perception de la lumière issue de leds · f. viénot: perception de la lumière issue de leds....

1F. Viénot : Perception de la lumière issue de LEDs. 29/01/2010

29 janvier2010

Perception de la lumière issue de LEDs

Françoise Viénot

Muséum national d’histoire naturelleCentre de recherche sur la conservation des collections

Remerciements : LedToLite, Jean-Jacques Ezrati, Elodie Mahler, Albane Rambaud,

Jean Le Rohellec, Solenne Bailacq, Guillaume Coron

ASPROM – Paris – 29/01/2010


29 janvier2010

Perception de la lumière issue des LEDs

� Obtenir de la lumière blanche avec des LEDs

� La fidélité des couleurs : l’indice de rendu des couleurs de la Commission Internationale de l’Eclairage

� D’autres indices de qualité

� Expériences dans un contexte réel

� Messages


29 janvier2010

La lumière blanche� Qu’attendre de la lumière?

• Une efficacité élevée

• Une faible consommationd’énergie

• Intensité ajustable

• Ni ultraviolet, ni infrarouge• De la lumière “blanche”

• De la “qualité visuelle”


29 janvier2010







� Qu’est-ce que la lumière“blanche” ?

• Lumière “du jour”

• Ambiance chaude ou froide• Température de couleur

• Notion de couleur, rien surle spectre


29 janvier2010

380 480 580 680 780Longueur d'onde (nm)

Répar

titio

n s

pect

rale

rela

tive d

'éner

gie Ciel Horizon

ciel 15degre Ociel 30degre Ociel 45degre Ociel 60degre NO


29 janvier2010

Une échelle de couleur

La Température de couleur proximale :

Température du radiateur de Planck dont le rayonnement possède la chromaticité la plus voisine de celle de la source considérée.


29 janvier2010 Lumière naturelle au dessus de la Mosquée de Paris

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55x

y

Ciel parisiensur l'horizonOuest

Ciel parisien à45 degré dedéclinaison àl'OuestSurfaceexposée ausoleil

Surface àl'ombre

Radiateur dePlanck

3000 K4000 K

5000 K

7500 K


29 janvier2010

Obtenir de la lumière blanche avec des LEDs

� Fluorescence• B + 1ou 2 phosphores• UV + 3 phosphores

� Assemblages• R,G,B

� Assemblages riches• R,G,B,A,C,White

400 750 nm

400 750 nm

CRCDG, 2005400 750 nm

400 750 nm


29 janvier2010

Un exemple de « binning »

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

0.38

0.40

0.42

0.44

0.46

0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52x

y

Blanc

Blanc chaud

10000 K

7000 K

4500 K

3750 K

2750 K

Exemple d’organisation des boîtes d’assortiment de couleur pour l’assortiment des LEDs. Limites dans le diagramme de chromaticité x,y (à gauche). (d’après données Lumileds, 11/07)


29 janvier2010







� Qu’est-ce que la “qualitévisuelle” ?

• La fidélité des couleurs

• D’autres indices ?• Le confort et la santé


29 janvier2010

Fidélité des couleurs

L’indice de rendu des couleurs (IRC) recommandé par la Commission

internationale de l’éclairageCIE 13.3, 1995


29 janvier2010

� Fidélité des couleurs• Comparer la

spécificationcolorimétrique d’unecollection d’échantillonscolorés éclairés par la source à tester, et leurspécification sous unesource de référence : Indice de rendu des couleurs

Plusieurs idées de la «qualité»

Echantillons

colorés

Source

à tester

Source de

référence

Spécification


29 janvier2010

Indice de Rendu des CouleursCIE, 1974, 1995

• Une collection d'échantillons

8 standards + 6 supplémentaires

Facteur spectral de réflexion connu

• Un illuminant de référence

De la même couleur (même température de couleur)

Lumière du jour ou équivalent (corps noir)

• Une formule de différence de couleur

IRC : 8 Couleurs-tests CIE

0

1

380 480 580 680 780

Longueur d'onde [nm]

Fac

teur

spec

tral

de

lum

inan

ce

éner

gétiq

ue

IRC : Couleurs-tests supplémentaires CIE

0

1

380 480 580 680 780

Longueur d'onde [nm]

Fac

teur

spec

tral

de

lum

inan

ce

éner

gétiq

ue


29 janvier2010




Facteur spectral de réflexion connu


De la même couleur (même température de couleur)

