Histoire, technologie métrologie des phares automobiles
Par Robert Yeo, Mai 2020
Cet article a été publié pour la première fois dans le numéro d’avril 2020 du « Lighting Journal », publié par l’Institute of Lighting Professionals (ILP).
Introduction: De plus en plus faible
Autrefois, la puissance des phares de véhicules était évaluée en bougies. Et c’est par un très faible nombre de bougies qui correspondait aux phares de ma première voiture, une Morris Minor de 1969. Le concepteur de la Minor (également de
l’omniprésente Mini) était Sir Alec Issigonis, qui a un jour pensé que, dans l’intérêt de la sécurité et de la vigilance au volant, il devait rendre ses voitures aussi inconfortables à conduire que possible. Au point d’installer un pic sur la colonne de direction pour empaler le conducteur en cas de collision. Je ne suis pas sûr du sérieux de cet élément de sécurité « passive », mais le faible éclairage fourni par les phares de ma Morris m’a permis de respecter les limitations de vitesse, du moins la nuit.
Aujourd’hui, la technologie de l’éclairage des véhicules a fait des progrès incroyables, et ma voiture actuelle bénéficie de « phares à LED à pixels actifs avec faisceaux principaux assistés par laser ». À part le rendement lumineux d’une explosion thermonucléaire (2 x 10^12 candelas par mètre carré si cela vous intéresse), vous ne trouverez pas de source d’éclairage artificiel plus brillante.
Dans cet article, je vais passer en revue l’évolution de la technologie des phares automobiles (des bougies aux LED, aux lasers et à la toute dernière LED à matrice numérique) et expliquer les méthodes goniométriques et photométriques de projection utilisées pour les mesurer.
Avertissement : Pro-Lite est un fournisseur spécialisé dans les équipements de mesure de la lumière et de test photométriques. Pour plus de détails sur nos produits et services, veuillez consulter la page dédiée sur notre site web : Mesure par goniophotomètres
Évolution de la technologie des lampes : des bougies aux lampes à incandescence
Les premiers phares automobile étaient basés sur des bougies ou de l’huile brûlée (par exemple, l’acétylène), mais la puissance lumineuse était moins préoccupante car, à l’époque, la vitesse des véhicules était strictement contrôlée par un homme marchant devant la voiture et portant un drapeau rouge. Pendant la majeure partie du 20e siècle, les phares des véhicules étaient basés sur des lampes à incandescence. L’invention de la lampe à incandescence est généralement attribuée à Thomas Edison en 1879.
L’incandescence est l’émission de lumière (visible) résultant du chauffage résistif d’un métal (filament de tungstène). Plus le courant circule, plus l’effet de chauffage est important, plus l’incandescence est élevée. Avec une efficacité d’environ 10 lumens par Watt (rendement électrique par rapport au rendement optique), l’éclairage à incandescence n’embrasera jamais le monde. La lampe était positionnée au niveau d’un réflecteur (généralement parabolique) de manière à collimater le faisceau, tandis que la distribution souhaitée du faisceau était obtenue grâce à des optiques prismatiques moulées dans la lentille du phare.
Phares à réflecteur complexe (1983)
Les années 1980 ont vu l’introduction de réflecteurs optiques complexes dans la conception des phares, et l’abandon progressif des réflecteurs paraboliques simples. L’optique nécessaire pour façonner le faisceau du phare a été conçue dans le réflecteur, plutôt que dans la lentille elle-même. Les phares à réflecteur optique complexe ont permis d’améliorer la collecte de la lumière de la lampe à incandescence et de mieux contrôler la forme du faisceau.
Le couvercle du phare sert uniquement à protéger le phare de la saleté et des débris, et ne modifie pas la répartition du faisceau.
Phares à projecteur (1986)
Les années 1980 ont également vu le développement des phares à projecteur. Cette conception place la lampe au centre d’un réflecteur ellipsoïdal et utilise une lentille de condensation pour collimater le faisceau. Ce type de projecteur offre au concepteur du véhicule une plus grande flexibilité en raison de la réduction de la section transversale du projecteur, mais avec une profondeur considérablement accrue.
La BMW Série 7 (E32) de 1986 est citée comme étant la première voiture de série équipée de feux de croisement à projecteur polyellipsoïdal.
