Écran à cristaux liquides
Pour les articles homonymes, voir ACL et LCD.
L'écran à cristaux liquides ou LCD (de l'anglais liquid crystal display) (ACL au Québec pour affichage à cristaux liquides) permet la création d’écrans plats à faible consommation d'électricité. Aujourd'hui ces écrans sont utilisés dans presque tous les affichages électroniques.
Histoire
Les premiers panneaux d’affichage à cristaux liquides ont été présentés en 19711, mais il faut attendre 1985 pour que Matsushita propose un écran plat d’une taille et d'une résolution suffisante pour être utilisable sur des micro-ordinateurs.
Dès 1984, c’est le laboratoire central de Thomson qui a développé le premier LCD en couleurs2.
Les LCD sont utilisés depuis la fin des années 1990 en noir et blanc, puis en couleur depuis les débuts des années 2000 dans les téléphones portables, les ordinateurs personnels, les téléviseurs, les ordinateurs de bord pour les avions et les voitures.
Les premiers écrans plats commercialisés (14 pouces, soit 35,56 cm) en couleur en Europe datent de fin 1995 pour un prix de 5 000 francs français (environ 1 100 € de 2022).
Présentation
Les écrans à cristaux liquides utilisent la polarisation de la lumière par des filtres polarisants et la biréfringence de certains cristaux liquides en phase nématique, dont on peut faire varier l’orientation en fonction du champ électrique. Du point de vue optique, l’écran à cristaux liquides est un dispositif passif : il n’émet pas de lumière, seule sa transparence varie, et il doit donc disposer d'un éclairage.
D’abord disponible en monochrome et de petite taille, il est utilisé dans les calculatrices, les appareils de mesure, les montres du fait de sa faible consommation électrique ; il permet actuellement d’afficher en couleurs dans des dimensions dépassant un mètre, en diagonale. Il a supplanté le tube cathodique dans la plupart des applications, sauf en très haute définition lorsque la palette des couleurs doit être précise et fidèle, et dans les environnements difficiles (par exemple quand la température d'utilisation est inférieure à 5 °C).
Cristaux liquides monochromes
Afficheur 3 chiffres
1 et 5 : filtres polarisants ;
2 : électrodes avant ;
4 : électrode arrière ;
3 : cristaux liquides ;
6 : miroir.
L’écran à cristaux liquides est constitué de deux polariseurs dont les directions de polarisation forment un angle de 90°, disposés de chaque côté d’un sandwich, formé de deux plaques de verre enserrant des cristaux liquides. À chacune des interfaces avec les cristaux liquides, une couche de polymère, généralement un polyimide, rainurée assure l’ancrage des molécules au repos.
Les deux faces internes des plaques de verre comportent une matrice d’électrodes transparentes pour le noir et blanc. L’épaisseur du dispositif et la nature des cristaux liquides sont choisies de manière à obtenir la rotation désirée du plan de polarisation, en l’absence de tension électrique (90° dans les écrans TN). Dans les écrans de grande dimension, on ajoute des espaceurs, petites billes transparentes, dans l’espace rempli de cristaux liquides pour maintenir la très faible épaisseur (20 µm) constante et précise.
Affichage par leds à sept segments ou par pixels.
L’application d’une différence de potentiel plus ou moins élevée entre les deux électrodes d’un pixel entraîne un changement d’orientation des molécules, une variation du plan de polarisation, et donc une variation de la transparence de l’ensemble du dispositif.
Cette variation de transparence est exploitée par un rétro-éclairage, par réflexion de la lumière incidente ou par projection.
Les électrodes des pixels ne sont accessibles que par ligne ou colonne entières et la commande d’allumage ou d’extinction doit se faire par un balayage régulier des lignes de points.
Les petits afficheurs à cristaux liquides monochromes reposent sur le même principe, mais emploient souvent des électrodes avant en forme de segment de caractère, de façon à simplifier l’électronique (commande directe en tout ou rien), tout en obtenant une très bonne lisibilité (pas de balayage).
Les écrans LCD diffèrent aussi par leur taille, leur résolution et leur pitch (taille du pixel affiché à l’écran), dont voici une liste ci-après : ceci est à prendre en considération lors du choix d’un moniteur, en fonction de son usage, et de ses besoins.
Voir aussi l’article Unité de mesure en informatique.
Cristaux liquides couleur
Détail d’un écran à cristaux liquides couleur.
Le principe de base est toujours le même. Il nécessite trois cellules par pixels et le sandwich est complété par un filtre coloré de motifs rouges, verts et bleus. Généralement le filtre est une succession de bandes verticales alternant les trois couleurs. Il y a toutefois d’autres répartitions décalant les couleurs d’une ligne à l’autre.
Afin d’améliorer la précision de rendu des couleurs, les éléments du filtre RVB sont séparés par une bande noire opaque.
La technologie TN ne permet pas l’affichage de plus de 262 144 couleurs (3×6 bits), l’affichage de 16 millions de couleurs (3×8 bits) utilise une technique d’approximation soit par clignotement (blinking) qui alterne l’affichage de 2 couleurs qui encadrent la « vraie », soit par effet de diffusion (tramage) entre des cellules adjacentes. De nombreux écrans semblent utiliser une combinaison de ces deux techniques.
Éclairage
En fonction de la relative transparence des dispositifs à cristaux liquides : 15 %[réf. nécessaire] pour les afficheurs monochromes, et moins de 5 % pour les écrans couleurs, du fait de l’interposition du masque coloré, plusieurs modes d’éclairage ont été adaptés :
Éclairage transmissif : l’écran fonctionne avec un rétro-éclairage (TV, moniteur informatique, appareil photo, caméra et téléphone) par une ou des lampes à décharge à cathode froide, dont la lumière est répartie par deux réseaux de prismes orthogonaux.Depuis les années 2010 les led remplacent avantageusement les tubes.
Les caractéristiques sont :
- Une luminosité insuffisante si l’écran est en plein soleil.
- La consommation électrique de la source lumineuse, bien plus importante que celle de l'afficheur à cristaux liquides, même si elle reste deux à trois fois moindre qu’un tube cathodique3, soit 10 à 40 W selon l’éclairage, pour un écran 48 cm (19 pouces), et moins d’1 W en veille.
- L'affichage non permanent sur certains appareils comme les téléphones portables pour des raisons d'autonomie électrique.
- La durée de vie des lampes : 2,4 fois plus qu’un écran cathodique, avec 60 000 heures3, soit 33 ans si l’écran est allumé 5 heures par jour.
Projection : l’éclairage transmissif est également employé pour les projecteurs, où l’image d’un écran à cristaux liquides couleur de petite taille, d’environ 2 cm de diagonale, est projetée par un dispositif optique comparable à un projecteur de diapositives comprenant une lampe halogène de forte puissance. Les meilleurs résultats sont obtenus en combinant trois écrans monochromes à un ensemble de filtres et de prismes, décomposant et recomposant le spectre lumineux.
Éclairage réflectif : l’écran tire parti de la lumière incidente; cette caractéristique est très intéressante pour les assistants numériques personnels, les calculatrices, les baladeurs et les montres. Les téléphones portables disponibles vers l'an 2000 utilisaient aussi ce type d'afficheur. Il est employé pour les écrans monochromes, suffisamment transparents.
- Les avantages : une luminosité adaptée à l’éclairage ambiant : l'écran est parfaitement visible en plein soleil et une forte réduction de la consommation électrique due à l’absence du système de rétroéclairage qui permet à l'afficheur de fonctionner en permanence ;
- Le principal inconvénient : illisibilité quand l’éclairage ambiant est très faible ou nul, d'où un dispositif de rétro-éclairage sur les montres pour pouvoir lire l'heure en pleine nuit.
Éclairage transflectif : il combine un dispositif réflectif à un rétro-éclairage transmissif. Il est employé pour de nombreux assistants personnels (PDA) et certains appareils photographiques. L'ordinateur destiné aux enfants des pays en développement, OLPC combine un affichage transmissif en couleurs et un affichage réflexif en noir et blanc qui font de cet ordinateur un des seuls parfaitement utilisables en plein soleil.
Les caractéristiques d'un écran à cristaux liquides
Les mesures sont définies par la norme ISO 13406-2, dont la règle la plus connue concerne les pixels défectueux, et qui répartit les écrans en 4 classes selon le nombre de défauts par millions de pixels :
| Classe | Blancs | Noirs | Sous-pixels | Par 5 pixels | Consécutifs |
|---|
| I |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| II |
2 |
2 |
5 |
1 |
2 |
| III |
5 |
15 |
50 |
2 |
2 |
| IV |
50 |
150 |
500 |
- |
- |
Parmi les autres mesures qui le caractérisent :
- Définition en nombre de pixels : le nombre de points constituant l’image visible.
- Dimensions : c’est la diagonale qui est indiquée en pouces (2,54 cm) ou en centimètres.
- Angle de vision horizontal et vertical : indique jusqu’à quel angle on peut observer l’image, avec un contraste supérieur à 10:1 (très faible par rapport au contraste de face). Les performances généralement indiquées ne sont pas celles définies par la norme ISO, moins flatteuse.
- Contraste : rapport de luminosité entre un pixel blanc et un pixel noir. Souvent obtenue en poussant la luminosité au-delà de l’utilisable (pour un écran informatique, la valeur recommandée est d’environ 100 cd/m2)
- Les constructeurs exhibent des écrans ayant des contrastes artificiels de 10000:1 voire bien plus, alors qu’un contraste supérieur à 1000:1 représente déjà une valeur exceptionnelle pour un LCD.
- Luminosité : (en toute rigueur c’est la luminance) mesurée dans l’axe, en cd/m2.
- Temps de réponse : l’ISO définit le temps total de l’aller retour blanc → noir → blanc. Il est souvent plus optimiste que celui nécessaire à la transition blanc → gris → blanc plus représentative d’une utilisation courante.
Les valeurs disponibles en pour les écrans de commerce :
| Caractéristiques |
Moniteurs |
Téléviseurs |
Projecteurs |
| Définition en nombre de pixels |
1024×768 à 2560×1600 |
1024×768 à 1920×1080 |
1920×1080 |
| Diagonale |
38 à 76 cm (15 à 30″) |
38 à 279 cm (15 à 110″)4 |
|
| Angle de vision horizontal et vertical |
178° |
178° |
- |
| Contraste |
600:1 à 3000:1 |
600:1 à 5000:1 |
3000:1 |
| Luminosité cd/m2 |
250 à 320 |
300 à 550 |
- |
| Temps de réponse |
2 à 16 ms |
2 à 16 ms |
12 ms |
Certaines dalles LCD, non commercialisées pour le grand public, atteignent des définitions beaucoup plus importantes. Certains écrans revendiquent un contraste « dynamique » de 3000:1 mais pour pouvoir lire on doit ajuster le contraste à une valeur bien moindre que 3000:1, pour éviter l’éblouissement.
Chromaticité
Gamut de couleurs restitué par un écran.
La Commission internationale de l’éclairage (CIE) a déterminé d’après un échantillon de la population la gamme de couleurs que l’œil humain peut discerner et distinguer. La plupart des dispositifs de restitution (écrans, imprimantes) sont loin de pouvoir reproduire l’ensemble de cette gamme de couleurs.
Les écrans à cristaux liquides ont beaucoup progressé dans la qualité des couleurs, et leur gamme dépasse l’étendue de couleurs (gamut) sRGB, correspondant à Windows, et certains modèles professionnels approchent du gamut NTSC utilisé pour la télévision.
Une nouvelle technique de rétro-éclairage se démocratise en 2007, qui remplace la lampe à décharge par une matrice de diodes électroluminescentes blanches permettant d’obtenir un meilleur taux de contraste et de diminuer la consommation électrique de l’appareil. Certains constructeurs tirent parti de ce type de rétro-éclairage en illuminant l’écran de manière séquentielle (par groupe de pixels) pour augmenter à la fois le taux de contraste et le taux de réponse.
Consommation d'énergie
Les grands écrans sont encore de grands consommateurs d’électricité. Sony a présenté début 2009 un téléviseur5 consommant 40 % d’électricité en moins (153 W contre 263 W) que les téléviseurs LCD antérieurs, en remplaçant le rétroéclairage classique à cathode froide (CCFL, cold cathode fluorescent lamp) par un rétroéclairage à cathode chaude (HCFL, hot cathode fluorescent lamp). Un détecteur de présence met le moniteur en veille dès que le spectateur s’absente et le réactive quand quelqu’un s’approche, et une « mise en veille sans aucune consommation électrique » complète ce dispositif6. Cela correspond à une réduction de consommation de 56 kWh si l’appareil est en fonctionnement 4,5 heures par jour et à 23 kg de CO2 émis en moins, pour une année.
Technologies
Chaque technologie présente des compromis en matière de rendu des couleurs, du contraste, de la réactivité, des angles de vision ou du niveau de fourmillement dans les films7 :
TN, DSTN
Écran à cristaux liquides-TN.
1 : plaque de verre ;
2 et 3 : polarisants vertical et horizontal ;
4 : filtre couleur RVB ;
5 : électrodes verticales ;
6 : électrodes horizontales ;
7 : couches polymère d’alignement ;
8 : billes d’espacement.
La technologie de base, le TN (Twisted Nematic) fut la plus répandue et la plus économique malgré des insuffisances dans le rendu des couleurs et leur contraste, ainsi qu’un fort traînage. Elle a été améliorée pour les écrans DSTN (Dual scan twisted nematic) qui ont une meilleure stabilité de l’image grâce à l’introduction d’un double balayage. Malgré des améliorations qui lui procurent une bonne réactivité, ces technologies à matrice passive offrent un rapport de contraste limité à 50:1, des angles de vision sur les côtés ouverts mais un angle de vision inférieur noir, une dalle à la luminosité non homogène, une certaine rémanence (notamment la « black ou reverse ghosting », rémanence sombre derrière des sujets en mouvement) et une qualité moyenne des noirs en général.
Des écrans à double couche (Double Super Twisted nematic) ont également été produits pour améliorer l’équilibre chromatique de la lumière produite.
Les écrans TN et DSTN sont transparents au repos.
Écran à cristaux liquides-TFT : par rapport aux écrans à cristaux liquides-TN.
5 : lignes de commande horizontales ;
6 : lignes de commande verticales ;
7 : polymère d’alignement ;
9 : transistors ;
10 : électrode frontale ;
11 : électrodes élémentaires.
