La lumière par Science étonnante - I Phyz Good #06 - String Theory

Pour être confortable à l’intérieur de nos bâtiments, il nous faut de la lumière. Suffisamment en tout cas. Mais il n’y a pas que la quantité qui compte, il y a aussi la qualité. Et tous les éclairages ne se valent pas, notamment pour faire ressortir les nuances de certains lieux particulièrement riches en couleurs, comme ici cet appartement parisien, transformé en œuvre grandeur nature par des artistes de street art. Et pour comprendre ce qui fait la qualité d'une lumière, il faut s’intéresser à ce qu’est la lumière. La lumière, c’est une superposition d’ondes électromagnétiques, qui possèdent toutes une certaine longueur d'onde. Les longueurs d’onde que nos yeux peuvent voir sont très restreintes : elles vont seulement de 400nm, c’est pour la lumière violette, à 800nm, c’est pour le rouge. Mais la lumière visible ne représente qu’une toute petite partie des ondes électromagnétiques. Il en existe bien d'autres, qui possèdent des longueurs d’ondes différentes et que nos yeux ne peuvent pas détecter : Il y a les ultra-violets et les infrarouges bien sûr, mais aussi les micros-ondes, les ondes radios, les rayons gamma, et les rayons X. Pour détecter les ondes lumineuses, notre œil a un système finalement assez rudimentaire. Il possède 4 types de capteurs : Il y a les bâtonnets, qui servent quand il fait sombre et qui ne voient pas les couleurs. Et les cônes, il en existe 3 types. Les cônes dits « bleus », qui détectent la lumière violette et bleue. Les cônes verts, pour le vert et le jaune. Et les cônes rouges, qui détectent tout ce qui va du jaune jusqu'au rouge. Mais les cônes ne peuvent pas mesurer la longueur d’ondes de la lumière qu'ils reçoivent, juste être stimulés ou pas, suivant que cette lumière se trouve dans leur plage de sensibilité. Imaginons que je vous envoie de la lumière jaune : vos cônes rouges et vos cônes verts vont être stimulés. Maintenant, si je vous envoie en même temps de la lumière rouge et de la lumière verte, vos mêmes cônes seront stimulés de la même manière, et votre œil sera incapable de faire la différence avec la situation précédente. Et c'est pour ça que quand on mélange de la lumière rouge et de la lumière verte, on obtient de la lumière jaune. La lumière qui vient du soleil, elle, nous paraît blanche ou jaune. Mais en réalité - et on le voit très bien quand il y a un arc en ciel - elle est composée de toutes les longueurs d’onde du visible, plus des ultra-violets et un bon paquet d'infrarouges. Et c’est justement parce qu’elle contient toutes ces longueurs d’ondes, que la lumière naturelle est si efficace pour faire ressortir les couleurs des lieux ou des objets qui nous entourent. L'éclairage d'une lampe à incandescence fonctionne un peu sur le même principe : Mais comme la température du filament, environ 3000°C, est plus basse que celle du soleil, 6000°C, la composition en longueur d'ondes sera différente. D'une part, la lumière d’une ampoule à incandescence nous paraîtra plus jaune que celle du soleil. Mais surtout, elle est composée en grande majorité d’infrarouges, qui sont des rayonnements qui réchauffent mais qui n'éclairent pas. Ça veut dire qu'une ampoule à incandescence, c’est en quelque sorte un radiateur électrique, qui accessoirement fournit un peu de lumière. Au niveau énergétique, c’est pas terrible. Pour remplacer les ampoules à incandescence, on a imaginé de nouvelles technologies d’éclairage, plus économes et plus durables. Comme par exemple les lampes fluorescentes, les LEDs, ou encore les tubes néon, qui comme leur nom l’indique…ne contiennent pas de néon ! Ce qu’on appelle improprement les tubes néons, fonctionnent selon le principe des ampoules fluorescentes. Ils contiennent du mercure, qui sous l’effet d’une décharge électrique va émettre des ultra-violets, qui seront convertis en lumière visible par cette poudre blanche déposée à l’intérieur de la surface du tube. L’inconvénient des tubes néons, c’est qu'ils restituent beaucoup moins bien les couleurs que la lumière du soleil ou celle des ampoules à incandescence. Et c'est lié au fait que la lumière qu'ils émettent est beaucoup moins homogène sur les différentes longueurs d’ondes. Et c'est aussi le principe de ces lampes à décharge qu'on est en train d'utiliser sur le tournage. Pour bien se rendre compte de ce phénomène de restitution des couleurs, on peut s’amuser à l’exagérer. Ici, j’ai une belle table, pleine de pavés colorés. Éclairée par la lumière du jour, on distingue bien toutes les nuances. Et si maintenant je me place sous un éclairage artificiel, dont je m'amuse à varier la composition, on ne distingue plus du tout les couleurs. Les nuances sont complètement délavées. Pour quantifier ce phénomène, on parle d'un indice de rendu des couleurs. Cet indice vaut 100 pour la lumière du soleil ou celle d'une bonne lampe à incandescence. Pour un tube néon bas de gamme seulement 50, et jusqu’à 90 pour les meilleurs. Et pour les lampes au sodium, vous savez ces lampes qu’on trouve dans les tunnels d’autoroute : L'indice de rendu des couleurs est seulement de 20. Et c’est pour ça que sous ces lampes tout paraît complètement jaune. Depuis quelques temps, on a vu se développer de nouvelles technologies d’éclairage à base de diodes électroluminescentes : les LEDs. Le principe des LEDs est en gros le principe opposé à celui du panneau photovoltaïque : Elles sont faites avec un matériau semi-conducteur, qui va convertir l’énergie électrique en photons. Et la couleur de la lumière émise dépend du matériau utilisé. Les premières LEDs ont été développées dans les années 60, à partir d’un mélange d’arséniure et de phosphate de gallium. Et la lumière obtenue était rouge. Et au fur et à mesure du développement de nouveaux matériaux, on a pu faire des LEDs émettant dans le jaune, puis dans le vert. Mais avec juste du rouge, du jaune et du vert, on l’a vu, on ne peut pas faire un éclairage de qualité, parce qu’on serait incapable de rendre toute la richesse des couleurs comme celle qu’on trouve sur ces fresques. Heureusement pour les LEDs, le développement décisif a eu lieu dans les années 90, avec la découverte des LEDs bleues, qui a d'ailleurs valu à leurs 3 inventeurs japonais le prix Nobel de Physique en 2014. Les LEDs bleues ont été une révolution, parce que ce sont elles qui ont permis le développement d'éclairages à LEDs qui soient vraiment blanc, c’est-à-dire qui contiennent plus ou moins toutes les longueurs d’onde du visible. Les meilleures LEDs blanches ont aujourd'hui un indice de rendu des couleurs de 98, soit presque autant que la lumière naturelle. Depuis quelques années, on a vu apparaitre un nouveau type d’éclairage : les OLEDs. Elles fonctionnent selon le même principe que les LEDs, mais avec un matériau organique, d'où le "O". Mais surtout ce ne sont plus des sources ponctuelles mais planes. Les OLEDs sont encore rares pour l’éclairage, mais vous les avez peut-être déjà rencontrées dans des téléphones portables ou des écrans de télévision. Des lampes OLEDs comme celles-ci ce sont finalement des gros pixels. Cela prendra encore quelques années, mais on verra de plus en plus les éclairages OLEDs s’imposer et transformer potentiellement n’importe quelle surface en lampe.