Lampes halogènes
Indépendamment de l’évolution de la conception optique des phares, la simple lampe à incandescence au tungstène était en train d’être remplacée par la lampe quartz tungstène halogène (QTH). Développée pour la première fois en 1955 par Elmer Fridrich et Emmet Wiley de la société General Electric, la lampe dite « halogène » améliore la lampe à tungstène originale en brûlant plus intensément et en prolongeant la durée de vie du filament. Un gaz halogène (généralement de l’iode ou du brome) est placé dans l’enveloppe à vide en quartz (silice fondue) de la lampe. Lorsque le filament de tungstène s’évapore, au lieu de se condenser sur l’enveloppe en verre de la lampe et de l’assombrir (comme c’est le cas avec une lampe à incandescence standard), il réagit avec le gaz halogène pour former un halogénure, qui ne se dépose pas sur le verre. Au lieu de cela, l’halogénure de tungstène se dissout en tungstène lorsqu’il se trouve à proximité du filament, renvoyant le métal d’où il vient. Ce processus est connu sous le nom de cycle halogène et présente les avantages majeurs de garder le verre de la lampe transparent et de prolonger la durée de vie du filament. L’efficacité lumineuse des lampes halogènes à quartz et tungstène varie entre 12 et 24 lumens par watt.
Lampes fluorescentes compactes (LFC) en spirale
Soit dit en passant, les lampes fluorescentes compactes (LFC) en spirale ne conviennent pas aux phares automobile. Il est plus difficile de collecter et de collimater efficacement la lumière provenant d’une zone source étendue (plus grande), et la seule taille de la zone d’émission des LFC les exclut des applications d’éclairage automobile. La LFC en forme de spirale a été mise au point par Edward Hammer de General Electric en 1976 en réponse à la crise pétrolière de 1973.
Lampes à décharge à haute intensité (DHI), alias “Xenon” (1992)
Dans les années 1990, les lampes à décharge à haute intensité (DHI) ont commencé à devenir populaires, appelées « xénon » dans le langage courant. Les tout premiers feux de croisement DHI ont été développés par Hella et Bosch et lancés sur la BMW Série 7 E32 en 1992. Les lampes DHI produisent de la lumière grâce à un arc électrique qui est amorcé dans un gaz aux halogénures métalliques contenant du xénon ; l’ajout de xénon réduit le temps de préchauffage par rapport à un mélange gazeux composé uniquement d’argon qui, autrement, prendrait plusieurs minutes pour atteindre son plein rendement. Le spectre de la lumière émise par une lampe DHI contient un pic bleu distinct, alors que le contenu bleu d’une lampe à incandescence est relativement faible. Ainsi, la température de couleur corrélée (TCC) d’une lampe DHI est beaucoup plus élevée (4000 à 5000 kelvins contre 2800 à 3200 pour le tungstène ou le tungstène-halogène). La présence d’un pic bleu provenant de la lampe DHI et l’utilisation d’une lentille de condensation dans un projecteur peuvent entraîner un reflet bleu caractéristique (frange de couleur) à certains angles de vue, causé par l’aberration chromatique de la lentille. Le TCC plus élevé et la sortie riche en bleu des lampes DHI ont pour effet de produire une luminosité perçue plus élevée en raison de l’état d’adaptation semi-obscur du système de vision humain. La réponse scotopique de l’œil favorise la lumière bleue par rapport aux longueurs d’onde plus importantes. Les lampes DHI dépassent généralement une efficacité lumineuse de 100 lumens par watt, soit un ordre de grandeur supérieur à celui d’une lampe à incandescence.
Diode électroluminescente, LED (2006)
Le nouveau millénaire a vu le début de la prochaine révolution de l’éclairage automobile : la diode électroluminescente (ou LED). La première voiture de série équipée de feux de croisement à LED a été la Lexus LS 2006, tandis que l’Audi R8 V10 2007 a été équipée du premier phare entièrement à LED (fabriqué par Automotive Lighting, la coentreprise entre Magneti-Marelli et Bosch). Une LED produit de la lumière par un processus appelé électroluminescence, un phénomène découvert en 1907. La recombinaison des électrons et des trous électroniques dans le semi-conducteur produit des photons de lumière, la bande interdite du semi-conducteur déterminant la longueur d’onde (couleur) de la lumière émise. Les LED offrent un ensemble unique d’avantages par rapport à toutes les autres technologies d’éclairage dans les applications automobiles. Elles sont directionnelles, compactes, efficaces (>100 lumens par watt) et durables (si elles sont correctement pilotées et gérées thermiquement) et offrent au concepteur d’éclairage automobile de nouvelles possibilités de concepts de design innovants basés sur leur facteur de forme compact. Une LED ne produit pas de lumière blanche par elle-même. Les LED à lumière blanche sont en fait des LED bleues dotées d’une couche de phosphore à travers laquelle la lumière bleue est transmise. Le phosphore absorbe une partie de la lumière bleue et, par un processus appelé fluorescence, la convertit en lumière de plus grandes longueurs d’onde. La combinaison de la lumière bleue des LED et de la lumière verte à rouge convertie par le phosphore crée la lumière blanche que nous désirons. La LED bleue à haute luminosité en nitrure d’indium et de gallium (InGaN) a été inventée par Shuji Nakamura chez Nichia en 1995.