Sa variante TFT est la plus utilisée pour les écrans couleurs, en informatique et pour la télévision. Elle remplace la grille d’électrodes avant par une seule électrode en ITO (oxyde d’indium-étain InxSn(2-x)O3), et la grille arrière par une matrice de transistors en film mince (Thin-film transistor), un par pixel et trois par pixel de couleurs, qui permet de mieux contrôler le maintien de tension de chaque pixel, pour améliorer le temps de réponse et la stabilité de l’affichage.
La plupart des écrans à cristaux liquides couleurs de qualité emploient cette technologie TFT dite à « matrice active », qui a permis d’obtenir des temps de réponse inférieurs à 10 ms. Le contraste reste toutefois limité à environ 300:1, et seuls les écrans de type PVA dépassent cette valeur.
Le film mince de silicium est gravé selon les procédés de fabrication des dispositifs à semi-conducteurs sur un dépôt extrêmement mince, de quelques centaines de micromètre, de silicium. Le silicium ne peut pas être déposé sous forme monocristalline sur du verre car le verre est amorphe.
Schéma électrique équivalent ; le pixel inférieur est affiché jaune.
Le silicium est déposé par diffusion gazeuse, et on obtient alors une couche amorphe, ou par recuit d’une fine tranche de silicium (le silicium reste localement cristallisé : polycristallin). Ce recuit peut se faire :
- Par étuvage de l’ensemble, ce qui n’est possible qu’avec du quartz du fait de la température nécessaire, supérieure à 1 000 °C. Cette technique est employée pour les panneaux à cristaux liquides des projecteurs, dont les faibles dimensions sont compatibles avec celles des lames de quartz.
- Par chauffage localisé par le balayage d’un faisceau laser.
Une couche polycristalline permet de graver des circuits cent fois plus performants que ceux au silicium amorphe, et d’obtenir une plus grande finesse.
Mis hors tension, les écrans TFT présentent une couleur noire.
Dual transistor pixel technology (TFT) - scheme
Une technologie d'affichage réfléchissant : Utilisée pour des applications à très faible consommation d’énergie telles que les Étiquettes Électroniques de Gondole (EEG), les montres à affichage numérique, les compteurs... la technologie pixel à double transistor (DTP Dual Transistor Pixel) fait référence à une conception pixel TFT novatrice utilisant des procédés innovants de recyclage de l'énergie.
La technologie pixel à double transistor (DTP) : DTP consiste à ajouter une seconde grille de transistor dans la cellule TFT individuelle afin de maintenir l'affichage d'un pixel durant 1 seconde sans perte d'image ou sans endommager dans le temps les transistors TFT. En ralentissant la fréquence de rafraîchissement standard de 60 Hz à 1 Hz, la technologie DTP augmente le rendement énergétique de plusieurs ordres de grandeur.
Brevet original international déposé en 2004 : La technologie DTP a vu le jour dans un laboratoire de Californie et était à l'origine financée par les principaux investisseurs en capital-risque américains US VCs (US VP / Thomas Wiesel). Charles Neugerbauer (PhDs) en est l’inventeur.
IPS et S-IPS
Pour les articles homonymes, voir IPS.
La technologie IPS (in-plane switching) développée par Hitachi en 1996 perfectionne la technologie TN-TFT en utilisant des cristaux liquides dont l’axe est parallèle au plan de l’écran.
L’angle de vision est très large et le défaut des coins plus sombre est supprimé (il l'est aussi avec les technologies VA récentes).
MVA et PVA
Un perfectionnement, le MVA (multi-domain vertical alignment), a été introduit en 1998 par Fujitsu, qui améliore sa technologie VA, en intégrant plusieurs domaines de réfraction par cellule, augmentant ainsi la qualité du noir (<1 cd/m2), la réactivité et permettant d’améliorer fortement le contraste utile et des angles de vision homogènes. Le dernier développement en est le PVA (Patterned Vertical Alignment) réalisé par la compagnie Samsung, où les couleurs noires atteignent 0,15 cd/m2 permettant un contraste de 1000:1.
Les écrans MVA sont opaques au repos. Les écrans PVA sont plus sujets au fourmillement dans les films que les dalles TN et MVA.
Fabrication
Procédé
Le processus de fabrication des dalles de cristaux liquides est très automatisé et comprend, en atmosphère contrôlée, une succession de machines de très haute précision. Le point de départ de chaque face est une dalle de verre de grande dimension (jusqu’à 1,9 m par 2,2 m pour la « génération 7 ») sur laquelle sont préparés plusieurs écrans simultanément. Elles sont découpées après l’assemblage, puis collées des deux côtés.
Le verre utilisé doit, à la fois, être de faible épaisseur, inférieure à un millimètre, et résister sans déformation aux différents traitements chimiques et thermiques (température de transition vitreuse supérieure à 600 °C) sans perdre de sa transparence (résistance aux dérivés fluorés). À cet effet, on utilise du verre à forte teneur en silice, sans addition de baryum.
La vitre avant reçoit, successivement, les pigments du masque coloré, une couche de protection, une couche d’ITO (électrode avant) puis de polyimide. Celle-ci est légèrement rainurée par frottement avec un velours spécial. La vitre arrière suit un processus plus complexe : dépôts de silicium, de métaux pour les électrodes, les lignes de données et condensateurs (tantale, aluminium), oxydation, photolithographie, puis espaceurs, et finalement le polyimide.
L’assemblage par collage doit être extrêmement précis, de l’ordre du micromètre, pour assurer une parfaite correspondance entre le masque coloré et les sous-pixels. Alors seulement, l’ensemble est rempli avec la solution de cristaux liquides.
La dernière opération est l’application d’un film polarisant, en acétate de polymère, de chaque côté de l’assemblage.
Ordres de grandeur
Pour mieux se rendre compte des contraintes lors de l’industrialisation :
- les plaques de verre ont une épaisseur inférieure à 1 mm, couramment 0,7 mm ;
- l’épaisseur des électrodes en ITO de 100 à 150 nm, leur donne une bonne transparence ;
- les films polyimides sont extrêmement fins : 10 à 20 µm ;
- la couche de cristaux liquides s’insinue dans un espace de 10 à 20 µm, soit moins de 1⁄100 de l’épaisseur totale, ce qui rend le remplissage, des écrans de grande taille, très long ;
- dans les écrans TFT, la couche de silicium ne dépasse pas 100 nm ;
compte tenu de ces caractéristiques, la quantité de cristal liquide que renferme un écran d’un mètre de côté est de l’ordre de 20 cm3, soit 2 cL.
Perfectionnements récents
Ils visent à améliorer :
- le temps de réponse :
- overdrive : cette technique de commande consiste à appliquer une impulsion de tension plus élevée que nécessaire à l’obtention d’un niveau de gris pendant le début du cycle. Le temps de réponse blanc → gris se rapproche ainsi de celui du blanc → noir ;
- le contraste et la profondeur du noir, en diminuant la proportion de surface occupée par le masque, tout en rejetant au mieux la lumière parasite ;
- électrodes sur résine : les électrodes ITO ne sont plus déposées sur le substrat entre les pistes, mais après remplissage par une fine couche de résine, sur celle-ci, ce qui permet aux électrodes d’avoir la taille maximale efficace,
- masque sur couche TFT : en complément du masque entre les pavés de couleurs du filtre RVB, un masquage est directement appliqué sur la couche TFT, entre les électrodes de chaque cellule ;
- la qualité :
- espaceurs photogravés : les billes d’espacement sont dispersées aléatoirement et peuvent endommager le filtre RVB, ou en gêner le fonctionnement. Elles sont remplacées par des cônes découpés dans de la résine époxy photosensible, positionnés à des emplacements optimaux.
- la qualité et l’uniformité des couleurs :
- rétro-éclairage par LED. Un écran « edge LED » est un écran à cristaux liquides dont le rétroéclairage est confié à des LED situées autour de la dalle. Cette technologie permet de rendre les écrans plus fins, plus lumineux et de baisser leur consommation électrique.
Autres procédés de fabrication
Parmi les technologies alternatives employant des cristaux liquides, la compagnie Philips vient de présenter des prototypes d’écrans à cristaux liquides « peints » ou paintable display, produits selon un processus plus simple (dépôt de couches superposées) se terminant par une photogravure des cellules de cristaux liquides (photo-enforced stratification).
Environnement
Les écrans à cristaux liquides utilisent de l'indium, métal dont l'importance est critique8, et des terres rares9. Les écrans LCD rétro-éclairés par des tubes fluorescents (en voie de disparition) contiennent également du mercure, élément toxique pour l'homme et l'environnement10.
La durée de vie varie de 50 000 à 60 000 heures11.
En 2010, les techniques de recyclage n'étaient pas encore finalisées. La principale difficulté pour les écrans LCD rétro-éclairés est de séparer les tubes fluorescents qui contiennent du mercure10.
Avenir et concurrence
L'écran à cristaux liquides zéro énergie
Le dispositif zenithal bistable device (ZBD), développé par la société britannique QinetiQ conserve une image sans alimentation électrique12.
Les technologies émergentes concurrentes
Écrans
Les écrans électroluminescents ou OLED (Organic light-emitting diode) comprennent des diodes électroluminescentes organiques. Plusieurs applications commerciales existent déjà, des écrans de différents smartphones à celui de la Playstation Vita en passant par l'apparition future d'écrans flexibles13.
Les écrans électrochromes tirent parti des propriétés des viologènes (dérivés de la 4,4′-bipyridine).
Reprenant, en le simplifiant et le démultipliant, le principe des tubes cathodiques (impact sur du phosphore d’électrons accélérés) les Surface-conduction Electron-emitter Display (SED) semblent plus prometteurs que les écrans à plasma.
Les télévisions au laser, développées par la compagnie Mitsubishi représentent également une possibilité pour l’avenir. Chaque pixel est illuminé par trois faisceaux laser : un bleu, un vert et un rouge. Ces écrans sont intéressants à plus d’un titre : ils consomment trois fois moins qu’un écran à plasma de taille égale, le contraste de leurs couleurs est bien plus important tout comme leur luminosité, ils peuvent rendre une palette de couleurs beaucoup plus large que celle des LCD et Plasmas, ils sont tout à fait compatibles avec la HD et la full HD, leur durée de vie serait très nettement supérieure à celle des LCD et plasmas, et enfin, leur prix devrait être très abordable, leur coût de fabrication étant inférieur à celui des plasmas.
Projection
Les cellules Digital Light Processing (DLP) utilisant des miroirs oscillants microscopiques, les Digital Micromirror Device (DMD).
La technologie Liquid Crystal On Silicon (LCOS), très récente, ajoute une couche réfléchissante entre les TFT et les cristaux liquides.
Aspects juridiques
En , la Commission européenne a infligé une amende de 648 925 000 euros à six producteurs d’écrans à affichage de cristaux liquides pour avoir monté une entente préjudiciable aux consommateurs européens ayant acquis des postes de télévision, des ordinateurs et d’autres produits comprenant des écrans à affichage de cristaux liquides (LCD). Il s’agit des firmes coréennes Samsung Electronics et LG Display et des firmes taïwanaises AU Optronics, Chimei InnoLux Corporation, Chunghwa Pictures Tubes et HannStar Display Corporation. Samsung Electronics a échappé au paiement des amendes en raison du programme de clémence de la Commission étant donné qu’elle a été la première à fournir des informations au sujet de l’entente14. On ne sait pas si la Commission européenne a prévu, parallèlement à l'amende, une action en vue du dédommagement des consommateurs concernés.
Notes et références
- Where Did TV LCD's Come From? [archive] Sur le site freemag.fr
- Écran à cristaux liquides (1985) [archive] « Écran à cristaux liquides (1985) - EurekaWEB » (version du 22 août 2018 sur l'Internet Archive)
- Article : 4 moniteurs LCD 43 cm (17 pouces) [archive], Clubic.com, publié le 8 juillet 2002.
- JVC : un téléviseur de 110 pouces [archive], Tom’s hardware, publié le 11 juin 2007.
- « Bravia Eco HDTV » ou série VE5.
- Bulletin ADIT-JAPON [archive] 489ENV/1601.
- LCD : dalles TN, MVA, PVA, IPS [archive] sur lesnumeriques.com
- Les réserves mondiales sont de 19,3 années de production seulement, selon une étude de l'ADEME de juillet 2010 : « Étude du potentiel de recyclage de certains métaux rares » [archive] « « Étude du potentiel de recyclage de certains métaux rares » » (version du 22 août 2018 sur l'Internet Archive)
- Philippe Bihouix et Benoît de Guillebon, quel futur pour les métaux ? Raréfaction des métaux : un nouveau défi pour la société, EDP Sciences, p. 24
- Écrans plats, un recyclage encore tâtonnant, mars 2010 [archive]
- LCD ou plasma : que choisir ? [archive]
- Dans le paragraphe "E. L'avenir : L'écran ACL zéro énergie ?" [archive] Sur le site bestofmicro.com
Voir aussi
Articles connexes
Techniques concurrentes :
Technologies utilisées :
Applications :
Liens externes
- Fabrication et composants des écrans à cristaux liquides
- Architectures innovantes
- (en) Description des écrans électrochromes proposés par NTERA
- (en) Descriptif de la technologie de la société Nemoptic [archive]
- (en) Le site Web de la société ZBD Displays
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Diode électroluminescente
« Led » redirige ici. Pour les autres significations, voir LED.
Diodes de différentes couleurs.
Symbole de la diode électroluminescente.
Une diode électroluminescente (abrégé en DEL en français, ou LED, de l'anglais : light-emitting diode) est un dispositif opto-électronique capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens et produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique non cohérent par conversion d'énergie électrique lorsqu'un courant la traverse.
Elle compte plusieurs dérivées, principalement l'OLED, l'AMOLED et la FOLED (pour flexible oled). En raison de leur rendement lumineux, les lampes LED remplacent d'autres types de lampes1. Elles sont aussi utilisées dans la construction des écrans plats de téléviseur : pour le rétroéclairage des écrans à cristaux liquides ou comme source d'illumination principale dans les téléviseurs à OLED.