Lumière du jour ou équivalent (corps noir)

Une formule de différence de couleur

0

50

100

150

200

250

300

400 500 600 700 800

Longueur d'onde (nm)

Ene

rgie

rel

ativ

e

Corps noir

Soleil


29 janvier2010



température de couleur proximale


Facteur de luminance connu


•Une formule de différence de couleur

i,i 6.4100 uvER ∆−=

• Des indices particuliers

• Des indices généraux Ra8 et Ra14

Si la couleur de l’échantillon sous l’éclairage testé s’écarte de la couleur de l’échantillon sous l’éclairage de référence, l’indice perd des points.


29 janvier2010

D’autres indices de qualité …

Programmes expérimentaux dansun contexte réel : des LEDs et des

objets à voir et à manipuler


29 janvier2010

Une activité intense à la Commission Internationale de l’Eclairage (CIE)

NIST, USA

Leeds, GB

Paris, Fr

INM, FrHungary

Belgium

Japan

The NetherlandsGermany

Lyon, Fr

Italy


29 janvier2010

Quel indicateur de qualité?

Fidelity,PreferenceSzabo, J. Schanda

Color HarmonyP. BodrogiMemory

K. Smet

QualityN. Pousset

freshsuperficial

slowsoft

maleclean

heavyclassic

coldclear

O. Da Pos

NaturelS. Jost-Boissard


29 janvier2010

Observateurs naïfs ou expérimentés

Sources et technologies


29 janvier2010

Color Appearance (CAM)

Li, Luo, Li

Indice de Rendu des Couleurs (IRC)

Color Quality Scale (CQS)

W. Davis, Y. Ohno

et des formules

Des graphes


29 janvier2010

Expériences dans un contexteréel, avec des LEDs et des objets à voir et à manipuler

Plusieurs idées de la qualité


29 janvier2010

� Fidélité des couleurs� Discrimination fine

des couleurs• Comparer l’aptitude à

discriminer des échantillons de couleurs voisineséclairés par la source àtester, et l’aptitude àles discriminer sousune source de référence : nouveau label


Echantillons

colorés

Source

à tester

Source de

référence

Spécification

Discrimination


29 janvier2010


Echantillons

colorés

Source

à tester

Source de

référence

Spécification

Discrimination

Apparence

� Fidélité des couleurs� Discrimination fine

des couleurs� Apparence naturelle

• Comparer l’apparenced’échantillons coloréséclairés par la source à tester, et leurapparence sous unesource de référence : nouveau label


29 janvier2010

Expériences dans un contexte réel

� Une cabine à lumière� Un éclairage réglable

à base de LEDs


29 janvier2010

Eclairage

� LED clustersLEDs rouge, verte, bleue “RGB”

RGB

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGB


29 janvier2010

Eclairage


LEDs rouge, verte, bleue, ambre “RGBA ”

RGB

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGBA

0

0.01

0.02

0.03

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGBA RGB


29 janvier2010

Eclairage



LED blanc froid, rouge “WR”

WR

0

0.01

0.02

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGB

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGBA

0

0.01

0.02

0.03

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

WR RGBA RGB


29 janvier2010

Eclairage




LED blanc froid, blanc chaud, rouge, verte,

bleue, ambre “WWARGB ”

WR

0

0.01

0.02

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGB

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGBA

0

0.01

0.02

0.03

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

WWARGB

0

0.01

0.02

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

WWARGB WR RGBA RGB


29 janvier2010

Eclairage




LED blanc froid, blanc chaud, rouge, verte,

bleue, ambre “WWARGB ”

� Référence : incandescence tungstène-halogène “Solux”

Solux

0

0.01

0.02

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

WR

0

0.01

0.02

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGB

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

RGBA

0

0.01

0.02

0.03

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

WWARGB

0

0.01

0.02

380 480 580 680 780

Wavelength [nm]

Spe

ctra

l irr

adia

nce

(W/m

2)

Solux WWARGB WR RGBA RGB


29 janvier2010


Plusieurs idées de la qualitéLa discrimination des couleurs


29 janvier2010

La discrimination des couleurs

� 32 pions colorés uniformément distribués sur un cercle chromatique


29 janvier2010


� Tâche: “Remettre les pions dans le plateau dans l’ordre de leur couleur”

