Comment organiser un laboratoire photométrique ?

Partie 2 : la sphère d’intégration

Les sphères d’intégration sont l’un des instruments de base pour mesurer les sources lumineuses, les lampes et les luminaires. Traditionnellement, une sphère d’intégration est également appelée sphère d’Ulbricht, et son nom vient du nom de l’ingénieur allemand Richard Ulbricht, qui lors de la préparation de l’électrification et de l’éclairage d’une gare a traité des mesures photométriques afin de trouver la meilleure méthode d’éclairage [1]. Il a prouvé que l’éclairement mesuré sur la paroi de la sphère dans laquelle est placée la source lumineuse est proportionnel au flux lumineux total de la source lumineuse.

Aujourd’hui, les sphères d’intégration, couramment utilisées en photométrie et radiométrie, permettent une comparaison fiable du flux lumineux de différentes sources lumineuses, lampes et luminaires.

Cette partie de l’article sur l’organisation d’un laboratoire photométrique se concentrera sur les types de sphères d’intégration et abordera les problèmes techniques qui sont importants pour la mesure et l’évaluation des produits d’éclairage. Les questions liées aux conditions qui devraient prévaloir en laboratoire seront discutées et des conseils pratiques seront donnés, particulièrement utiles dans la sélection et le fonctionnement des systèmes de mesure.

Pourquoi utiliser une sphère d’intégration et quelles valeurs peuvent y être mesurées ?

Les propriétés de la sphère d’intégration permettent une comparaison relativement simple et rapide des paramètres photométriques des différents produits d’éclairage. Un objet placé dans la sphère peut être mesuré en quelques secondes (en dehors du temps nécessaire à la stabilisation – voir ci-dessous). C’est le moyen le plus rapide de mesurer le flux lumineux total du luminaire [lm] et de déterminer l’efficacité lumineuse du luminaire [lm / W] à une alimentation électrique connue. La mesure dans la sphère d’intégration est simple et permet une comparaison directe des lectures avec l’étalon de référence.

Contrairement aux mesures au goniomètre, qui consistent en des mesures partielles à long terme intégrées pour calculer le flux lumineux total, la mesure dans la sphère est immédiate et beaucoup plus facile. Une procédure de mesure bien décrite et acceptée permet à presque tous les opérateurs d’obtenir des résultats de mesure fiables et reproductibles. Ceci est important lors de la comparaison de nombreux produits d’éclairage et de la mesure de différentes sources. Supposons que nous ayons un luminaire prototype prêt, mesuré et accepté. Si le bloc d’alimentation est remplacé par un autre type ou s’il est nécessaire de remplacer le type de la diode électroluminescente ou des éléments optiques, lorsque nous voulons vérifier rapidement le flux global – la sphère d’intégration devient un outil indispensable pour le travail quotidien avec produits d’éclairage.

En plus du flux lumineux total, la sphère d’intégration combiné avec le spectroradiomètre nous permet également la température de couleur corrélée CCT pour la lumière blanche [K], l’indice de rendu des couleurs CRI et R f, le paramètre D_uv déterminant la position par rapport à la courbe de Planck, les coordonnées chromatiques x, y et bien d’autres paramètres qui caractérisent le produit d’éclairage. La mesure dans le domaine fournira toutes les données nécessaires à l’évaluation de la classe énergétique conformément aux recommandations des normes définissant les exigences fonctionnelles minimales et les exigences d’écoconception des produits liés à l’énergie définies dans la directive 2009/125 / CE en Europe ou les normes Energy Star dans les Amériques.

De plus, le système de sphères d’Ulbricht permet également des mesures en dehors de la plage spectrale visible. Dans le cas de produits pour l’éclairage de plantes, il est possible de mesurer des quantités telles que le flux de photons PPF ou le flux de photons PBAR élargi spectralement. Les sphères d’intégration sont également utilisées pour les mesures de rayonnement infrarouge dans les systèmes de vision et les équipements industriels – dans ce cas, une sphère d’intégration correctement calibrée et équipée d’un équipement de mesure de haute qualité peut être utilisée pour une vérification rapide de l’efficacité énergétique du rayonnement optique de différentes gammes spectrales.