Les premières LED commercialisées ont produit de la lumière infrarouge, rouge, verte puis jaune2,3. L'arrivée de la LED bleue, associée aux progrès techniques et d'assemblage, a permis de couvrir « la bande des longueurs d'ondenote 1 d'émission s'étendant de l'ultraviolet (350 nm) à l'infrarouge (2 000 nm), ce qui répond à de nombreux besoins4. ». De nombreux appareils sont munis de LED composites (trois LED réunies en un composant : rouge, vert et bleu) permettant d'afficher de très nombreuses couleurs.
Histoire
La première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et est découverte par Henry Round. En 1927, Oleg Lossev dépose le premier brevet de ce qui sera appelé plus tard une diode électroluminescente.
En 1955, Rubin Braunstein découvre l'émission infrarouge de l'arséniure de gallium5, semi-conducteur qui sera ensuite utilisé par Nick Holonyak Jr. et S. Bevacqua pour créer la première LED rouge en 1962. Durant quelques années, les chercheurs se limitent à quelques couleurs telles que le rouge (1962), le jaune, le vert et plus tard le bleu (1972)3,6.
Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano
Dans les années 1990, les recherches, entre autres, de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permettent la création de LED bleues de forte luminosité, ensuite adaptées en LED blanches, par adjonction d'un luminophore jaune7. Cette avancée permet de nouvelles applications majeures telles que l'éclairage et le rétroéclairage des écrans de téléviseurs et des écrans à cristaux liquides. Le , Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues8.
Économie
Le développement de la technologie des LED suit une loi analogue à la loi de Moore, appelée loi de Haitz (en), du nom de Roland Haitz d'Agilent Technologies, et qui prévoit que les performances des LED doublent tous les trois ans, pour des prix divisés par dix tous les dix ans9.
L'intérêt des lampes à LED en matière de consommation électrique, de durée de vie et de sécurité électrique s'est rapidement confirmé pour l'automobile (dans l'habitacle et pour les phares et clignotants, où les LED se montrent plus performantes que les sources xénon ou halogène), l'éclairage urbain, l'éclairage d'infrastructures, les usages dans la marine et l'aéronautique. Cet intérêt a, au début des années 2000, dopé le marché, qui a dépassé en 2010 le seuil des dix milliards de dollars américains (USD), soutenu par une croissance annuelle globale de 13,6 % de 2001 à 2012, et devrait atteindre 14,8 milliards USD avant la fin 201510. Dans ce marché, la part de l'éclairage augmente régulièrement de 2008 à 2014 et devrait se stabiliser en 2018, alors que la part du rétro-éclairage devrait décroître dès 2014 en raison d'évolutions techniques10.
La part destinée à l'automobile semble dans les années 2010-2015 stable (environ 10 % du marché global) et pourrait le rester jusqu'à 202010. Les LED ont d'abord équipé des véhicules de luxe (Audi, Mercedes) puis de moyenne gamme (Seat Léon, Volkswagen Polo en 2014).
En 2016, les principaux fabricants sur ce marché sont Nichia et Toyoda Gosei au Japon, notamment pour les LED GaN de « forte » puissance (plus de 1 watt), Philips Lumileds Lighting Company et OSRAM Opto Semiconductors GmbH en Europe, Cree et General Electric aux États-Unis. Samsung Electronics et Seoul Semiconductor (en) produisent des LED pour l'automobile.
Mécanisme d'émission
La recombinaison d'un électron et d'un trou d'électron dans un semi-conducteur conduit à l'émission d'un photon. En effet, la transition d'un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d'onde k → {\displaystyle {\vec {k}}} 
. Elle est alors radiative (émissive) c'est-à-dire accompagnée de l'émission d'un photon. Dans une transition émissive, l'énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d'énergie avant (Ei) et après (Ef) la transition :
- h ν = E i − E f {\displaystyle h\nu =E_{i}-E_{f}}
(eV)
Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsqu'on veut émettre de la lumière. Le potentiel imposé aux bornes doit être supérieur à celui imposé par la jonction P-N. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c'est la plus radiative11.
-
Gros-plan d'une diode électroluminescente.
-
Fonctionnement d'une LED.
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Techniques de fabrication
La longueur d'onde du rayonnement émis dépend de la largeur de la « bande interdite » et donc du matériau utilisé. Toutes les valeurs du spectre lumineux peuvent être atteintes avec les matériaux actuels. L'infrarouge est obtenu grâce à l'arséniure de gallium (GaAs) dopé au silicium (Si) ou au zinc (Zn). Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux propriétés différentes. Les diodes à l'arséniure de gallium sont les plus économiques et les plus utilisées. Les diodes à l'arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) offrent une plus grande puissance de sortie mais nécessitent une tension directe plus élevée et ont une longueur d'onde plus courte (< 950 nm, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) ; elles présentent une bonne linéarité jusqu'à 1,5 A. Enfin, les diodes à double hétérojonction (DH) AlGaAs offrent les avantages des deux techniques précédentes (faible tension directe) avec des temps de commutation très courts (durée nécessaire pour qu'un courant croisse de 10 % à 90 % de sa valeur finale ou pour décroître de 90 % à 10 %), permettant des débits de données très élevés dans les transmissions de données numériques par fibres optiques. Les temps de commutation dépendent de la capacité de la jonction dans la diode.
Efficacité lumineuse
Un ours éclairé par des diodes électroluminescentes.
L'efficacité lumineuse varie selon le type de diodes, de 20 à 100 lm/W, et atteint en laboratoire 200 lm/W12. Une grande disparité de performances existe selon la couleur (température de couleur pour le blanc), la puissance ou encore la marque. Les diodes bleues n'excèdent pas 30 lm/W alors que les vertes ont une efficacité lumineuse atteignant 100 lm/W13.
La limite théorique d'une source qui transformerait intégralement toute l'énergie électrique en lumière visible est de 683 lm/W14, mais il faudrait qu'elle possède un spectre monochromatique de longueur d'onde 555 nm. L'efficacité lumineuse théorique d'une LED blanche est de l'ordre de 250 lm/W15. Ce chiffre est inférieur à 683 lm/W du fait que le maximum de sensibilité de l'œil se situe vers 555 nm.
L'efficacité lumineuse des LED blanches de dernière génération est supérieure à celle des lampes à incandescence mais aussi à celle des lampes fluocompactes ou encore de certains modèles de lampes à décharge. Le spectre de la lumière émise est presque intégralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d'onde sont comprises entre 400 nm et 700 nm). Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes à décharge, les diodes électroluminescentes n'émettent quasiment pas d'infrarouge, sauf celles fabriquées spécifiquement dans ce but.
L'efficacité lumineuse dépend de la conception de la LED. Pour sortir du dispositif (semi-conducteur puis enveloppe externe en époxy), les photons doivent traverser (sans être absorbés) le semi-conducteur, de la jonction jusqu'à la surface, puis traverser la surface du semi-conducteur sans subir de réflexion et, notamment, ne pas subir la réflexion totale interne qui représente la grosse majorité des cas. Une fois arrivé dans l'enveloppe externe en résine époxy (quelquefois teintée pour des raisons pratiques et non pour des raisons optiques), la lumière traverse les interfaces vers l'air à incidence proche de la normale ainsi que le permet la forme de dôme avec un diamètre bien plus grand que la puce (3 à 5 mm au lieu de 300 µm). Dans les diodes électroluminescentes de dernière génération, notamment pour l'éclairage, ce dôme plastique fait l'objet d'une attention particulière car les puces sont plutôt millimétriques dans ce cas et le diagramme d'émission doit être de bonne qualité. À l'inverse, pour des gadgets, on trouve des LED quasiment sans dômes.
Effet Auger
Aux fortes intensités, l'efficacité lumineuse des LED chute au cours de leur vie. Il a été suspecté en 2007-200816,17, mieux compris en 2010-201118,19 puis confirmé début 2013 que cette diminution est attribuable à un « effet Auger » qui dissipe une partie de l'énergie sous forme de chaleur20,21. Des projets de recherche visent à limiter ou contrôler cet effet22.
Caractéristiques techniques
Forme
Ce composant peut être encapsulé dans divers boîtiers destinés à canaliser le flux de lumière émis de façon précise : cylindrique à bout arrondi en 3, 5, 8 et 10 mm de diamètre, cylindrique à bout plat, ou de forme plate (LED SMD23), rectangulaire, sur support coudé, en technologie traversante ou à monter en surface (Composant monté en surface, CMS).
Les LED de puissance ont des formes plus homogènes : la Luxeon 1 W ci-contre est assez représentative. Ces types de LED sont également disponibles en version « multicœur », « multipuces », ou « multichips » en anglais, dont la partie émissive est composée de plusieurs puces semi-conductrices.
L'enveloppe transparente, ou « capot », est généralement en résine époxy, parfois colorée ou recouverte de colorant.
Luminosité
L'intensité lumineuse des diodes électroluminescentes basse puissance est assez faible, mais suffisante pour la signalisation sur tableau ou appareils, voire en montage de multiples unités dans les feux de circulation (feux tricolores, passages piétons). Les bleues sont également suffisamment puissantes pour signaliser les bords de route, la nuit, aux abords des villes. Le bâtiment du NASDAQ, à New York possède une façade lumineuse animée entièrement réalisée en LED (quelques millions).
Les LED de puissance sont aussi utilisées dans la signalisation maritime comme sur les bouées permanentes. Deux de ces diodes sont situées l'une par-dessus l’autre et suffisent à un éclairement important et visible par les bateaux de nuit.
Lampes à diode électroluminescente.
Des LED de forte puissance ont vu le jour au début des années 2000. Dans la première décennie du XXIe siècle, des rendements lumineux d'environ 130 lumens/watt sont ainsi atteints. Par comparaison, les ampoules à filament de tungstène de 60 W atteignent un rendement lumineux d'environ 15 lumens/watt et le rendement lumineux maximum théorique étant de 683 lumen par Watt (découlant de la définition de la candela et du lumen).
Les LED sont, dès 2014, suffisamment puissantes pour servir d'éclairage principal dans le secteur de l'automobile. Employées d'abord pour les feux de position, stop, clignotants ou de recul, celles-ci remplaceront certainement, à terme, toutes les lampes à incandescence.
Couleurs
La couleur de la lumière d'une diode électroluminescente peut être produite de différentes manières24,25 :
- couleur due à la nature du semi-conducteur (capot transparent) : la longueur d'onde émise correspond directement au gap du matériau utilisé ;
- coloration modifiée par le capot de la diode (émission bleue ou UV + revêtement à base de luminophores) ;
- coloration par plusieurs émissions de longueur d'onde différentes (diodes électroluminescentes polychromatiques). Elles permettent notamment de proposer une vaste gamme de couleurs26.
Voici quelques colorations en fonction du semi-conducteur utilisé :
| Couleur | Longueur d'onde (nm) | Tension de seuil (V)[réf. nécessaire] | Semi-conducteur utilisé |
|---|
| Infrarouge |
λ > 760 |
ΔV < 1,63 |
arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) |
| Rouge |
610 < λ < 760 |
1,63 < ΔV < 2,03 |
arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
phospho-arséniure de gallium (GaAsP) |
| Orange |
590 < λ < 610 |
2,03 < ΔV < 2,10 |
phospho-arséniure de gallium (GaAsP) |
| Jaune |
570 < λ < 590 |
2,10 < ΔV < 2,18 |
phospho-arséniure de gallium (GaAsP) |
| Vert |
500 < λ < 570 |
2,18 < ΔV < 2,48 |
nitrure de gallium (GaN)
phosphure de gallium (GaP) |
| Bleu |
450 < λ < 500 |
2,48 < ΔV < 2,76 |
séléniure de zinc (ZnSe)
nitrure de gallium-indium (InGaN)
carbure de silicium (SiC) |
| Violet |
400 < λ < 450 |
2,76 < ΔV < 3,1 |
|
| Ultraviolet |
λ < 400 |
ΔV > 3,1 |
diamant (C)
nitrure d'aluminium (AlN)
nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN) |
| Blanc |
Chaude à froide |
ΔV = 3,5 |
|
Pour le blanc, on ne parle pas de longueur d'onde mais de température de couleur proximale. Celle des diodes électroluminescentes est assez variable en fonction du modèle.
Modules communs
|
| 8520 |
8.5 x 2.0 |
0.5 & 1 |
55-60 |
80 |
|
|
|
110 |
120 |
Monochrome |
| 7020 |
7.0 x 2.0 |
0.5 & 1 |
40-55 |
75-85 |
|
|
|
80 |
110 |
Monochrome |
| 7014 |
7.0 x 1.4 |
0.5 & 1 |
35-50 |
70-80 |
|
|
|
70 |
100 |
Monochrome |
| 5736 |
5.7 x 3.6 |
0.5 |
40-55 |
80 |
15-18 |
120 |
non |
80 |
110 |
|
| 5733 |
5.7 x 3.3 |
0.5 |
35-50 |
80 |
15-18 |
120 |
non |
70 |
100 |
|
| 5730 |
5.7 x 3.0 |
0.5 |
30-45 |
75 |
15-18 |
120 |
non |
60 |
90 |
|
| 5630 |
5.6 x 3.0 |
0.5 |
30-45 |
70 |
18.4 |
120 |
non |
60 |
90 |
|
| 5060 |
5.0 x 6.0 |
0.2 |
26 |
|
|
|
non |
130 |
|
Monochrome |
| 5050 |
5.0 x 5.0 |
0.2 |
24 |
|
|
|
non |
120 |
|
Monochrome ou RGB |
| 4014 |
4.0 x 1.4 |
0.2 |
22-32 |
75-85 |
|
|
|
110 |
160 |
|
| 3535 |
3.5 x 3.5 |
0.5 |
35-42 |
75-80 |
|
|
|
70 |
84 |
|
| 3528 |
3.5 x 2.8 |
0.06-0.08 |
4-8 |
60-70 |
3 |
120 |
non |
70 |
100 |
|
| 3258 |
3.2 x 5.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 3030 |
3.0 x 3.0 |
0.9 |
110-120 |
|
|
|
|
120 |
130 |
|
| 3020 |
3.0 x 2.0 |
0.06 |
5.4 |
|
2.5 |
120 |
non |
80 |
90 |
|
| 3014 |
3.0 x 1.4 |
0.1 |
9-12 |
75-85 |
2.1-3.5 |
120 |
oui |
90 |
120 |
|
| 2835 |
2.8 x 3.5 |
0.2 |
14-25 |
75-85 |
8.4-9.1 |
120 |
oui |
70 |
125 |
|
| 1206 |
1.2 x 0.6 |
|
3-6 |
55-60 |
|
|
|
|
|
|
| 1104 |
1.1 x 0.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(Sources : Вікіпедія, chap. SMD LED Module27)
Câblage et alimentation électrique
Comme toutes les diodes, les diodes électroluminescentes sont polarisées, elles présentent un « sens passant » et un « sens bloquant ». Dans le sens bloquant, la tension d'avalanche est plus faible que sur une diode dite de redressement. Dans le sens passant, on trouve un effet de seuil et un courant nominal à ne pas dépasser : on raccorde le pôle « - » à la cathode « - » et donc le pôle « + » à l'anode « + »28. Les diodes à dôme basse puissance ont généralement trois détrompeurs : la cathode est plus courte, l'électrode à l'intérieur du dôme est plus grosse et le bord extérieur du dôme est plat. Inversement, l'anode est plus longue, l'électrode à l'intérieur du dôme est plus petite et le bord extérieur du dôme est arrondi (cf. illustration).