� 40 observateurs• âge < 35 ans• Vision des couleurs

normale

� Chaque observateurest interrogé sous les 5 éclairages• Tcp = 4000 K• E = 600 lx


29 janvier2010


L’observateur peutréaliser une séquencedans l’ordre prévu, ou échouer(inversion, permutation)

Hypothèse : sibeaucoup d’observateurséchouent, on attribuera leur échecà un défaut de qualité de l’éclairage

RGB Obs LL

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

a*

b*

error 30 1 31 32 2


29 janvier2010


� Nombre de séquences avec erreurs

� Elévation de la plus petite différence de couleur discernable

Number of erroneous tests / 40

14

11 11

21

19

0

5

10

15

20

25

Solux

WWARGB

WR

RGBA

RGB

Percentage of color path

increase in L*a*b*

3,26 %2,84 %

3,21 %

5,35 %

7,09 %

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1411 11

2119

3.3% 2.8% 3.2%

5.4%

7.1%Solux

WWRGBA

WR

RGBA

RGB


29 janvier2010 Errors of neighbourhood of each cap

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31

32 caps

Num

ber

of e

rror

s of

nei

ghbo

urho

od


Errors of neighbourhood of each cap

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31

32 caps

Num

ber

of e

rror

s of

nei

ghbo

urho

od

Solux WWARGB WR RGBA RGBElodie Mahler, 2005


� Distribution des erreurs de classementRGB

Solux


29 janvier2010


Plusieurs idées de la qualitéLa discrimination des couleursL’apparence des couleurs


29 janvier2010

L’ apparence des couleurs

� 38 échantillons de l’atlas NCS (Natural Color System• Toutes les tonalités

disponibles.• Les échantillons sont

présentés un par un.


29 janvier2010

L’ apparence des couleurs

� Tâche : Juger le degré de colorationsur une échellenumérique de 0 à10.• L’échantillon neutre

est placé sur la borne “0”

Degré decoloration ?

Jean-Jacques Ezrati, Clotilde Boust, 2007


29 janvier2010

L’apparence des couleurs

� Distribution du degréde coloration

Ech

elle

de

colo

ratio

n

Visual appearance experiment

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R Y50R Y G50Y G B50G B R50B R

NCS sample code

Obs

erve

rs r

atin

g

Solux

RGB

RGBA

WR

WWARGB

RGB

CIELAB colour specification

C32 caps under real illuminations

-30

-20

-10

0

10

20

30

-30 -20 -10 0 10 20 30

a*

b*


RGB


29 janvier2010

Un paradoxe

� Discrimination fine des couleurs• Fidélité, naturel, IRC

OU

� Accentuation de la coloration• Changement d’apparence,

“embellissement”


29 janvier2010


Plusieurs idées de la qualitéLa discrimination des couleursL’apparence des couleursLe bien-être


29 janvier2010

Qualité de l’éclairage par LEDs

� Le bien-être ?• Une bonne santé

• Pas d’agression• Une impression de confort• Un sentiment inconscient• Des performances visuelles optimales• Un équilibre naturel

• Des réponses « visuelles non visibles »

• La qualité de la lumière naturelle


29 janvier2010

Performance visuelle

� Contrôle de la température de couleurproximale

� Contrôle de l’éclairement� L’indice de rendu des

couoleurs le plus élevé(Ra>90)

� Tâches visuelles• Acuité

• Taux de succès et rapidité

• Performance de lecture


29 janvier2010

Ressenti subjectif: tâches� Français� Sombre – Lumineuse� Crépusculaire – Claire� Inconfortable – Confortable� Désagréable – Agréable� Eblouissante – Non éblouissante� Fatigante – Relaxante� Froide – Chaude � Triste – Gaie

� Rendu des couleurs artificiel –Rendu des couleurs naturel

� English (my translation)� Dark – Bright

� Dull – Clear� Glaring – Non glaring

� Uncomfortable – Comfortable

� Unpleasant – Pleasant� Tiring – Relaxing

� Cool – Warm

� Sad – Lively

� Artificial colour rendering – Natural colour rendering

1 2 3 4 5 6 7

Echelle psychométrique


29 janvier2010

Ressenti subjectif: Sombre / Lumineux

0

1

2

3

4

5

6

7

Per

ceiv

ed B

right

ness

2700

K40

00K

6500

K

2700

K40

00K

6500

K

2700

K40

00K

6500

K

150lx 300lx 600lx

Lum

inos

itéap

pare

nte


29 janvier2010

Performance visuelle et ressenti subjectif

� La performance, la rapidité et le taux de succès dans une tâche visuelle dépendent de l’éclairement.

