC, selon les valeurs données par les fabricants. En voici le graphique synthétique.

Aujourd’hui, les lampes LED émettant de la lumière blanche avec un IRC de 80 peuvent présenter une efficacité lumineuse sensiblement supérieure à 100 lm/W. Ces performances sont impressionnantes mais on est encore loin des 300 lm/W !

A suivre

Et si Edison n’avait pas dit son dernier mot ?

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• Simonot, S. Camélio, Efficacité lumineuse d’un rayonnement : un compromis avec l’IRC et la température de couleur, LUX, la revue de l’éclairage, n° 253 (2009) 52-58.