Toujours selon les recommandations de la dernière norme CIE S026 2018 récemment publiée, l’influence effective de l’éclairage sur le cycle jour/nuit humain (rythme circadien) peut également être évaluée sur la base des données de la mesure du flux rayonnant du luminaire, puis calculée par les courbes d’efficacité de l’ipRGC.

Un autre avantage pratique de la sphère d’intégration est sa propriété essentielle, à savoir la structure étanche à la lumière. Grâce à cela, la sphère d’intégration peut être placée dans des conditions de bureau normales et dans des pièces éclairées sans risque que l’éclairage général affecte le résultat de la mesure.

Quelle taille et quel type de sphère choisir ?

Les principes d’or de la photométrie décrits, entre autres, dans la norme CIE S025 / E: 2015 et l’EN 13032-4: 2015 également inclus dans IESNA LM 79 spécifient que la taille de la sphère doit être 10 fois supérieure à la taille du luminaire [2] [3]. Ceci ne s’applique pas aux luminaires linéaires avec une petite surface totale par rapport au boitier complet. D’autre part, les principes pratiques appliqués dans de nombreux laboratoires de mesure internes permettent de mesurer des luminaires dont la taille peut atteindre 30% du diamètre de la sphère, qui est décrit plus en détail dans l’article : Conseils pratiques pour les mesures LED en la sphère d’intégration et sur le goniomètre selon CIE025 [4]. Rappelons que chaque élément introduit dans la sphère d’intégration interfère avec la mesure (et donc limite la possibilité de réflexions multiples) et absorbe une partie du flux lumineux. Cet effet est compensé par une source lumineuse auxiliaire placée dans la sphère, permettant de déterminer le coefficient d’absorption. Si nous construisons un laboratoire qui sera accrédité à l’avenir, nous devons tenir compte des recommandations des normes applicables. Pour le contrôle de qualité en usine, nous pouvons adopter nos propres procédures, mais nous devons tenir compte de l’erreur, qui est causée par la taille du luminaire placé à l’intérieur de la sphère.

Lors de la sélection de la taille de la sphère pour notre laboratoire, il est nécessaire de suggérer la taille maximale des luminaires à mesurer. Dans le cas des luminaires destinés à l’éclairage général, les grandes sphères d’intégration d’un diamètre de 1,5 m ou 2,0 m sont les plus fréquemment sélectionnées. Les laboratoires qui mesurent des modules LED, des composants ou de petits illuminateurs (par exemple l’éclairage d’évacuation) achètent généralement une sphère d’un diamètre de 1 m. Dans les départements de R&D, les plus populaires sont les sphères intégratrices de 0,2 et 0,5 m de diamètre, qui permettent de mesurer à la fois les diodes COB individuelles et les modules LED les plus couramment utilisés.

Sur le marché, il existe des sphères d’intégration combinées à un photomètre, c’est-à-dire des sphères photométriques typiques, ainsi que des sphères qui utilisent le spectroradiomètre comme appareil de mesure – c’est-à-dire des sphères spectro-radiométriques. L’avantage de ce dernier qu’en plus de mesurer le flux lumineux, de donner des informations supplémentaires telles que la température de couleur, toutes les informations d’éclairage centrée sur l’homme ou sur les plantes, ainsi que d’autres données pour des applications plus spécifiques. De plus, les sphères d’intégration avec le spectroradiomètre ne sont pas gênées par ce que l’on appelle l’erreur spectrale de décalage, qui résulte d’un simple système de mesure du photomètre et dépend de la classe du filtre de correction optique appliqué pour l’adaptation à la courbe V (lambda) [5]. Plus la classe du photomètre est bonne, plus l’erreur de décalage est faible. Les spectroradiomètres utilisés dans l’intégration des sphères calculent mathématiquement la courbe V (lambda) et mesurent ainsi plus précisément les diodes électroluminescentes avec différentes distributions spectrales de puissance.