-
Gros-plan d'une diode électroluminescente.
-
L'anode et la cathode d'une LED. Les signes indiquent la polarisation (courant conventionnel) lorsque la diode est utilisée en sens direct.
Cliquez sur une vignette pour l’agrandir.
Sur tous les modèles et pour toutes les puissances, il est indispensable de ne pas dépasser l'intensité admissible (typiquement : 10 à 30 mA pour une LED de faible puissance et de l'ordre de 350 à 1 000 mA pour une LED de forte puissance). On intercale pour cette raison un circuit limiteur de courant, souvent une résistance en série pour les faibles puissances. Les données du fabricant permettent de calculer la résistance en fonction de cette intensité désirée I, de Valim la tension d'alimentation, de VLED la tension directe de la LED et du nombre n de LED en série (loi d'Ohm : R = (Valim - n × VLED) / I). On peut regrouper plusieurs diodes dans un schéma série ou série-parallèle : les tensions directes s'additionnant en mode série ; ce qui permet de diminuer la résistance en série et donc d'augmenter le rendement du dispositif. Le courant maximal admissible est multiplié par le nombre de diodes en parallèle.
Une méthode peu dispendieuse en énergie et adaptée aux plus forte puissances consiste à utiliser un circuit de régulation du courant construit sur des principes analogues à ceux mis en œuvre dans les alimentations électriques à découpage. Cette méthode est employée pour les lampes LED d'éclairage, le circuit est intégré dans les culots des lampes.
Pour conserver leurs caractéristiques colorimétriques (température de couleur proximale, IRC…), il est primordial d'apporter un soin particulier à l'alimentation électrique des LED29.
Points forts et faiblesses
Avantages
- Petite taille : on peut par exemple construire des LED de la taille d'un pixel (ce qui ouvre la possibilité d'utiliser des diodes pour construire des écrans de haute résolution).
- Facilité de montage sur un circuit imprimé, traditionnel ou composant monté en surface (CMS).
- Consommation inférieure aux lampes à incandescence et du même ordre de grandeur que les tubes fluorescents.
- Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations).
- Taille beaucoup plus réduite que les lampes classiques, ce qui offre la possibilité de réaliser des sources de lumière très ponctuelles, de faible à très faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts) et avec un bon rendement. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices.
- Durée de vie (20 000 à 50 000 heures environ) beaucoup plus longue qu'une lampe à incandescence (1 000 heures) ou qu'une lampe halogène (2 000 heures), mais du même ordre de grandeur que les lampes fluorescentes (5 000 à 70 000 heures). Les lampes puissantes voient leur durée de vie limitée, mais pouvant néanmoins atteindre 10 000, voire 15 000 heures selon le type d'utilisation qui en est fait30[source insuffisante],31.
- Fonctionnement en très basse tension (TBT), gage de sécurité et de facilité de transport. Pour les campeurs, des lampes de poche à LED peuvent être actionnées par une simple dynamo à main (« lampe à manivelle ») de mouvement lent.
- En matière de sécurité, par rapport aux systèmes lumineux classiques, l'inertie lumineuse est quasiment nulle. Elles s'allument et s'éteignent en un temps très court, ce qui permet l'utilisation en transmission de signaux à courte distance (optocoupleurs) ou longue (fibres optiques). Les LED atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
- Les LED classiques de 5 mm ne chauffent presque pas. Pour les montages de puissance supérieure à 1 W, il faut prévoir une dissipation de la chaleur, faute de quoi la diode sera fortement endommagée, voire détruite du fait de l'échauffement. En effet, une diode électroluminescente convertit environ 20 % de l'énergie électrique en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur.
- Les LED RVB (rouge-vert-bleu) permettent des mises en valeur colorées avec des possibilités de variations sans limite.
Inconvénients
Spectre du rayonnement émis par une lampe à LED blanche.
- L'indice de rendu de couleur (IRC) s'est amélioré depuis 2010. Les LED dites blanches sont généralement des LED bleues ou émettant dans l'UV, dont une partie de la lumière produite est transformée par fluorescence en lumière jaune au moyen d'un luminophore qui est souvent un grenat d'yttrium et d'aluminium dopé par des ions de terres rares tels que le cérium trivalent Ce3+ (d'autres matériaux luminescents pouvant être utilisés pour produire un blanc plus chaud)32,33 : le spectre est moins régulier que celui d'une lampe halogène. Plus rarement, le blanc est obtenu au moyen de trois diodes de couleurs différentes.
- Les LED, comme tout composant électronique, ont des limites maximales de température de fonctionnement, de même que certains composants passifs constitutifs de leur circuit d'alimentation (comme les condensateurs chimiques qui s'échauffent en fonction du courant efficace), ce qui conditionne en partie la durée de vie des lampes à LED. La dissipation thermique des composants des ampoules à LED est un facteur limitant leur montée en puissance, notamment en assemblages multipuces34. Les recherches portent sur des moyens de limiter la température et de mieux dissiper la chaleur des LED de puissance (par exemple pour des lampadaires ou phares automobiles)34,35.
- Selon le constructeur Philips, l'efficacité lumineuse de certaines LED baisse rapidement (comme pour la plupart des technologies lumineuses) pour ne plus produire en fin de vie que 20 % de la quantité de lumière initiale, mais pour les LED les plus performantes du marché, la quantité de lumière produite en fin de vie serait encore d'au moins 70 %note 2. La température accélère la baisse de l'efficacité lumineuse. Philips précise que la couleur peut varier sur certaines LED blanches et tirer sur le vert en vieillissant36.
- Le processus de fabrication d'une LED est plus coûteux en énergie que celui d'une lampe à incandescence.[réf. nécessaire]
Perspectives
En , le Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (LETI) du CEA et son voisin, l'Institut des nanosciences et cryogénie (INAC), mettent au point une diode électroluminescente quatre fois moins chère à produire et produisant trois fois plus de lumière37,38,39.
Utilisations
Familles
Il existe plusieurs manières de classer les diodes semi-électroluminescentes :
Classement selon la puissance
La première est un classement par puissance :
- les diodes électroluminescentes de faible puissance < 1 W. Ce sont les plus connues du grand public car elles sont présentes dans notre quotidien depuis des années. Ce sont elles qui jouent le rôle de voyant lumineux sur les appareils électroménagers par exemple ;
- les LED de forte puissance > 2 W. Elles sont en plein essor dans les années 2010 et leurs applications sont de plus en plus connues du grand public : flash de téléphones portables, éclairage domestique, éclairage de spectacle, lampe de poche ou frontales… Le principe de fonctionnement est identique. Certaines différences significatives existent entre les deux familles, consacrées chacune à un champ d'application spécifique.
Classement selon le spectre d'émission
Une autre manière de les classer est de considérer la répartition de l'énergie dans la gamme de longueur d'onde couvrant le visible (longueurs d'onde de l'ordre de 380 à 780 nm) ou l'invisible (principalement l'infrarouge). La raison de la distinction réside dans le fait que certaines diodes peuvent servir à éclairer :
- les chromatiques : l'énergie est concentrée sur une plage étroite de longueur d'onde (20 à 40 nm). Ces sources ont un spectre quasiment monochromatique ;
- les blanches : l'énergie est répartie dans le visible sur toute la gamme de longueurs d'onde (380 à 780 nm environ) ;
- les infrarouges : l'énergie est émise hors du spectre de la lumière visible (au-delà de 700 nm de longueur d'onde). Elles sont utilisées pour transmettre des signaux de télécommandes ou pour de la télémesure exploités par exemple dans la détection de position des consoles de jeux telles que la Wii, ou servir d'éclairage pour les caméras infrarouge, etc.
Autres classements
D'autres classements sont possibles, par exemple selon le caractère monopuce ou multipuce, la durée de vie, la consommation d'énergie ou encore la robustesse en cas de sollicitations sous contraintes (comme pour certains matériels industriels, militaires, spatiaux…)
Diodes électroluminescentes ordinaires
Éclairage
- Signalisation routière, éclairage de voitures, motos, camions ou de bicyclettes.
- Signalisation ferroviaire.
- Éclairage invisible pour caméras de surveillance (dans l'infrarouge).
- Luminaires et éclairage public (plus récemment), avec par exemple Los Angeles, première métropole qui a remplacé ses 140 000 ampoules d'éclairage urbain par des diodes électroluminescentes de 2009 à 2014, ce qui devrait réduire de l'équivalent de 40 500 tonnes de carbone les émissions annuelles de cette ville (soit l'équivalent des émissions de 6 700 voitures)40. Après le remboursement de l'investissement, la ville pense aussi diminuer ses charges d'éclairage en économisant annuellement 10 millions de dollars40.
Affichage
Un hub
Ethernet à 4 ports, équipé de deux LED vertes sur chacune des quatre prises RJ-45, sur la gauche une LED verte de mise sous tension et une LED jaune d'indication de collision
Diodes vertes et rouges allumées dans un switch modulaire professionnel Cabletron SmartSwitch 6000 (2000).
- Signalisation d'état d'appareils divers (lampes témoins en face avant ou sur le circuit, tableaux de bord de voitures, équipements de sécurité).
- Affichage alphabétique ou numérique d'appareils de mesure, de calculatrices, d'horloges.
- Affichages de niveaux de mesures (niveaux de cuves, VU-mètres).
- Affichage statique ou dynamique de messages (journaux lumineux).
Source de lumière quasi monochromatique
Diodes électroluminescentes blanches
L'amélioration du rendement des LED permet de les employer en remplacement de lampes à incandescence ou fluorescence, à condition de les monter en nombre suffisant :
En 2006, le groupe américain Graffiti Research Lab a lancé le mouvement Led throwies (« lancer de LED ») qui consiste à égayer les lieux publics en ajoutant de la couleur sur des surfaces magnétiques. Pour ceci, on combine une LED, une pile au lithium et un aimant, et on lance l'ensemble sur une surface magnétique41.
Les LED sont utilisées pour réaliser des écrans vidéo de très grande taille (plateaux TV salon dans des grands halls, stade…).
Le rétroéclairage de l'écran par des diodes électroluminescentes permet de fabriquer des écrans plus fins, plus lumineux, ayant une étendue colorimétrique plus importante et plus économes que son prédécesseur ACL à rétroéclairage par tube fluorescent (technologie CCFL)42.
Essor des LED
En 2007, Audi et Lexus bénéficient de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles munis de feux avant à LED. En 2009, la Ferrari 458 Italia innove elle aussi avec des phares à LED. En 2020, la majorité des automobiles avec un niveau d'équipement élevé bénéficient de feux de route à LED désormais bien plus performants que les éclairages à lampe à incandescence halogène.
Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des LED dans le but de diminuer leur facture d'électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux LED est aussi courant dans les feux tricolores. L'exemple de Grenoble est le plus souvent cité : la ville a réalisé son retour sur investissement en trois ans seulement. En effet, les LED permettent des économies d'énergie, mais ce sont surtout les coûts de maintenance qui baissent, du fait de leur robustesse.
En 2010, La Régie autonome des transports parisiens (RATP) expérimente l'éclairage des espaces du métro parisien, notamment à la station Censier-Daubenton première station de métro entièrement éclairée par cette technologie. En 2012 estimant le produit mature la RATP décide de modifier la totalité de son éclairage vers la technologie LED. C'est plus de 250 000 luminaires qui seront modifiés, faisant ainsi du métro parisien le premier réseau de transport en commun d'envergure à adopter le « tout LED »43. Le remplacement des éclairages est finalisé en 201644.
Santé
Spectres de lampes 1)
sodium haute pression et 2) LED testées selon leur caractère plus ou moins attractif sur les insectes
45 (l'étude a montré que le spectre lumineux de la LED était beaucoup plus attractif pour les insectes
45).
La méthode la plus rentable économiquement pour fabriquer des LED, qui consiste à combiner une diode émettant une longueur d'onde courte (dans le bleu) avec un luminophore jaune pour produire de la lumière blanche, pose la question de la composante intense dans la partie bleue du spectre de la lumière émise, composante connue pour perturber l'horloge circadienne46,47.
Sur cette question, en France, l'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (ANSES) recommande de ne plus commercialiser auprès du grand public que les LED ne présentant pas de risque lié à la lumière bleue, ainsi qu'une mise à jour de la norme franco-européenne NF EN 62 47148,49,50.
Environnement
Le bilan environnemental des diodes électroluminescentes est discuté, car leur développement considérable pourrait augmenter les tensions sur le marché de certaines ressources non renouvelables (terres rares ou métaux précieux) et parce que la conversion des éclairages urbains aux LED semble souvent susciter une augmentation de l'illumination globale du ciel nocturne, et donc de la pollution lumineuse, visible depuis l'espace51.
En contrepartie, les LED ont un fort potentiel d'économies d'énergie, si leur utilisation est raisonnée pour éviter le risque d'effet rebond[réf. souhaitée].