� Le ressenti subjectif dépend aussi de la température de couleur• Non seulement la Luminosité paraît augmenter quand l’éclairement augmente, … mais, … à éclairement donné, la luminositéparaît augmenter quand la température de couleur augmente !

• Même chose pour la sensation d’éblouissement !


29 janvier2010

CORTEX

Traitement des images

Couleur

RETINE

Cônes pour la vision de jour

Le système visuel

CERVEAU

Siège du traitement de l’information dans le système visuel


29 janvier2010

CORTEX

Traitement des images

Couleur

VOIES VISUELLES ACCESSOIRES

Mélanopsine pour les contrôles réflexes

Le système visuel

CERVEAU

Siège du traitement de l’information dans le système visuel

RETINE

Cônes pour la vision de jour Bâtonnets pour la vision de nuit


29 janvier2010

Enregistrement objectif de la pupille

� L’expérience montre que, à luminance constante, la luminosité paraît augmenter quand la température de couleur augmente.

� Parallèlement, la pupille rétrécit !

L’altération du spectre peut modifier inconsciemment la réponse à la lumière. Elle pourrait se traduire par de l’inconfort visuel.


29 janvier2010


Plusieurs idées de la qualitéLa discrimination des couleursL’apparence des couleursLe bien-être


29 janvier2010

Conclusion


29 janvier2010

Promoting the highest visual quality

� Colour vision and colour rendering• There is a visual paradox. The choice is between

• Either to maintain fidelity, discrimination, naturalness• Or to offer colourfulness enhancement, beautification

� Visual performance and visual sensation• Subjective sensation does not correlate with

measured performance.• Alteration of the spectrum may induce modification of

the non-visual response to light and be reflected in visual discomfort.


29 janvier2010

Promoting the highest visual quality

� Colour vision and colour rendering• There is a visual paradox. The choice is between

• Either maintain fidelity, discrimination, naturalness• Or offer colourfulness enhancement, beautification

� Visual performance and visual sensation• Subjective sensation does not correlate with

measured performance.• Alteration of the spectrum may induce modification of

the non-visual response to light and be reflected in visual discomfort.


29 janvier2010

Qualité de la lumière – Conclusion (1)� Toutes les lumières ne

sont pas équivalentes.

� Rendu des couleurs• soit Fidélité des couleurs,

et discrimination fine des couleurs

• soit “Embellissement” avec accentuation de la coloration

! Le gain apparent de coloration s’obtient aux dépens de la discrimination fine des couleurs.

Pho

tos

Bla

ndin

e P

laca

is

Sous RGB


29 janvier2010

� Il convient de développer plusieurs indices de qualitépour la lumière, selon l’objectif que l’on se fixe.

� Pour la vie quotidienne, priorité à la fidélité des couleurs, priorité à un spectre complet, proche du spectre de la lumière naturelle.

Qualité de la lumière – Conclusion (2)

Fonctions visuellesRessenti subjectifConfort et santé ?

FidélitéDiscrimination fine

Naturel ?

ColorationVivacité

Préférence ?


29 janvier2010

Merci de votre attention

� VIÉNOT F, MAHLER E., EZRATI J.-J., BOUST C., RAMBAUD A., BRICOUNE A., 2008, Color appearance under LED illumination: The visual judgment of observers. Journal of Light and Visual Environment, 32 :208-213.

� MAHLER E., EZRATI J.-J., VIÉNOT F., 2009, Testing LED Lighting for Colour Discrimination and Colour Rendering. Color Research & Application, 34 : 8-17.

� VIÉNOT F., DURAND M.-L., MAHLER E., 2009, Kruithof’s rule revisited using LED illumination. J. Mod. Optics, 56 : 1433-1446.

� VIÉNOT F., DURAND M.-L., MAHLER E., 2009, The effect of LED lighting on performance, appearance and sensations, Proceedings of the CIE Light and Lighting Conference, Budapest, 27-29 May 2009.

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