Comparaison des sources de lumière : LED, laser et lampe à décharge

LED, laser ou lampe à décharge ? En quoi les propriétés des sources lumineuses diffèrent-elles et pour quels projecteurs ces sources lumineuses sont-elles particulièrement adaptées ?

Avant l’époque des LED, existaient les lampes halogènes et les lampes à décharge. Choisir entre les deux était assez facile. Les projecteurs conventionnels statiques utilisaient des lampes halogènes pour obtenir une température de couleur de 3 200 K, donc pour un blanc chaud ou une lumière artificielle. Les lampes à décharge étaient utilisées pour obtenir une température de couleur d’environ 6 500 K, c’est-à-dire pour le blanc froid ou la lumière du jour. Bien sûr, on pouvait appliquer des films de conversion de température, mais au prix d’une perte importante de lumière. À quelques exceptions près, les lampes halogènes n’étaient pas adaptées aux projecteurs mobiles en raison de la forte quantité de chaleur générée par les lampes. Les exigences réglementaires en matière d’économie d’énergie ont alors mis fin à la lampe halogène. Les LED, les lampes à décharge spéciales et les sources lumineuses de type laser phosphore sont les seules options qu’il est encore permis d’installer dans les projecteurs aujourd’hui. Dans ce qui suit, nous aimerions clarifier les raisons pour lesquelles les lampes à décharge sont encore utilisées en même temps que les LED ou même les raisons pour lesquelles on utilise des projecteurs de type laser phosphore laser d’une grande sophistication technologique.

La source LED : la plus polyvalente

Les LED présentent certains avantages imbattables par rapport aux lampes à décharge : elles sont immédiatement lumineuses dès leur activation et fournissent la qualité de lumière souhaitée. De plus, la gradation est très facile, grâce à la modulation de largeur d’impulsion. Par ailleurs, l’extinction d’une source LED est instantanée. Les LED possèdent une très longue durée de vie d’environ 25 000 heures, ce qui correspond à peu près à la durée d’utilisation totale d’un projecteur dans des conditions normales. Elles ne risquent pas de tomber en panne soudainement ; les LED perdent généralement en luminosité au fil du temps. La LED peut être refroidie à l’aide d’un caloduc évacuant la chaleur du circuit sur lequel elle est implantée. Un système de refroidissement efficace peut donc être mis en place à l’aide de systèmes d’évacuation de la chaleur tels que les caloducs. Selon le type de LED ou les combinaisons utilisées, la qualité de la lumière peut être très élevée. Une gamme de couleurs très large, couvrant presque toutes les besoins, est également possible en fonction des LED sélectionnées. Les réseaux de LED multicolores RGBAL, par exemple, garantissent un large espace de couleurs, tandis que les meilleures qualités de rendu des couleurs pour le blanc chaud sont obtenues à l’aide de réseaux de LED à lumière blanche. Selon le système LED, la stabilité des couleurs peut également être garantie sur plusieurs appareils avec un seul étalonnage. S’il faut augmenter la luminosité, il suffit d’utiliser plusieurs LED ensemble. Mais ce type d’appareil présente un inconvénient : les projecteurs à faisceau sont conçus pour générer un faisceau de lumière très étroit. Pour obtenir une bonne projection ou un faisceau lumineux étroit, il est intéressant que la source lumineuse soit aussi compacte que possible, afin d’émettre une lumière aussi ponctuelle que possible. Mais plus l’émission lumineuse d’un système LED est élevée, plus ses dimensions sont importantes, ce qui rend plus difficile la création d’un faisceau de lumière étroit.

La lampe à décharge – Adaptée à la projection

La lampe UHP est un exemple de très petite source lumineuse dotée d’un rayonnement élevé. Son bulbe de décharge est extrêmement petit, et il fonctionne sous une pression très élevée. C’est pourquoi on l’appelle la lampe UHP, pour “Ultra-Haute Pression”, mais qui peut aussi signifier “Ultra-Hautes Performances”. L’ampoule à décharge est généralement déjà alignée de façon optimale dans un réflecteur. Ce type de lampe a été développé spécifiquement pour les vidéoprojecteurs, où de très bonnes propriétés de projection et une grande luminosité avec un petit point lumineux constituent des facteurs cruciaux. Une lampe à décharge nécessite un temps de préchauffage de plusieurs minutes jusqu’à ce que tous les processus chimiques soient établis, afin d’obtenir une luminosité et un spectre des couleurs stables.