La qualité du revêtement diffusant, qui recouvre la partie intérieure de la sphère et garantit une réflexion correcte et répétée du signal, est très importante. Dans les années 1970, une norme en vigueur indiquait l’utilisation d’un revêtement avec un coefficient de réflexion de ƿ 80. La norme CIE actuelle de 2015, après de nombreuses années de tests et de publications diverses, a introduit l’obligation d’utiliser un revêtement de réflexion supérieur à ƿ 90. Plus le coefficient de réflexion est élevé, plus le nombre de réflexions possibles dans la sphère est élevé, de sorte qu’une mesure plus reproductible les résultats peuvent être obtenus. Et l’impact de la soi-disant erreur d’ouverture sur la distribution et la sortie de lumière incidente est plus petit. Différents types de peinture et de mélange de sulfate de baryum (BaSO 4) sont utilisés pour revêtir les sphères d’intégration. Un revêtement de mauvaise qualité n’a pas les propriétés réfléchissantes appropriées sur toute la gamme spectrale, ce qui peut entraîner des erreurs plus ou moins importantes selon le type de source lumineuse à mesurer. De plus, le matériau de revêtement de faible qualité va se ternir au fil du temps, ce qui signifie que le signal de la gamme de longueurs d’onde bleues est progressivement atténué, puis provoque de graves erreurs de mesure et des difficultés d’étalonnage du système. Comme on le sait, la lumière LED blanche utilise une diode bleue et les dernières conceptions utilisent une diode proche UV, donc la réflexion de cette partie du rayonnement lors de la mesure dans la sphère est très importante afin d’obtenir des résultats précis. Un revêtement de bonne qualité est sensible aux dommages mécaniques (il doit donc être pris en charge), mais en retour, il conserve ses excellentes propriétés optiques pendant de nombreuses années. Le fabricant de sphères intégratrices doit indiquer au client comment entretenir la sphère pendant la formation sur la maintenance du système.

Les systèmes de mesure modernes sont entièrement contrôlés par ordinateur. Le système de mesure avec des composants supplémentaires, ainsi qu’une source de lumière supplémentaire pour compenser le coefficient d’absorption avec le système d’alimentation, sont contrôlés via une interface utilisateur unique. Actuellement, la mesure photométrique est automatiquement combinée avec la mesure colorimétrique et la mesure de puissance et de température. Tous ces éléments peuvent influencer les résultats et la répétabilité, donc lors de la sélection de l’équipement, il convient de prêter attention aux détails des fonctions de mesure supplémentaires. Un élément important est la capacité d’intégrer le système de mesure optique à des sources d’alimentation, des wattmètres ou des analyseurs de paramètres électriques programmables et stabilisés. Des solutions de bonne qualité permettent une configuration optimale du système de mesure adaptée aux exigences des normes et aux besoins du laboratoire.

Conditions de laboratoire et stabilisation du luminaire avant la mesure

Conformément aux recommandations de la norme, des conditions appropriées doivent être prévues dans le laboratoire photométrique qui n’interfèrent pas avec les résultats de mesure. La température ambiante optimale est de 25 ° C. La pièce doit être exempte de poussière et de vibrations et l’humidité doit être maintenue constante. Le mouvement de l’air ne doit pas dépasser 0,25 m/s afin de ne pas provoquer de refroidissement du luminaire lors des mesures. Traditionnellement, dans un laboratoire photométrique, les murs de la pièce sont noirs. Cela n’a pas d’effet direct sur les sphères d’intégration dans le cas de mesures effectuées avec la sphère complètement fermée. Lors de la mesure de la lumière projetée et d’autres luminaires introduits dans la sphère par le port de mesure externe, une attention particulière doit être portée à la lumière parasite (lumière ambiante en laboratoire) qui peut affecter les résultats de mesure. Dans d’autres cas, la sphère d’intégration peut être placée dans n’importe quelle pièce, même lumineuse.

Mesure des luminaires – même si le luminaire est équipé d’un bloc d’alimentation, il doit être alimenté par une source stabilisée. Dans des conditions de mesure en laboratoire, un système d’alimentation stabilisé doit être fourni pour se protéger contre les fluctuations de l’alimentation du secteur. De plus, il est nécessaire de se souvenir des câbles d’alimentation appropriés connectés directement au luminaire, car les chutes de tension dans les câbles peuvent affecter les paramètres de l’alimentation.

La stabilisation et la mesure du luminaire doivent être effectuées dans la position de travail finale du luminaire. Il convient de noter que pour que cette exigence soit remplie, la sphère d’intégration doit être équipée de supports ou d’une table de montage permettant une installation correcte du luminaire à l’intérieur de la sphère dans différentes positions de travail [Fig. 6]. Les systèmes professionnels sont également équipés de câbles d’alimentation et de circuits supplémentaires permettant de mesurer la puissance directement à proximité du luminaire.