Effets sur la faune
Des préoccupations concernent également l'impact sanitaire de lampes mal utilisées. Ainsi, selon une étude publiée en 2014 dans la revue Ecological Applications, alors que l'éclairage nocturne municipal et industriel a déjà changé la répartition des différentes espèces d'invertébrés autour des sources lumineuses52 et semble contribuer à la régression ou la disparition de nombreuses espèces de papillons53, l'éclairage public tend à utiliser à grande échelle les diodes électroluminescentes45. La question de l'impact des spectres lumineux des lampes prend donc de l'importance54. Ces spectres lumineux ont récemment beaucoup changé, et ils changeront encore avec le développement des LED55. Or, il apparaît que le spectre lumineux émis par les LED mises sur le marché dans les années 2000-2014 attire les papillons de nuit et certains autres insectes plus que la lumière jaune des ampoules à vapeur de sodium, en raison d'une sensibilité élevée de ces invertébrés nocturnes aux parts vert-bleue et UV du spectre. Des pièges lumineux à insectes volants équipés de LED capturent 48 % plus d'insectes que les mêmes pièges utilisant des lampes à vapeur de sodium, avec un effet également lié à la température de l'air (les invertébrés sont des animaux à sang froid, naturellement plus actifs quand la température s'élève). Lors de cette étude, plus de 20 000 insectes ont été capturés et identifiés : les espèces les plus fréquemment piégées étaient des papillons et des mouches45.
Ces lampes sont froides et ne brûlent pas les insectes comme pouvaient le faire des lampes halogènes, mais le caractère très attractif des LED pour de nombreux invertébrés peut leur être fatal ; leur vol est perturbé et, dans la zone d'attraction, ils sont mis en situation de « piège écologique », car largement surexposés à des prédateurs de type araignées et chauve-souris, avec de possibles effets écologiques plus globaux si ces lampes étaient utilisées à grande échelle (perturbation des réseaux trophiques et possible renforcement des infestations de certaines cultures ou sylvicultures par des « ravageurs phytosanitaires » attirés par ces lampes, tels que le Bombyx disparate, qui est source de dégâts importants depuis qu'il a été introduit aux États-Unis et qui se montre très attiré par la lumière56 (les auteurs pointent les ports où un éclairage LED pourrait directement attirer des ravageurs ou des espèces exotiques envahissantes accidentellement apportées par des bateaux45). Ces espèces anormalement favorisées pourraient à leur tour mettre en péril des espèces natives rares ou menacées57.
L'étude de 2014 n'a pas pu conclure que manipuler la température de la couleur des LED diminuait leur impact, mais les auteurs estiment qu'utiliser des filtres ou une combinaison de LED rouges, vertes, et bleues pourrait peut-être diminuer cette attraction fatale, au prix d'une consommation électrique et d'énergie grise45 ou de terres rares accrue. Ils concluent qu'il existe un besoin urgent de recherche collaborative entre écologues et ingénieurs de la lumière pour minimiser les conséquences potentiellement négatives des développements futurs de la technologie LED45. En amont, l'écoconception des LED pourrait faciliter le recyclage des lampes usagées et, en aval, le ré-usage de LED d'objets désuets ou en fin de vie. De même, des systèmes intelligents d'asservissement de l'éclairage aux besoins réels sont possibles : lampes équipées de filtres limitant les émissions dans le bleu-vert et le proche-UV, mieux bafflées, c'est-à-dire produisant moins de halo et moins éblouissantes, ne s'allumant qu'à l'intensité nécessaire et uniquement quand on en a besoin, via un processus d'éclairage intelligent comportant la détection de présence et de luminosité ambiante, si possible intégré dans un smart grid ou un système écodomotique plus global. En 2014, quatre villes dont Bordeaux, Riga en Lettonie, Piaseczno en Pologne et Aveiro au Portugal testent ce type de solution dans le cadre du programme européen « LITES »58 (à l'installation, ces systèmes sont 60 % plus chers, mais ce surcoût doit être rapidement récupéré par les économies d'électricité et l'amélioration de la qualité de l'environnement nocturne).
Notes et références
Notes
- Il s'agit en fait plus exactement de la gamme des couleurs, c'est-à-dire de ce dont l'œil reçoit l'impression.
- La législation[Où ?] impose aux fabricants d'indiquer la puissance lumineuse de leurs ampoules LED au bout de 6 000 heures d'utilisation.
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Annexes
Sur les autres projets Wikimedia :
Bibliographie
- Frank Wohlrabe, Guide pratique de l’infrarouge : télécommande, télémétrie, tachymétrie, Publitronic, 29 mai 2002, (ISBN 2866611284).
- Libero Zuppiroli et Daniel Schlaepfer, Lumières du futur, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2011, (ISBN 9782880749422).
Articles connexes
Liens externes
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Paramètres du gestionnaire d'écran de veille XScreenSaver avec ici l'écran de veille XMatrix
Un écran de veille est un programme informatique dont le but originel était de préserver la qualité d'image des écrans d'ordinateurs de type cathodique qui conservaient "l'empreinte" des fenêtres de logiciels, en stoppant l'affichage de l'écran (écran noir), ou en changeant les couleurs affichées sur chaque pixel (motifs et animations). Le mot anglais pour les désigner est screensaver, qui littéralement signifie « économiseur d'écran ».
Utilité
En , la plupart des écrans d'ordinateur qui sont fabriqués reposent sur des technologies récentes telles que l'affichage à cristaux liquides (écrans plats). Elles tendent à remplacer progressivement celle du tube cathodique qui était jusqu'à présent la principale technologie utilisée pour les moniteurs et les postes de télévision. L'écran à tube cathodique (ou CRT en référence au terme anglais Cathode Ray Tube) génère un flux d'électrons émis par un canon placé à l'arrière du tube puis dévié à l'aide de champs électromagnétiques pour produire une image ligne par ligne et ce de nombreuses fois par seconde. Dans certaines situations, l'image affichée à l'écran change constamment mais dans d'autres cas, certaines zones, voire l'écran entier reste identique pendant une longue période (comme la barre des tâches dans Windows). Lorsqu'une même image est affichée à l'écran pendant un délai important, les propriétés des zones de la couverture de phosphore à l'intérieur de l'écran ainsi exposées changent graduellement et de façon constante, créant finalement un phénomène d'ombre ou d'image fantôme persistante. Les télévisions, oscilloscopes et tous les appareils fonctionnant avec un tube cathodique sont susceptibles de subir cet artefact de combustion interne du phosphore, comme les écrans à plasma dans une certaine mesure.
À l'origine, les écrans de veille avaient pour but de protéger les écrans de ce phénomène en changeant périodiquement les images affichées à l'écran (d'où le nom anglais screensaver qui signifie « économiseur d'écran »). Habituellement, ils sont réglés pour se déclencher automatiquement après un certain délai d'inactivité, c'est-à-dire lorsqu'aucune touche du clavier n'a été enfoncée et que la souris n'a pas été déplacée. Le travail de l'écran de veille consiste alors à effacer l'écran (il reste alors une seule couleur uniforme noire) ou le plus souvent à générer un graphisme animé, évitant ainsi à l'écran d'afficher en permanence la même image et de se détériorer progressivement. Tant qu'aucune touche du clavier n'est enfoncée ou que la souris n'est pas déplacée, l'écran de veille reste actif. Si une intervention humaine se produit, alors l'écran de veille s'arrête et l'écran affiche de nouveau l'image qu'il affichait avant que l'écran de veille ne démarre, permettant ainsi à l'utilisateur de reprendre son travail.
En ce qui concerne les écrans CRT utilisés dans les bornes publiques comme le guichet de banque automatique ou la borne pour la réservation ou l'achat de billet, dans les gares de train (comme les bornes de la SNCF ou de l'AMT de Montréal, au Québec), le risque de détérioration est particulièrement élevé puisque l'écran affiche la même image dès que l'appareil n'est pas utilisé. Ce problème était assez flagrant avec les anciennes machines pour lesquelles le phénomène de combustion interne n'a pas été pris en compte comme les guichets automatiques sur lesquels un message du genre « Insérez votre carte » restait visible même lorsque l'appareil était inutilisé. Avec ces appareils, il n'est pas question de rendre l'écran noir car cela pourrait laisser penser au potentiel usager que l'appareil est hors-service. Le problème est donc le plus souvent contourné en animant le contenu de l'écran régulièrement ou en faisant alterner différentes images à l'écran.
Les écrans CRT modernes sont moins susceptibles de subir le phénomène de combustion interne comparés aux anciens modèles car des améliorations ont été apportées au revêtement de phosphore des écrans et les images affichées à l'écran sont, d'une manière générale et de nos jours, moins lumineuses et moins contrastées que celles des premiers ordinateurs qui affichaient du blanc, du jaune, de l'orangé ou du vert lumineux sur fond noir. Les écrans LCD des ordinateurs (y compris ceux des portables) ne sont pas susceptibles de subir d'effet de combustion interne, les images n'étant pas produites à l'aide de phosphore (bien qu'ils puissent souffrir de façon moins importante d'un phénomène de persistance d'image temporaire). Les écrans de veille sont donc actuellement plus utilisés pour des raisons décoratives et ludiques, prenant parfois la forme de diaporamas, de métamorphoses d'images ou d'animations de synthèse accompagnées d'effets sonores.
Critique écologique
Les écrans d'ordinateurs consomment la même quantité d'énergie lorsqu'un écran de veille est actif que lorsqu'il n'y en a pas. Cette quantité peut varier entre quelques watts pour les petits écrans LCD et plusieurs centaines pour les plus grands écrans plasma. Par contre, l'utilisation d'économiseurs d'écran occasionne un surcroît de consommation d'énergie de l'ordinateur lui-même, via l'utilisation de calculs graphiques : cette surconsommation peut aller de quelques watts à plusieurs dizaines de watts supplémentaires. La plupart des ordinateurs récents peuvent être configurés pour basculer les écrans dans un mode de faible consommation tout en rendant l'écran noir. De même, la plupart des systèmes d'exploitation récents proposent généralement des options de gestion de l'alimentation et en particulier un mode d'économie d'énergie pour l'écran.
De plus, utiliser un écran de veille avec un écran plat ou un écran LCD au lieu de l'éteindre peut en réalité réduire sa durée de vie, car la lampe fluorescente du rétroéclairage reste allumée et vieillit donc plus vite que si l'écran était complètement éteint. Lorsque les tubes fluorescents vieillissent, ils deviennent progressivement de plus en plus sombres, et ils peuvent être très coûteux ou difficiles à remplacer. Un écran LCD classique perd environ 50 % de sa luminosité pendant une durée de vie normale du produit ; cette luminosité se perd progressivement de façon continue (le plus souvent, le tube est une partie intégrante des cristaux liquides et l'assemblage entier doit être remplacé).
Divertissement
After Dark était un des premiers écrans de veille pour la plateforme Macintosh et qui faisaient apparaître à l'écran des objets farfelus comme des Grille-pains volants. Plusieurs écrans de veille ont continué à conserver ce côté fantaisiste probablement en réponse au sérieux des lieux de travail dans lesquels ils pouvaient être observés et ont rendu populaires les écrans inactifs avec des animaux, des poissons, des jeux, et des mathématiques récréatives comme les fractales.
Ce côté divertissant et ludique des écrans de veille est mis à profit dans un but de promotion, en particulier pour produire un buzz pour les produits dont la sortie est planifiée comme les films ou les jeux vidéo.
Création artistique
La première contrainte de départ des écrans de veille est de présenter sur le moniteur de l'ordinateur des formes en mouvement. La seconde contrainte était que ces animations soient agréables à regarder. Il était tout naturel que les économiseurs d'écrans se rapprochent de la culture du démo ou de celle de la création artistique sur ordinateur du début des années 1970 (John Whitney par exemple), fortement influencée par l'op art/art cinétique. Par la suite, des artistes ont produit des écrans de veille, comme Francis Alÿs (The Thief, produit par le Walker art center1).
Autres désignations
Les mots « Écran de veille » et « Économiseur d'écran » sont souvent utilisés de façon identique. La seconde désignation est trompeuse. En effet, les écrans de veille ne sont pas forcément aptes à économiser les écrans ou/et de l'énergie (voir aussi la section sur la critique économique).
Une autre désignation a été proposée par le professeur Ingo Kolboom en 2009 lors d'un séminaire sur les études françaises et francophones à l'université technique de Dresde. La désignation "Économiseur d'écran" lui paraissait trop longue et il a proposé de l'appeler ÉcoCran. D'après lui, cette désignation "sera utilisée par tout le monde dans quelques années".
Sécurité
Microsoft Windows
Sous Microsoft Windows, les écrans de veille portent l'extension SCR. Ce sont en fait des programmes, au même titre que les EXE, avec des arguments de commande propres aux écrans de veille. Ce sont donc des fichiers particulièrement susceptibles de contenir des virus ou des logiciels malveillants, car n'importe quel programme Windows portant l'extension SCR s'exécute lorsque l'utilisateur double-clique dessus. Les utilisateurs novices s'en méfient en général moins. Aujourd'hui, bon nombre de fournisseurs de messagerie et de services de messagerie instantanée ne laissent pas passer les fichiers SCR, pour les mêmes raisons que les fichiers EXE.
L'utilisation des écrans de veille permet de renforcer la sécurité d'accès à un poste de travail, avec la possibilité de mettre en place une protection par mot de passe après une période d'inactivité2, pour éviter qu'une personne mal intentionnée profite d'une session laissée ouverte. Cependant pour que ce soit réellement efficace, il faut aussi que l'ouverture de session soit sécurisée pour éviter le contournement par reboot de la machine.
Historique
Le premier écran de veille a été écrit pour l'IBM PC par John Socha, plus connu pour avoir créé le gestionnaire de fichiers Norton Commander. Il est aussi à l'origine du terme screensaver. Ce premier écran de veille (nommé scrnsave puisque les noms de fichiers à l'époque ne pouvaient dépasser 8 lettres) a été publié en décembre 1983 dans le magazine Softalk. Il se contentait alors à l'époque de rendre tout simplement l'écran noir au bout de trois minutes (laps de temps qui ne pouvait être modifié qu'en recompilant le programme !).
Architecture sous-jacente
L'écriture d'écrans de veille fait souvent appel à des bibliothèques graphiques telles qu'OpenGL, GDI (Windows), DirectX (Windows), Quartz (Mac), etc.
Article connexe
Notes et références
-
Ultraviolets des lampes fluorescentes, une source commune artificielle, des rayons
UVA. Le rayonnement de ces lampes déborde dans le haut du spectre de la lumière visible, ce qui donne la couleur violette qu’on observe. Il existe également des lampes
UV de laboratoire, qui sont équipées d'un filtre pour supprimer la partie visible de leur spectre.