Les lampes à décharge se prêtent mal à la gradation : il faut procéder mécaniquement au plus bas dans la plage de réglage inférieure, sinon l’arc électrique se rompt. En tant que lampe à décharge, la lampe UHP contient par ailleurs du mercure. Si la lampe éclate, ce qui n’est pas rare en fin de vie, ce métal lourd dangereux pour l’environnement peut s’échapper. C’est pourquoi une telle lampe doit toujours être manipulée avec précaution et éliminée uniquement comme un déchet dangereux. La durée de vie est d’environ 2 500 heures jusqu’à la défaillance totale. À ce titre, il devrait être possible de remplacer la source lumineuse dans le projecteur. Une tension de démarrage élevée est également nécessaire pour allumer une lampe à décharge. Cela fait peser une charge énorme sur le système. C’est pourquoi il est également conseillé de laisser la lampe allumée pendant environ deux heures sans l’éteindre. En termes d’énergie, la lampe à décharge fonctionne toujours au maximum de sa capacité, même si son intensité est réduite au maximum par gradation. La LED a ici un net avantage, car elle consomme moins d’énergie lorsqu’elle est atténuée. La source lumineuse elle-même doit être refroidie par air, en évitant toute contamination du projecteur par le flux d’air. La lampe à décharge doit être refroidie progressivement lors de son extinction. Mieux vaut éviter de l’éteindre brutalement (arrêt instantané). Le spectre des couleurs d’une lampe à décharge présente des couleurs bleues et vertes très fortes, mais de faibles teintes rouges. La lampe à décharge a donc du mal à produire une couleur blanc chaud et doit être compensée par des filtres CTO, ce qui entraîne une perte de lumière. L’indice de rendu des couleurs n’est pas non plus très élevé. On utilise donc souvent des filtres à IRC élevé, capables d’ajouter quelques points d’IRC mais ils entraînent une perte de luminosité. L’espace colorimétrique offert par une lampe à décharge est relativement restreint et se situe généralement dans la gamme sRGB.

La source laser phosphore – pour des valeurs “maximales”

Une alternative à la lampe UHP est le moteur à laser phosphore. Il a également été développé principalement pour une utilisation dans les vidéoprojecteurs. Cependant, la conception et la complexité technique du moteur à laser phosphore sont considérablement plus élevées – en voici une brève présentation.

Un réseau de lasers LED à lumière bleue (repéré par la lettre A sur le schéma) émet une lumière bleue cohérente vers une plaque phosphorescente (lettre C) tournante, disposée à l’opposé du réseau de lasers LED à lumière bleue. Sur son parcours, la lumière cohérente traverse un verre miroir semi-transparent avec revêtement. En raison de la disposition à 45° du verre, une partie du rayonnement est déviée sur une couche réfléchissante (lettre D), mais nous y reviendrons plus en détail par la suite. La couche de phosphore est excitée par la lumière laser bleue et émet ou renvoie des couleurs de lumière incohérentes, telles que le vert, le jaune et le rouge. Le verre disposé à 45° est maintenant chargé de rediriger la lumière incohérente réfléchie par la couche de phosphore vers la sortie de lumière (lettre E) qui sort du module laser phosphore. Revenons maintenant à la lumière laser déviée de 90°, qui vient frapper une couche réfléchissante de sulfate de baryum. Le rendement élevé et la réflexion diffuse du sulfate de baryum le rendent parfaitement adapté à cette tâche. La lumière bleue réfléchie s’ajoute maintenant à la lumière incohérente de la plaque phosphorescente lorsqu’elle traverse directement le verre semi-transparent (lettre E). Quand on regarde la direction du faisceau de la lumière cohérente, on s’aperçoit que la disposition choisie fait qu’aucune lumière cohérente ne peut quitter le module, mais uniquement de la lumière incohérente due à la réflexion diffuse.

Il en résulte une source de lumière ponctuelle très petite et intense, idéale pour les images projetées ou les petits angles de faisceau pour les projecteurs. L’avantage est qu’on peut faire varier l’intensité de la matrice laser comme avec des LED. La fabrication de ce module est cependant très coûteuse. De plus, la lumière est perçue comme très brillante en raison du pic bleu très prononcé. La gamme de couleurs est également limitée, tout comme la qualité du rendu des couleurs. Le refroidissement, la durée de vie et le comportement d’allumage/extinction sont similaires à ceux des LED.

Conclusion

Polyvalente, la LED est la source lumineuse idéale pour presque tous les types de projecteurs. Les LED remplacent les lampes à décharge notamment en raison de leur facilité de gradation, de leur gamme de couleurs et du rendu des couleurs ou de la constance des couleurs au cours de leur durée de vie. Sans oublier leur durabilité et leur robustesse face aux vibrations. Ce n’est que lorsque des angles de rayonnement très étroits sont requis que la lampe à décharge peut marquer des points. Une lampe à faisceau, avec un comportement de faisceau extrêmement étroit, sert pour les spectacles dans lesquels le faisceau lumineux devient un objet visible. La gamme de couleurs et le rendu des couleurs ne sont alors plus des critères pertinents : ce qui compte, c’est une ligne nette en tant que faisceau. Si vous voulez créer des faisceaux lumineux encore plus saisissants dans le ciel ou dans l’espace, vous pouvez utiliser le moteur à laser phosphore.

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