Le luminaire doit être stabilisé (chauffé) pendant au moins 30 minutes et est considéré comme stable si la puissance lumineuse et l’alimentation ne changent pas de plus de 0,5% en 15 minutes. Si le luminaire ne se stabilise pas pendant ce temps, il doit être chauffé plus longtemps. Il existe également un cas de luminaires techniques qui, en raison de leur conception, ne sont pas soumis à une stabilisation complète – dans ce cas, les mesures doivent être démarrées et les conditions et les changements de flux à des moments individuels doivent être notés dans le rapport de mesure.

Dans le cas de la mesure de modules LED, la stabilisation dure également au moins 30 minutes jusqu’à ce que les changements de température soient inférieurs à 1 ° C. Une attention particulière doit être portée à la stabilisation de la température au point Tp mesurée en un point spécifique de la carte. En pratique, la mesure des modules LED a lieu dans une sphère d’intégration sur un radiateur après stabilisation de la température de fonctionnement du module. Alternativement, des systèmes de stabilisation de la température TEC avec système Peltier peuvent être utilisés, où le module est placé, puis la température est stabilisée à un niveau prédéfini, par ex. 25 ° C ou 85 ° C (elle peut être similaire à la température de fonctionnement du module placé dans le luminaire). Dans les systèmes de mesure modernes, le processus de réglage de la température et de stabilisation du module LED peut être intégré à un système programmable. Cela permet une évaluation et une mesure efficaces et complètes des modules LED.

Logistique, maintenance et support technique

Lors de la planification de l’organisation du laboratoire, il convient de prêter attention aux dimensions de la sphère d’intégration et à la possibilité de l’introduire dans le bâtiment et de le placer dans la salle voulu. Dans le cas d’une sphère d’intégration d’un diamètre de 2 m, une entrée appropriée (2,3 m sur 2,3 m) doit être prévue pour que la sphère puisse être transportée dans son intégralité. Cela s’applique à l’ensemble du trajet de transport, y compris les portes, les entrées, les escaliers, etc. Dans certains cas, il est nécessaire de démonter partiellement les murs ou d’agrandir la porte. La sphère elle-même, placée dans le laboratoire, ne prend pas beaucoup de place – une surface d’environ 10 m suffit. Les systèmes de sphères d’intégration sont soumis à des étalonnages réguliers. Les normes exigent une stabilisation du système entre les étalonnages au niveau de 0,5%. Pour pouvoir vérifier la conformité, des normes de référence de travail peuvent être utilisées. L’étalonnage d’un système de spectroradiomètre à sphère doit être effectué à l’aide d’un étalon TSRF (Total Spectral Radiant Flux) traçable aux instituts nationaux de métrologie (INM). Le personnel du laboratoire peut obtenir les normes TSRF et effectuer lui-même un tel étalonnage ou demander un service sur site auprès d’un fournisseur ou d’un organisme accrédité. Le laboratoire « meilleur pratiques » suggèrent que des étalonnages annuels sont réalisés, mais il appartient au responsable du laboratoire de décider.

References
[1] J.M. Palmer, B.G. Grant, The Art of Radiometry, SPIE Press 2010, ISBN 978-0-8194-7245-8, p. 5.

[2] CIE International Standard, Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules, CIE S025/E: 2015,2015.

[3] Światło i oświetlenie. Pomiar i prezentacja danych fotometrycznych lamp i opraw oświetleniowych. Część 4: Lampy, moduły i oprawy oświetleniowe LED [Light and lighting. Measurement and presentation of photometric data of lamps and luminaires. Part 4: LED lamps,
modules and luminaire], PN-EN 13032-4:2015.

[4] Oświetlenie LED. Praktyczne wskazówki dotyczące pomiarów LED w kuli całkującej i na goniometrze zgodnie z CIE025 [LED lighting. Practical tips for LED measurements in the integrating sphere and on goniometer according to CIE025.], 3, 2016.

[5] O. Yoshi, Luminous Flux and Spectral Radiant Flux Measurements. NIST Photometry Short Course, 2011.