Le rayonnement ultraviolet (UV), également appelé « lumière noire » parce que généralement invisible à l’œil nu, est un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde inférieure à celle de la lumière visible, mais supérieure à celle des rayons X. Les rayons UV ne peuvent être observés qu’indirectement, soit par la fluorescence, soit à l’aide de détecteurs spécialisés.
Le nom signifie « au-delà du violet » (du latin ultra : « au-delà de »), le violet étant la couleur de fréquence la plus élevée (et donc de longueur d'onde la plus courte) de la lumière visible.
Les ampoules ordinaires sont conçues pour émettre peu d'ultraviolets1, à l'inverse des ampoules ultraviolettes et du soleil.
Les ultraviolets ont été découverts en 1801 par le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter d'après leur action chimique sur le chlorure d'argent.
Les couleurs visibles vont de 623 à 740 nm pour le rouge et de 380 à 430 nm pour le violet. Au delà, les lumières invisibles du spectre ultraviolet peuvent être subdivisées selon leur longueur d'onde en :
- UV proches (380-200 nm), VUV (Vacuum ultraviolet, 200-120 nm) qui, comme leur nom l'indique, ne se propagent pas dans l'air, et ultraviolets extrêmes (120–10 nm), d'autres standards peuvent donner d'autres définitions (cf. ISO 21348, Definitions of Solar Irradiance Spectral Categories en section Bandes spectrales des radiations UV) ;
- UV-A1 : 340−400 nm ; UV-A2 : 315−340 nm ; UV-B : 280−315 nm ; UV-C : 100−280 nm. Ces trois bandes sont standardisées.
Les ultraviolets sont la cause du bronzage mais, à haute dose, sont nocifs pour la santé humaine, notamment à cause de leur effet mutagène ; ils peuvent provoquer des cancers cutanés tels que le mélanome, provoquer un vieillissement prématuré de la peau (rides), des brûlures (coup de soleil), des cataractes. Ils sont néanmoins nécessaires à petites doses régulières pour la synthèse de la vitamine D. Ils sont capables de « casser » de nombreux composés organiques en suspension dans l'air ou dans les eaux superficielles, et des agents tels que les virus à ARN, et participant à la destruction (photodégradation) de certains polluants ou de molécules odorantes (parfums des fleurs par exemple), mais aussi à la pollution photochimique (ozone troposphérique, NOx…).
Généralités
Cette plante de l'espèce
Rheum nobile peut pousser à très haute altitude grâce à un capuchon de feuilles translucides qui fait effet de serre et la protège du froid et des UV-B qui sont les principaux facteurs limitants de la vie à cette altitude. Les plantes de régions polaires ont développé des adaptations aux UV
2.
Près de 5 % de l'énergie électromagnétique du Soleil est émise sous forme de rayonnement UV. Ces rayons UV sont classés dans trois catégories en fonction de leur longueur d'onde : les UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) et UV-C (280-100 nm). Toutefois, en raison de l'absorption des UV par la couche d'ozone de l'atmosphère, 95 % de la lumière UV qui atteint la surface de la Terre appartient à la gamme des UV-A3,4.
Les UV traversent l'atmosphère même par temps froid ou nuageux. Ils n'ont rien à voir avec la sensation de chaleur procurée par le Soleil, qui est due aux infrarouges. L'intensité lumineuse des UV est plus importante à midi solaire et à haute altitude, car en traversant une plus courte distance dans l'atmosphère, ils ont moins de chances d'être interceptés par des molécules d'ozone. La quantité d'UV-B augmente d'environ 4 % chaque 300 mètres de dénivelé.
Les UV sont réfléchis par l'eau (5 % des UV réfléchis), le sable (20 % des UV réfléchis), l'herbe (5 % des UV réfléchis) et surtout la neige (85 % des UV réfléchis).
Le trou dans la couche d'ozone permet les passages de spectres ultraviolets que l'ozone arrête, ce qui est potentiellement dangereux en raison de la nocivité importante de ces ultraviolets. L'Antarctique est le seul continent touché par ce trou, les effets nocifs concernent donc un très petit nombre d'êtres vivants, tels que les manchots. L'Arctique est touché depuis peu, à la suite de l'hiver très froid entre 2010 et 2011[réf. souhaitée].
Le soleil est le plus agressif au midi solaire en été, c'est-à-dire vers 14 h dans la plus grande partie de l'Europe, en fonction du fuseau horaire. C'est pourquoi il est déconseillé de s'exposer entre 12 h et 16 h, tout particulièrement à proximité de l'eau ou de la neige qui réverbèrent une partie des UV, ou en montagne où les taux d'UV sont plus importants.
Découverte
Les rayons ultraviolets ont été découverts en 1801 par le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter : examinant l'action des différentes couleurs (ou longueurs d'onde) du spectre solaire décomposé par un prisme, sur un papier imbibé de chlorure d'argent, il s'aperçut que le papier brunissait plus rapidement au-delà du violet, donc de toute couleur visible. Il qualifia ce rayonnement invisible de « rayons oxydants », à la fois pour montrer leur réactivité chimique et les opposer aux « rayons thermiques » (c'est-à-dire infrarouges), que William Herschel avait découverts l'année précédente en deçà du rouge du spectre solaire. On adopta peu après l'expression plus simple de « rayons chimiques », qui demeura en usage jusqu'à la fin du XIXe siècle, en dépit des allégations de chercheurs qui y voyaient un rayonnement d'origine essentiellement non-lumineuse (notamment John William Draper, qui les baptisait pour cette raison « rayons tithoniques5,6 ») ; mais finalement les termes de « rayons chimiques » et de « rayons thermiques » le cédèrent aux termes de rayonnement « ultraviolet » et infrarouge, respectivement7,8.
En 1878, on découvrit l'action stérilisante des courtes longueurs d'onde lumineuses sur les bactéries8, et, dès 1903, on reconnut que les longueurs d'onde les plus efficaces à cet égard se situaient autour de 250 nm. En 1960, l'action du rayonnement ultraviolet sur l'ADN fut établie9.
La découverte des rayons ultraviolets d'une longueur d'onde inférieure à 200 nm, appelés « ultraviolets cosmiques » à cause de leur absorption par la couche d'ozone, est due au physicien allemand Victor Schumann10 en 1893.
Prospective
Étant donné leur importance en terme d'écologie, de photochimie de l'atmosphère et de santé publique, il est utile de pouvoir prévoir les taux d'UV futur dans diverses parties du monde.
Ces projections dépendent notamment de la vitesse de cicatrisation des trous dans la couche d'ozone, de la qualité de la couche d'ozone dans le reste de l'atmosphère et donc des scénarios d'émission de gaz délétères pour l'ozone stratosphérique et d'émissions de gaz à effet de serre. De nombreux gaz qui ont contribué à la destruction de la couche d'ozone ont fait l'objet de mesures pour réduire ou arrêter leur production dans le cadre du protocole de Montréal, mais celui-ci ne prend pas en compte le protoxyde d'azote N20, qui contribue également à la dégradation de cette couche et dont les taux n'ont pas cessé de croitre depuis. Les gaz à effet de serre jouent également un rôle car ils modifient les températures à basse et haute altitude modifient aussi la physico-chimie de la couche d'ozone11.
L'activité solaire varie dans le temps selon un cycle solaire (de onze ans, lié aux taches et éruptions solaires)12,13, ce qui est une première source de modification naturelle du climat, mais aussi de variation de la quantité d'UV arrivant dans la stratosphère. En moyenne, environ 5 % de l'énergie reçue du soleil est portée par des UV, et principalement par les UV-C (de 10 à 200 nm). Ces derniers sont les plus dangereux pour le vivant, car les plus énergétiques, mais ils sont entièrement et rapidement absorbés par l’atmosphère qui protège la biosphère (au point que ces rayons UV-C ne sont donc observables que dans le vide sidéral ou au-dessus de l’atmosphère terrestre)11.
Cette variabilité dépend également de plusieurs paramètres géophysiques :
- paramètres géométriques, tels que l'angle de pénétration du rayonnement UV dans l'atmosphère qui dépend du lieu, de l'heure et de la saison11 ;
- chemin (direct ou « diffusif ») parcouru par le rayonnement UV dans l'atmosphère11 ;
- constitution physicochimique de l’atmosphère au moment où le rayonnement UV s'y propage ; avec en particulier :
- la densité de la couche d'ozone sur le trajet de pénétration du rayonnement UV14,
- la nébulosité, dont les effets sont ambigus et complexes ; en effet la nébulosité cause une variabilité spatiotemporelle importante, expliquant plus 20 % de la variabilité journalière de l’indice UV15, avec une échelle de variation temporelle et spatiale parfois très courte. De plus, si certains nuages filtrent efficacement, jusqu'à 50 % voire 90 % pour un ciel couvert à plus de 80 % par des nuages denses16 une partie du rayonnement UV17, d'autres, les cirrus ou la brume dans 80 % des cas, en augmentent au contraire l’intensité. C'est le cas quand la couverture nuageuse est fractionnée tout particulièrement au-dessus d'étendues marines ou neigeuses17,18 : des mesures faites par Schafer et al. en 1996 ont montré des augmentations locales de 11 % des UV reçus au sol19, et en 2011, Jégou et al. ont rapporté une augmentation de 10 % de l’indice UV pour un ciel à environ 65 % couvert de nuages20. Les aérosols naturels issus des embruns marins et des volcans, ou d'origine anthropiques — feux de forêt et de brousse, combustion de biomasse ou d'hydrocarbures fossiles —, peuvent selon les contextes absorber et/ou diffuser les UV en provenance du Soleil ou réverbérés par les neiges et surfaces en eau : ils peuvent diminuer le rayonnement UV reçu au sol de près de 30 %21 ou réduire le forçage radiatif22,23 ;
- l'albédo, en réverbérant une partie des UV augmente leur présence dans l'air ambiant11.
Selon les données disponibles au début du XXIe siècle, à scénario identique de changement climatique, les taux futurs de N2O semblent conditionner de manière déterminante les valeurs futures des taux d'ozone16 et donc d’UV reçus au sol, surtout en zone tropicale11. La complexité des systèmes nuageux (notamment liée à leur variabilité spatiale et temporelle) en fait la source majeure d’incertitude dans les projections climatiques24 et des taux d’UV reçus au sol25.
Effets sur les écosystèmes
Beaucoup d'animaux (dont l'Homme) ont besoin d'un peu d'UV pour synthétiser la vitamine D ; beaucoup d'organismes évident ou réduisent les dégâts induits par les UV par l'évitement comportemental, la photoprotection par des pigments ad hoc, et grâce à des processus de réparation photoenzymatique, mais les méta-analyses scientifiques ont confirmé des effets délétères des UV à tous les niveaux trophiques26.
Les plantes (y compris cultivées) sont sensibles à un déficit comme à un excès d’UV-B ; et par suite les herbivores et carnivores (qui en dépendent) peuvent être indirectement aussi affectés par ces manques ou excès d'UV-B, rappellent Kakani et al. (2003)27.
Les écosystèmes aquatiques, marins notamment, sont très sensibles aux UV :
- le phytoplancton, les bactéries, cyanophycées et archées vivant dans l'eau sont très sensibles aux variations d’UV28, de même que les phages et autres virus très abondants dans les eaux, marines notamment29 ;
- chez les algues, des modélisations de la photoinhibition de la production primaire par les UV dans certaines zones du Pacifique ont conclu que la composante UV de la lumière solaire entraîne une diminution de 20% du potentiel estimé de productivité primaire (tout en ayant des conséquences positifs en endommageant certains prédateurs, concurrents et agents pathogènes moins tolérants aux UV26 ;
- Hader et ses collègues ont montré en 2007 que la photosynthèse phytoplanctonique océanique (source d'une grande partie de l'oxygène de l'air) dépend d'un équilibre subtil entre salinité, température et insolation par les UV-A et UV-B30 ;
- agriculture intensive, précipitations accrues et fonte des glaciers et du pergélisol contribuent ensemble à l'augmentation de la turbidité — de l'eau — qui absorbe les UV près de la surface. Ceci atténue ou supprime un service écosystémique important: la capacité naturelle des UV à désinfecter l'eau31,26. Cela affecte par ailleurs les animaux marins dont la vue est sensible à la lumière du spectre ultraviolet32,33 ;
- les UV détruisent certains polluants par photolyse ou atténuent leur toxicité (ex. : les UV-B transforment le méthylmercure (déméthylation, au moins provisoire) en mercure moins toxique), mais ils créent d'autres polluants, et aggravent la toxicité de certains pesticides et hydrocarbures aromatiques polycycliques. Ils augmentent la libération de micropolluants par les microplastiques et les nanoplastique26.
Depuis quelques décennies, deux risques majeurs d'exposition accrue aux UV existent :
- le trou de la couche d'ozone, que le Protocole de Montréal a commencé à réparer, mais avec une amélioration qui s'est amoindrie depuis 2007 environ ;
- le réchauffement climatique : la diminution (voire disparition) de la durée et de l'épaisseur de l'enneigement et de la couverture de glace expose de nombreux organismes terrestres ou aquatiques aux UV. Le réchauffement peut aussi localement perturber le mélange des couches en maintenant des couches anoxiques en profondeur26 ;
Notamment dans les eaux douces, saumâtres et salées, les modifications locales et globales de la couche d'ozone, du réchauffement, de la turbidité et de divers polluants combinent leurs effets, de manière parfois synergique ; ils sont encore incomplètement compris26.
Effets sur la santé
Ils sont bons ou mauvais selon la dose et le type de peau. C'est pourquoi la protection de la couche d'ozone et la gestion de l'exposition de la peau aux UV sont deux enjeux conjoints de santé publique34,35.
Bénéfices pour la santé
L'exposition modérée aux UV-B permet à l'organisme de synthétiser la vitamine D, qui permet notamment l'absorption du calcium par l'intestin et contribue ainsi à la robustesse du squelette. Une carence sévère en vitamine D au cours de l'enfance conduit au rachitisme.
Outre le rachitisme, les UV-B permettent de traiter plusieurs maladies, comme le psoriasis et l'eczéma.
Les UV-A proches du violet, entre 360 et 400 nm de longueur d'onde, limitent le développement de la myopie chez des modèles animaux comme le poulet36 et chez l'homme adulte fortement myope37.