Matrice & Pixel LED (2013)
Pour en revenir à nos jours, les phares à LED « matriciels » ou à LED « pixel » utilisent une matrice de LED. Une caméra orientée vers l’avant détermine la présence de véhicules venant en sens inverse ou d’un véhicule circulant dans la même direction devant le véhicule et fait varier l’intensité lumineuse de chaque LED de la matrice afin d’éviter d’éblouir les autres véhicules. Le faisceau du phare est ajusté en temps réel de manière à éclairer la route autour ou sur le côté de l’autre trafic, maximisant ainsi l’éclairement pour le conducteur du véhicule. Les phares à LED matriciels ou pixellisés fonctionnent en plein faisceau de route en dehors des environnements urbains et au-dessus des limites de vitesse urbaines, les phares s’atténuant automatiquement par bandes ou zones pour éviter d’aveugler les autres véhicules. Les phares à LED matriciels ont été introduits pour la première fois sur l’Audi A8 2013 qui comportait 25 LED pouvant être allumées, éteintes ou atténuées individuellement. À titre d’exemple de l’état actuel de la technologie, considérez les gammes de modèles 2018 Range Rover (L405) – illustré ci-dessus – et Range Rover Sport (L494) qui ont été introduites avec la technologie des phares à LED matriciels et à LED pixel. Le type de LED matriciel Land Rover comporte 52 LED divisant le faisceau en bandes verticales. Le type LED pixel de Land Rover intègre 142 LED qui permettent de diviser le faisceau principal en bandes verticales et horizontales. Cela permet un contrôle plus précis du faisceau avec une meilleure illumination tout en minimisant l’éblouissement des autres véhicules.
Faisceau élevé assisté par laser (2014)
Certains phares à LED haut de gamme sont complétés par des feux de route assistés par laser. Ce système fonctionne de la même manière que la lumière blanche produite par une LED. Dans ce cas, un laser bleu intense « pompe » un phosphore distant, qui convertit une partie de la lumière bleue en longueurs d’onde vertes et rouges plus importantes. Comme pour les LED blanches, la lumière laser bleue résiduelle est combinée avec le vert et le rouge fluorescents pour créer une lumière blanche. Comme pour les LED, la lumière laser est également directionnelle, mais encore plus. Le faisceau laser blanc quasi collimaté a une portée beaucoup plus grande que les faisceaux de LED standard, il est donc activé en dehors des environnements urbains à partir d’une certaine vitesse (généralement 80 kmh) afin d’éclairer la route plus loin devant le véhicule (des déclarations font état d’un éclairage utile jusqu’à 500 m). Le premier véhicule de série équipé de feux de route à assistance laser a été la BMW i8 en 2014.
Matrice numérique DMD LED (2019)
La toute dernière innovation en matière de technologie des phares a été annoncée en novembre 2019 par Audi. L’Audi E-Tron Sportback est équipée de phares « Digital Matrix LED » qui utilisent trois LED et une puce à Dispositif numérique à micro-miroir (DMD) avec un million de micromiroirs, chacun pouvant être incliné jusqu’à 5 000 fois par seconde. Le concept de la puce DMS est similaire à celui de la technologie TNT (Traitement numérique de la lumière) développée par Texas Instruments et utilisée dans les projecteurs. Chacun des micromiroirs de la matrice de miroirs 2D permet à la lumière des LED de passer à travers les lentilles des phares (et d’éclairer ainsi la route) ou d’être déviée dans une décharge de faisceau qui absorbe la lumière. Le modèle d’éclairage de phare « haute définition » qui en résulte améliore les capacités d’orientation du faisceau et d’éclairage sélectif des phares à LED à matrice et à pixels. L’un des aspects les plus novateurs de la technologie DMD d’Audi est la possibilité de projeter un « tapis » de lumière devant le véhicule, indiquant au conducteur la voie dans laquelle il doit se trouver et sa position dans cette voie. L’éclairage sélectif des dangers (par exemple, les piétons) est également considéré comme un avantage de l’éclairage DMD, tout comme la possibilité de communiquer de voiture à voiture pour avertir des dangers.
