Une solution classique pour produire une lumière dite ‘colorée’, est l’utilisation d’un filtre de couleur avec une lumière blanche. Or la technologie des LED a introduit une nouvelle possibilité : l’utilisation de LED produisant directement certaines couleurs de lumière (on trouve des LED qui émettent une lumière bleu, verte, jaune, orange ou rouge). Mais on a toujours la possibilité d’utiliser la solution des filtres avec des LED blanches. Cet article a pour but de montrer les différences entre ces solutions pour produire une lumière colorée :
   Ampoule tungstène + filtre de couleur
   LED blanche + filtre de couleur
   LED de couleur

Qu'est ce que la lumiere ?

La lumière est une onde électromagnétique, tout comme les ondes radios (UHF,VHF ,..), les rayons X, les micro-ondes, ... Plus précisément, ce sont les ondes électromagnétiques, dont la longueur d’onde est comprise entre 400 et 700 nm. Sur une représentation graphique du spectre électromagnétique, ces ondes sont situées entre les ultraviolets et les infrarouges.

Fig 1 : Spectre electromagnetique

L’être humain a la capacité de ‘visualiser’ ces ondes sous forme de couleurs plus ou moins brillantes. La couleur dépend de la longueur d’onde, et la brillance de la couleur dépend de l’amplitude de la longueur d’onde (plus l’amplitude est grande, et plus la couleur sera brillante).

Fig 2 : Spectre visible

Sources lumineuses.

Les sources lumineuses, telles que le soleil, ampoule à incandescence, LED, émettent des ondes de différentes amplitudes et de différentes fréquences. C’est la combinaison de ces ondes qui détermine la ‘couleur’ de la lumière perçue par l’œil. Chaque source lumineuse est caractérisée par sa distribution spectrale (le type d’onde qu’elles émettent, et leur amplitude).

Cette courbe est typique des ampoules à tungstène, qui émettent une lumière blanche dite chaude (lumière blanche légèrement rouge).

Fig 3 : Distribution spectrale d’une ampoule à incandescence

Cette courbe est typique des LEDs blanches. Les LEDs blanches, sont par construction, des LEDs bleus auxquelles on a rajouté une couche de phosphore, qui transforme une partie des ondes de la zone bleu en rayonnement centré autour du ‘jaune’. C’est pour cela que l’on peut observer un pic dans la zone bleu et une autre dans la zone ‘jaune’.Ce type de LED émet une lumière blanche dite froide (lumière blanche légèrement bleue).

Fig 4 : Distribution spectrale d’une LED blanche.

On peut remarquer sur les figures 3 et 4 que les LEDSs blanches et les ampoules à tungstène, bien qu’émettant toute les deux une lumière dite ’blanche’, ne le font pas de la même façon. Ces deux sources lumineuses ont une distribution spectrale différente.

Fig 5 : Distribution spectrale d’une LED verte.

Fig 6 : Distribution spectrale d’une LED rouge.

Principe de fonctionnement des filtres de couleur.

Le principe de ces filtres est d’atténuer certaines ondes de la lumière qui les traverse. Ce coefficient d’atténuation est appelé transmittance, il varie de 0 (l’onde est bloquée) à 1 (le filtre laisse passer entièrement l’onde). On peut représenter les filtres sous forme d’une courbe de transmittance dont voici quelques exemples.

Fig. 7 : Exemple de courbe de transmittance d’un filtre vert (données issues du modèle de filtre VG 9 1mm de la société Schott Glass technologies).

Fig 8 : Exemple de courbe de transmittance d’un filtre rouge (données issues du modèle de filtre RG 610 1mm de la société Schott Glass technologies).

La lumière obtenue en sortie d’un filtre, est la multiplication de la lumière qui se trouve en entrée par la courbe de transimittance du filtre.

Comparaisons.

1°) Comparaison de différentes lumières issues du filtre défini à la fig. 7(filtre de type vert). A gauche, fig. 9, une lumière de type lampe à tungstène telle que définie à la fig. 3.A droite, fig. 10, une lumière de type LED blanche telle que définie à la fig. 4.

Fig. 9 : Lampe à tungstène + filtre vert.

Fig. 10 : LED blanche + filtre vert.

Remarques :
  Une partie assez importante de l’énergie de la lumière blanche est absorbée par le filtre “vert”.
  Les lumières filtrées obtenues ne sont pas identiques : celle obtenue avec les LED blanches comporte une composante bleu supérieure à celle obtenue avec une lampe à tungstène, cette lumière aura une couleur verte/bleue.

2°) Comparaison de différentes lumières issues du filtre défini à la fig. 8(filtre de type rouge). A gauche, fig. 11, une lumière de type lampe à tungstène telle que définie à la fig. 3. A droite, fig. 12, une lumière de type LED blanche telle que définie à la fig. 4.

Fig. 11 : Lampe à tungstène + filtre rouge.

Fig. 12 : LED blanche + filtre rouge.

Remarque :
  Une partie assez importante de l’énergie de la lumière blanche est absorbée par le filtre “rouge”.

Conclusions.

  Lors de l’utilisation de filtre pour produire une lumière colorée à partir d’une lumière blanche, une partie de la lumière produite par la source lumineuse est absorbée par le filtre, donc perdue.
  Pour un même filtre, le résultat diffère en fonction du type de lumière. (Filtre vert + LED => lumière verte à tendance bleu).