Danger à hautes doses
Des expositions intenses et/ou prolongées au soleil ou à des rayonnements artificiels (issus par exemple de lampes ou de dispositifs industriels type poste à souder) provoque un dessèchement de la peau, des brûlures (coup de soleil) et peut provoquer des tumeurs et cancers (phénomène dit de photocarcinogénèse cutanée)38. Les photons des rayonnements UV sont absorbés par les bases pyrimidines de l’ADN, principalement thymine mais aussi cytosine. L'irradiation provoque alors la dimérisation à partir de bases voisines avec rupture de la chaîne ADN de telle sorte que la réplication ultérieure est inhibée39.
Le rayonnement solaire, en raison de sa charge en UV, a lui-même été classé agent cancérigène de classe 1 (cancérigènes certains) en 1992 par l'IARC40,41.
Pour l'OMS, 50 à 90 % des cancers de la peau sont imputables aux UV solaires42, faisant des UV le premier facteur de risque pour les cancers de la peau43 (mais pas pour les lymphomes malins qui au contraire seraient plutôt moins nombreux chez ceux qui se sont régulièrement mais modérément exposés au soleil ou qui ont séjourné en zone tropicale[réf. nécessaire]). Les UVB ont longtemps été accusés d'en être les principaux ou seuls responsables, mais une exposition chronique aux UVA a ensuite également été reconnue comme jouant un rôle dans la photocarcinogénèse cutanée (65 % de la cancérogenèse seraient dus aux UVB et 35 % aux UVA selon De Laat en 199744.
Les UV peuvent également être la cause :
- d'érythèmes actiniques (pouvant évoluer en cancers)45 ;
- de cancers oculaires45 ;
- de photo-kératites (ou ophtalmies des neiges en montagne), évoluant en mélanomes oculaires si l'exposition est chronique ;
- de photo-conjonctivites et/ou cataractes45 ;
- de ptérygions pouvant conduire à une dégénérescence maculaire liée à l'âge45 ;
- de hyperplasies épidermiques conduisant à un vieillissement prématuré de la peau45 ;
- d'immunodépressions au niveau de la peau (qui seraient une des causes de la photocarcinogénèse selon Matsumura et Ananthaswamy 2004)45.
Effets virucides
Les ultraviolets sont virucides46 permettant des applications professionnelles de stérilisation par ultraviolets.
Indice UV
Prévision d'index UV global au midi solaire, 18 octobre 2009.
L'indice UV (ou index UV) est une échelle de mesure de l'intensité du rayonnement UV du Soleil, et du risque qu'il représente pour la santé.
L'indice UV se décline en cinq catégories, correspondant à un niveau de risque :
- 1 - 2 : Faible : port de lunettes de soleil en cas de journées ensoleillées ;
- 3 - 5 : Modéré : couvrez-vous, portez un chapeau et des lunettes de soleil. Appliquez un écran solaire de protection moyenne (indice de 15 à 29) surtout si vous êtes à l’extérieur pendant plus de 30 minutes. Cherchez l’ombre quand le soleil est au méridien ;
- 6 - 7 : Élevé : réduisez l’exposition entre 12 h et 16 h. Appliquez un écran solaire de haute protection (indice de 30 à 50), portez un chapeau et des lunettes de soleil et placez-vous à l’ombre ;
- 8 - 10 : Très élevé : sans protection, la peau sera endommagée et peut brûler. Évitez l’exposition au soleil entre 12 h et 16 h. Recherchez l’ombre, couvrez-vous, portez un chapeau et des lunettes de soleil, et appliquez un écran solaire de très haute protection (indice + 50) ;
- 11+ : Extrême : la peau non protégée sera endommagée et peut brûler en quelques minutes. Évitez toute exposition au Soleil et, si ce n’est pas possible, couvrez-vous absolument, portez un chapeau et des lunettes de soleil et appliquez un écran solaire de très haute protection (indice + 50).
Interactions UV-atmosphère
- L'absorption : lors de leur traversée dans l'atmosphère, une partie des rayons UV est absorbée par les molécules de gaz (par les molécules d'oxygène par exemple). Ce phénomène crée de l'énergie capable de provoquer, par exemple, la dissociation de la molécule de gaz en deux autres molécules.
- La diffusion : les rayons ultraviolets peuvent aussi être diffusés par les molécules de gaz contenues dans l'atmosphère. Sachant que plus un rayon lumineux a une courte longueur d'onde, plus il est diffusé (cela explique que nous percevons le ciel en bleu qui est la couleur de la lumière visible avec la plus courte longueur d'onde), on[Qui ?] en conclut que les rayons UV sont fortement diffusés par les gouttelettes d'eau des différentes couches nuageuses. Mais cela n’entraîne pas forcément une baisse de l'intensité lumineuse : les nuages hauts n’entraînent pratiquement pas de baisse de l'intensité tandis que les nuages bas diffusent une grande partie des rayons UV vers le haut.
- La réflexion : les rayons UV sont réfléchis par le sol en fonction de la nature du sol. On mesure cette réflexion par une fraction appelée l'albédo, comprise entre 0 et 1. La réflexion est particulièrement forte sur la neige (albédo de 0,9 ; 0,85 en UV).
Différence entre UV-A, UV-B et UV-C
Les trois types de rayonnements UV, A, B et C, sont classés en fonction de leur activité biologique et de leur pouvoir de pénétration de la peau. Ils correspondent à trois intervalles conventionnels de longueurs d'onde (voir ci-dessous). Plus la longueur d’onde du rayonnement UV est longue (plus il se rapproche de la lumière visible), moins il possède d'énergie et donc moins il est nocif mais plus il a un pouvoir de pénétration cutanée important. Inversement, plus la longueur d'onde du rayonnement UV est courte (plus il se rapproche des rayons X), plus il possède d'énergie et donc plus il est destructeur tout en ayant un moindre pouvoir de pénétration cutanée47.
UV-A (400-315 nm)
Les UV-A, dont la longueur d’onde est relativement longue, représentent près de 95 % du rayonnement UV qui atteint la surface de la Terre. Ils peuvent pénétrer dans les couches profondes de la peau.
Ils sont responsables de l'effet de bronzage immédiat. En outre, ils favorisent également le vieillissement de la peau et l'apparition de rides, en perturbant l'équilibre des synthèses de protéines (en particulier la dégradation du collagène et augmentent la destruction de l'élastine) et dans les cellules ils sont à l'origine de la production de radicaux libres, très dommageables pour celles-ci. Pendant longtemps, on a pensé que les UV-A ne pouvaient être à l'origine de lésions durables. En réalité les UV-A semblent favoriser l'émergence de cancers de la peau par plusieurs mécanismes48,49, mais avec un effet bien moindre que les UV-B50.
Les UVA excitent la molécule d'ADN et favorisent des liaisons entre certaines bases notamment quand l’ADN est sous forme de double-hélice, ce qui peut être source de mutations, voire de cancers51. Un autre mécanisme cancérigène semble exister par l'intermédiaire des dérivés réactifs de l'oxygène que les UV-A génèrent à l'intérieur des cellules, en quantité plus importante que les UV-B52. Il est aussi probable que les UV-A potentialisent la toxicité cellulaire des UV-B en pénétrant plus profondément dans la peau, en ayant une activité immunosuppressive53 et en endommageant les systèmes de réparation de l'ADN54.
Les UVA sont dangereux pour les yeux des enfants dont le cristallin ne joue que partiellement son rôle de filtre. 90 % des UV-A atteignent la rétine chez le nourrisson et encore 60 % avant l'âge de treize ans. Chez l'adulte de plus de vingt ans, le cristallin arrête (et subit) les UV-A presque à 100 %.
UV-B (315-280 nm)
Les UV-B, de longueur d’onde moyenne, ont une activité biologique importante, mais ne pénètrent pas au-delà des couches superficielles de la peau, ils sont relativement absorbés par la couche cornée de l'épiderme (mélanine). Une partie des UV-B solaires est filtrée par l’atmosphère.
Ils sont responsables du bronzage et des brûlures à retardement. Ils sont capables de produire de très fortes quantités de radicaux libres oxygénés dans les cellules de la peau, responsables à court terme des coups de soleil et de l'inflammation. Outre ces effets à court terme, ils favorisent le vieillissement de la peau (en abîmant les fibres de collagène) et l'apparition de cancers cutanés car même si les UV-B représentent une minorité de la lumière qui atteint la surface de la Terre, ils sont bien plus cancérigènes que les UV-A50.
De fortes intensités d'UV-B sont dangereuses pour les yeux et peuvent causer le « flash du soudeur » ou photokératite, car ils ne sont arrêtés qu'à 80 % par le cristallin de l'adulte. Chez l'enfant, la moitié des UV-B atteignent la rétine des nourrissons et 75 % avant l'âge de dix ans.[réf. nécessaire]
En revanche, ils peuvent être bénéfiques pour certains types de pathologies de la peau tels que le psoriasis. Ils sont également importants pour la synthèse de vitamine D.
UV-C (280-100 nm)
Les UV-C, de courte longueur d’onde, sont les UV les plus énergétiques ainsi que les plus nocifs (l'énergie croît quand la longueur d'onde décroît), mais ils sont complètement filtrés par la couche d'ozone de l’atmosphère et n’atteignent donc théoriquement pas la surface de la Terre.
Toutefois, depuis plusieurs décennies des lampes UV-C (et plus récemment des LEDs) sont utilisées en laboratoire de biologie pour les effets germicides, afin de stériliser des pièces ou des appareils (hotte à flux laminaire, par exemple). Un nombre croissant de dispositifs, sources éventuelles accidentelles d'exposition des consommateurs aux UV-C sont depuis peu mis sur le marché (ex. : petites modules photovoltaïques destinés à potabiliser de l'eau dans les pays en développement explique une augmentation du nombre d'accidents (lésions oculaires et/ou dermatologiques), faisant que la Commission européenne a demandé un avis sur les risques associés à ces nouveaux dispositifs au SCHEER (Comité scientifique des risques sanitaires, environnementaux et émergents). Les experts ont estimé ne pas pouvoir évaluer ce risque, par manque d'études sur le degré d'exposition des humains et sur les effets d'une exposition chronique55.
La bande spectrale des UV-C est constituée de trois sous-bandes :
- UV-C de 280 à 230 nm ;
- V-UV de 200 à 140 nm, c'est-à-dire les UV se propageant uniquement dans le vide (Vacuum ultraviolet) ;
- X-UV de 140 à 100 nm, longueurs d'onde qui s'approchent de celles des rayons X et qui sont les longueurs d'onde les plus énergétiques des ultraviolets. Selon les institutions56, la lumière dont la longueur d'onde est située entre la fin des ultraviolets et le début des rayons X (124 à 10 nm) est parfois appelée rayonnement ultraviolet extrême, ou EUV. Elle est parfois comprise dans la catégorie UV-C, parfois distincte57.
Protection
Pour se défendre contre la lumière UV, le corps, selon le type de peau, réagit aux expositions en libérant le pigment brun de mélanine. Ce pigment absorbe les UV, ce qui permet de bloquer leur pénétration et d'empêcher des dommages aux couches plus profondes et plus vulnérables de la peau. Des antioxydants (vitamines E et C, β-carotène…) peuvent neutraliser les radicaux libres formés par les UV.
Les crèmes solaires contiennent des filtres ultraviolets qui bloquent en partie les UV et aident à protéger la peau. Plus l’indice de protection est élevé, plus le degré de protection est grand58. L’indice de protection correspond en réalité au rapport entre le temps nécessaire pour attraper un coup de soleil avec et sans crème solaire. Avec un indice de protection 50, il faudra par exemple cinquante fois plus de temps pour attraper un coup de soleil qu’en n’ayant aucune protection.
En 195759, les laboratoires RoC60 inventent le premier écran solaire très haute protection (IP 50+).
Les vêtements et lunettes de soleil arrêtent une partie des UV. Il existe des lotions qui contiennent des filtres ultraviolets bloquant en partie les UV, néanmoins, la plupart des dermatologues recommandent de ne pas prendre de bain de soleil prolongé.
Astronomie
En astronomie, les objets très chauds émettent préférentiellement de la lumière UV (loi de Wien). Toutefois, la couche d'ozone, qui nous protège des UV intenses provenant du Soleil, cause des difficultés aux astronomes observant à partir de la Terre. C'est pourquoi la plupart des observations UV sont faites à partir de l'espace.
Utilisation
Photographie avec lampe UV.
Les lampes fluorescentes produisent de la lumière UV dans leur tube contenant un gaz à basse pression ; un enduit fluorescent sur l'intérieur des tubes absorbe les UV qui sont ensuite réémis sous forme de lumière visible.
Les lampes halogènes produisent également des UV et ne doivent pas être utilisées sans leur verre de protection.
Par longueur d'onde61 :
Entre les deux guerres, l'actinothérapie a été expérimentée contre certaines maladies (rachitisme), mais aussi sur diverses substances, pour produire des « médicaments irradiés » aux nouvelles propriétés médicamenteuses (issues de l'action photochimique des ultraviolets sur le produit)63.
Des lampes UV sont également utilisées pour analyser des minerais ou des gemmes ou pour identifier toute sorte de choses, par exemple des billets de banque (de nombreux objets peuvent paraître semblables sous la lumière visible et différents sous la lumière UV).
Des colorants fluorescents UV sont employés dans de nombreuses applications (par exemple en biochimie ou dans certains effets spéciaux).
Des lampes UV de longueur d'onde 253,7 nm (lampe à décharge à vapeur de mercure) sont utilisées pour stériliser des zones de travail et des outils utilisés dans des laboratoires de biologie et des équipements médicaux. Puisque les micro-organismes peuvent être protégés de la lumière UV par de petites fissures présentes dans le support, ces lampes sont utilisées seulement comme supplément à d'autres techniques de stérilisation.
La lumière UV est employée pour la photolithographie à très haute résolution, comme cela est nécessaire pour la fabrication des semi-conducteurs.
Les UV sont aussi utilisés pour le séchage des encres, la synthèse de polymère par photopolymérisation, le durcissement de certaines colles par photoréticulation et en spectroscopie ultraviolet-visible. On les utilise également pour provoquer certaines réactions photochimiques comme la photoisomérisation des groupements azobenzène, la dimérisation de la coumarine puis le cassage des dimers, la destruction des groupements nitrobenzène.
Il est recommandé d'employer des protections pour les yeux lorsqu'on travaille avec de la lumière UV, particulièrement pour les UV de courte longueur d'onde. Des lunettes de soleil ordinaires peuvent offrir une certaine protection, cependant elles sont souvent insuffisantes.
La vision des insectes, telle celle des abeilles, s'étend dans le spectre de l'ultraviolet proche (UV-A), et les fleurs ont souvent des marques visibles par de tels pollinisateurs. Certains pièges à insectes utilisent ce phénomène. Certains vertébrés voient aussi tout ou partie du spectre de l'ultraviolet64, comme les poissons65, ou certains planctonophages, qui l'utilisent pour mieux détecter leurs proies66.
Bandes spectrales des radiations UV
Les rayonnements UV sont des ondes électromagnétiques situées entre la lumière visible et les rayons X. Cette catégorie de rayonnement marque le début de la zone ionisante du spectre électromagnétique qui s'étend lui de 750 THz à 30 PHz.
Découpage historique de 1932
Lors du deuxième Congrès international sur la lumière à Copenhague en 1932, Coblentz introduit le concept de bandes spectrales UVA, UVB et UVC67. Ces régions ont été déterminées par les propriétés de transmission de trois filtres en verre communs :
- un filtre de baryum-silex définit les UVA (315-400 nm) ;
- un filtre de baryum-silex-pyrex l'UVB (280-315 nm) ;
- et un filtre pyrex définit l'UVC (longueurs d'onde plus courtes que 280 nm).
Donc la base de ces divisions a son fondement dans la physique, et non la biologie, bien que ces définitions aient été très utiles en biologie.
Découpage CIE de 1999
Plus récemment, les termes UVA-I (340-400nm) et UVA-II (315-340nm) sont entrés en usage en raison d'une meilleure compréhension des différences entre UVB et UVA. En réalité, les rayons UVA-II sont semblables à des rayons UVB, dans lequel la molécule cible (par exemple, ADN) est directement modifiée par l'absorption de l'énergie UV. En revanche, les rayons UVA-I ont tendance à causer des dommages indirects à des molécules cibles par des espèces réactives de l'oxygène (ROS) générés par l'absorption d'UV par d'autres molécules67.
La CIE recommande dans le domaine de la photobiologie et de la photochimie le découpage du domaine ultraviolets en quatre domaines à la suite de la séparation du domaine des UVA en deux sous-domaines68.
- UV-A1 : 340-400 nm
- UV-A2 : 315-340 nm
- UV-B : 280-315 nm
- UV-C : 100-280 nm
Découpage ISO
Voici la classification des UV qui est actuellement définie par la norme ISO 2134869:
| Nom | Abréviation | Intervalle de longueur d'onde
(en nanomètres) | Énergie du photon
(en électronvolts) | Notes / autres dénominations |
|---|
| Ultraviolet |
UV |
100 – 400 |
3,10 – 12,4 |
|
|---|
| Vacuum ultraviolet |
VUV |
10 – 200 |
6,20 – 124 |
|
| Ultraviolet extrême |
EUV |
10 – 121 |
10,25 – 124 |
Extreme ultraviolet |
| Hydrogen Lyman-alpha |
H Lyman-α |
121 – 122 |
10,16 – 10,25 |
|
| Ultraviolet lointain |
FUV |
122 – 200 |
6,20 – 10,16 |
Far ultraviolet |
| Ultraviolet C |
UVC |
100 – 280 |
4,43 – 12,4 |
Ultraviolet germicide (ex. : lampe germicide)70 |
| Ultraviolet moyen |
MUV |
200 – 300 |
4,13 – 6,20 |
Middle ultraviolet |
| Ultraviolet B |
UVB |
280 – 315 |
3,94 – 4,43 |
|
| Ultraviolet proche |
NUV |
300 – 400 |
3,10 – 4,13 |
Near ultraviolet. Visible par les oiseaux, insectes et poissons |
| Ultraviolet A |
UVA |
315 – 400 |
3,10 – 3,94 |
lumière noire |
Notes et références
- https://www.energie-environnement.ch/maison/eclairage-et-piles/1369 [archive]
- Newsham, K. K. et Robinson, S. A. (2009), Responses of plants in polar regions to UVB exposure: a meta‐analysis [archive], Global Change Biology, 15(11), 2574-2589.
- « Les UV-A Savoir » (version du 21 octobre 2017 sur l'Internet Archive), sur uv-damage.org.
- Lire en ligne [archive]
- D’après J.W. Draper, « On a new Imponderable Substance and on a Class of Chemical Rays analogous to the rays of Dark Heat », The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. LXXX, , p. 453-461
- D’après J.W. Draper, « Description of the Tithonometer », The Practical Mechanic and Engineer's Magazine, , p. 122-127.
- D’après (en) Steven Beeson et James W Mayer, Patterns of light : chasing the spectrum from Aristotle to LEDs, New York, Springer, , 196 p. (ISBN 978-0-387-75107-8, lire en ligne [archive]), « 12.2.2 Discoveries beyond the visible », p. 149
- D’après Philip E. Hockberger, « A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms », Photochem. Photobiol., vol. 76, no 6, , p. 561–79 (PMID 12511035, DOI 10.1562/0031-8655(2002)0760561AHOUPF2.0.CO2)
- D’après James Bolton et Christine Colton, The Ultraviolet Disinfection Handbook, American Water Works Association, , 149 p. (ISBN 978-1-58321-584-5), p. 3-4.
- T. Lyman, « Victor Schumann », Astrophysical Journal, vol. 38, , p. 1–4 (DOI 10.1086/142050, Bibcode 1914ApJ....39....1L)
- Kévin Lamy, Projection climatique du rayonnement ultraviolet au cours du 21e siècle : impact de différents scénarios climatiques, (lire en ligne [archive]), thèse de doctorat, université de La Réunion.
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Voir aussi
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Articles connexes
Bibliographie
Liens externes
- :
- Connaître l'index UV en France [archive], La Sécurité Solaire
- Évaluation des risques associés aux bancs solaires et à l'exposition aux UV [archive] (résumé par GreenFacts du rapport du SCCP de la Commission européenne)
- Le rayonnement ultraviolet [archive], Organisation mondiale de la santé
- (en) J. L. Lean, « Comment on Validating the solar EUV proxy, E10.7 » (version du 15 février 2005 sur l'Internet Archive) (article, Journal of Geophysical Research, vol. 107, n° A2, 1027, DOI:10.1029/2001JA000137, 2002, par W. K. Tobiska), à propos du forçage radiatif des UV solaires.
Portail de la physique -
Comparaison des formats SD, FHD, 4K (UHD) et 8K (UHD).
4K est un format d'image numérique ayant une définition d'écran supérieure ou égale à 3 840 pixels de large. Elle est qualifiée d’ultra haute définition (Ultra HD) en Europe.
La 4K est principalement utilisée dans le domaine du cinéma numérique.
Dénomination
Initialement, le terme « 4K » fait référence à la définition minimale de 4 096 pixels pour la largeur de l'image.
Débat sur l'utilisation des termes 4K et Ultra HD
Le , la Consumer Electronics Association (CEA) américaine a officialisé la dénomination « télévision à ultra-haute définition » (« Ultra HD ») pour les téléviseurs proposant une définition de 3 840 × 2 160 pixels.
Néanmoins, cette recommandation n'a pas pu empêcher l'usage inapproprié du terme « 4K », ne le renvoyant plus à sa définition d'origine de 4 000 pixels de large, exploitée presque exclusivement par le cinéma numérique à différents rapports, mais couvrant désormais un vaste champ de définitions équivalentes à plus ou moins quatre fois la définition d'une image Full HD. Du fait de cette confusion, la dénomination « UHD » désigne ainsi aujourd'hui des définitions de l'ordre du 4K ou du 8K.
Définitions
Ultra HD et UHD
L'UHD adopte une définition de 3 840 pixels par ligne pour 2 160 lignes, soit un total de 8,3 mégapixels pour un ratio 16:9. L'image est donc quatre fois mieux définie qu'une image Full HD 1080p de 1 920 pixels par ligne pour 1 080 lignes et permet une compatibilité pleine avec les formats d'écrans actuels. C'est cette définition que la Consumer Technology Association a tenté de renommer en « UHD »1 et Ultra HD en 2017 par DigitalEurope. Cependant, ce renommage n'a aucune valeur officielle et ne correspond pas aux pratiques de l'industrie.
Cinéma numérique 4K
Le groupe de travail Digital Cinema Initiatives2 fut à l'origine du format 4K basé sur une définition de 4 096 × 2 160, soit un total de 8,8 mégapixels. Il s'agit donc de la définition originelle du 4K, basée sur un autre standard de diffusion du cinéma numérique : le DCI 2K. Le 4K arbore donc deux fois la définition horizontale et deux fois la définition verticale du DCI 2K et permet l'utilisation de plusieurs rapports d'images.
Principaux formats et définitions
|
| Télévision à ultra-haute définition |
3 840 × 2 160 |
1,78:1 (16:9) |
8 294 400 |
| 4K Ultra wide television |
5 120 × 2 160 |
2,37:1 (21:9) |
11 059 200 |
| 4K WHXGA |
5 120 × 3 200 |
1,60:1 (16:10) |
16 384 000 |
| DCI 4K (natif) |
4 096 × 2 160 |
1,90:1 (~17:9) |
8 847 360 |
| DCI 4K (CinemaScope recadré) |
4 096 × 1 716 |
2,39:1 |
7 028 736 |
| DCI 4K (Flat recadré) |
3 996 × 2 160 |
1,85:1 |
8 631 360 |
Utilisation
Cette définition d’image, d'abord utilisée par le cinéma numérique (4K), devient disponible au grand public3. Le fabricant japonais Panasonic a notamment présenté un téléviseur 4K UHD de 3,86 m (152 pouces) de diagonale lors du salon électronique CES 2010 et à l'IFA de Berlin en .
Depuis le , le site de partage de fichiers vidéo YouTube supporte le visionnement en continu de vidéos 4K jusqu'à une définition de 4 096 × 3 072 pixels (soit 12,5 mégapixels pour un ratio 4:3)3. Il en est de même pour le site de partage Vimeo.
Une première projection publique en 4K a été réalisée au CEDIA Expo à Atlanta en sur des extraits du master Blu-ray 4K du film Le Pont de la rivière Kwaï.
En , lors de l'édition 2011 du salon IFA, ont été présentés les premiers équipements grand-public 4K (le 4K est supporté par les connexions DVI dual-link et par la norme HDMI depuis sa version 1.4).
Le premier projecteur 4K, le VPL-VW1000ES, développé par Sony, a été promu aux EISA comme meilleur produit européen 2012-2013, haut de gamme de Home Cinéma.
Le , le groupe de rock Muse propose à ses fans européens la retransmission, dans les cinémas, de leur concert filmé en 4K à Rome.
France
En France, à fin , le bouquet par satellite de la TNT Fransat diffuse une chaîne en UHD pour promouvoir la nouvelle norme. De même, sur les diverses positions satellitaires (Astra 19°, Astra 28° et Eutelsat 13°), des programmes promotionnels sont émis. La chaîne de mode Fashion TV émet depuis peu[Quand ?] en UHD.
Appareils multimédia
En 2010, la plupart des disques durs, SSD, clés USB et cartes mémoire sont assez rapides en lecture et enregistrement pour la 4K et plus.
Fin 2012, Sony sort un téléviseur capable d'afficher une image en ultra haute définition, le KD-84X90054.
La PlayStation 4 présentée en février 2013 est annoncée comme la première console de jeux vidéo qui lit les vidéos et les photos en 4K, en revanche, les jeux sont au plus en Full HD car le nombre d'images par seconde en 4K pour les jeux est insuffisant5. La Xbox One dévoilée en , lit des vidéos en 4K6. Cependant, au même titre que la Xbox One, la PlayStation 4 ne peut pas afficher une image 4K directement, obligeant le téléviseur 4K à changer le format d'image de lui-même.
En 2014, la tablette tactile UT-MB5 de Panasonic de 20 pouces est commercialisée avec une définition de 3 840 × 2 560 (230 ppp)7.
Le Samsung Galaxy Note 3 est l'un des premiers smartphones à pouvoir enregistrer des vidéos en 4K.
Le Sony Xperia Z5 Premium est le premier smartphone doté d'un écran 4K.
La Xbox One S, présentée en , lit des vidéos en 4K depuis des disques Blu-ray Ultra HD, des applications de streaming (telles que Netflix), et traite elle-même les jeux Xbox One afin de les afficher en 4K sur les téléviseurs compatibles, un procédé appelé Upscaling. Elle est également compatible avec la norme HDR. C'est la première console de jeu à pouvoir transmettre une image 4K native (c'est-à-dire créée et émise en 4K), uniquement pour les menus et les applications, vers les téléviseurs compatibles. La PlayStation 4 Pro, présentée le permet également d'utiliser des jeux en UHD/4K upscalée selon le choix et les besoins des développeurs.
Depuis 2015, les constructeurs Kodak et Samsung commercialisent pour le grand public des caméras d'action capables d'enregistrer leur environnement en 4K et en 360° (réalité virtuelle)[réf. nécessaire].
La Xbox one X, sortie mondialement le , lit les jeux en 4K optimisés spécialement à cette fin. Elle intègre d'emblée un lecteur Blu-ray 4K. Même si elle reste une console de huitième génération et une simple évolution de la Xbox One, il s'agit du premier modèle de salon spécifiquement construit pour l'ultra HD native.
Notes et références
- Appellations 4K et UHD [archive].
- Philippe Binant, « Kodak : Au cœur de la projection numérique », in Actions, no 29, pp. 12-13 [lire en ligne [archive]] [PDF]
- 4K : ce que l'avenir des téléviseurs vous réserve [archive] - MaximeJohnson.com, 10 juillet 2010.
- Avis des experts sur Sony KD-84X9005 [archive] - Éric Le Ven, 01net.com, 8 octobre 2012
- Daniel Pascoal, « La Sony PS4 Ultra HD… mais pas pour tout » [archive], CNET France,
- Frédéric Pereira, « Xbox One : la nouvelle console de Microsoft » [archive], Fredzone, 21 mai 2013
Articles connexes