Goniophotométrie et réglementation CEE sur les projecteurs
Dans le contexte des phares de véhicules, la mesure photométrique pertinente est l’intensité lumineuse émise par le phare. Les phares doivent être conçus pour éclairer la surface de la route et le bord du trottoir et ils ne doivent pas éblouir les conducteurs des véhicules venant en sens inverse (il s’agit d’une exigence de sécurité essentielle). Les faisceaux des phares ne doivent pas non plus être dirigés vers le haut (ce qui constituerait un gaspillage de lumière et entraînerait des problèmes d’éblouissement dans des conditions météorologiques défavorables). C’est pour ces raisons qu’il existe des réglementations internationales qui régissent les performances des phares, telles que celles publiées par la CEE-ONU (le Forum mondial de l’harmonisation des règlements concernant les véhicules). Les photos ci-dessous montrent les répartitions lumineuses des feux de croisement et de route.
Afin de se conformer aux règlements de la CEE pour l’homologation des véhicules, la performance d’éclairage des phares automobile doit être testée. Deux méthodes de base sont utilisées pour mesurer la performance photométrique des phares de véhicules. La première consiste à projeter le projecteur sur un écran et à mesurer l’éclairement en fonction de la position dans le faisceau, tandis que la seconde consiste à monter le projecteur sur un goniomètre motorisé à deux axes et à mesurer l’intensité lumineuse en fonction de l’angle lorsque le projecteur tourne et s’incline par rapport à un posemètre fixe. J’appellerai ces méthodes respectivement « méthode d’essai par projection » et « méthode d’essai goniométrique ». Les deux méthodes exigent que la lampe frontale soit mesurée à une distance de 25 m pour les tests de conformité réglementaire.
Pourquoi mesurer à 25 m ? La réponse courte est qu’il s’agit de la distance de mesure spécifiée dans les règlements CEE applicables. Cependant, il est utile de comprendre les raisons physiques pour lesquelles la distance de 25 m a été choisie et pas une autre. Dans la photométrie des sources lumineuses, on parle de mesures en champ proche et en champ lointain. Dans le champ lointain photométrique, le faisceau lumineux peut être considéré comme « entièrement formé », la source elle-même se comporte comme une source lumineuse ponctuelle, l’intensité lumineuse (valeur candela) du faisceau reste constante et l’éclairement (en lux) diminue proportionnellement à l’inverse du carré de la distance parcourue. Dans le champ proche photométrique, le faisceau n’est pas entièrement formé, et la taille de la source lumineuse et l’ouverture d’entrée du photodétecteur influencent toutes deux la valeur de l’éclairement et de l’intensité lumineuse enregistrés. En outre, l’éclairement du faisceau ne suit pas la relation inverse du carré et l’intensité lumineuse n’est pas une constante.
Il peut être tout à fait raisonnable de vouloir mesurer l’éclairement en champ proche dans certains cas (par exemple, vous pouvez souhaiter connaître le niveau de lux à proximité de la lampe), mais le problème avec les mesures en champ proche est que les lectures dépendent dans une certaine mesure de la taille réelle du photodétecteur et que la valeur de l’intensité sera inférieure à la véritable lecture en champ lointain. En d’autres termes, une mesure de l’éclairement (lux) en champ proche ne peut pas être utilisée pour calculer la valeur de l’intensité lumineuse (candela) en champ lointain car la relation inverse au carré ne tient pas.
Pour les sources lumineuses simples, diffuses et à grand angle, le champ lointain photométrique se situe généralement à une distance égale à cinq fois l’ouverture lumineuse de la lampe. C’est le cas des feux latéraux et des feux de position des automobiles, dont la réglementation CEE exige qu’ils soient mesurés à 3 mètres. Pour les sources à angle étroit et celles dont la structure du faisceau est complexe (comme les phares de véhicules), la distance du champ lointain est beaucoup plus grande. Pour s’assurer que les phares sont correctement mesurés en champ lointain, la réglementation CEE et d’autres réglementations stipulent une distance de mesure de 25m. Bien qu’en réalité la distance réelle de champ lointain pour un projecteur donné puisse être inférieure à 25 m, cette distance est spécifiée pour garantir que toutes les mesures de conformité sont effectuées dans le champ lointain, quelle que soit la conception de l’optique du projecteur.
Méthode d'essai goniophotométrique
Les goniophotomètres destinés à tester les phares automobile doivent être très précis, le faisceau étant échantillonné tous les 0,1°. Pour éviter des temps de mesure trop longs, les goniomètres automobiles haut de gamme mesurent généralement « à la volée », c’est-à-dire qu’ils ne s’arrêtent pas pour mesurer à chaque angle. Au lieu de cela, le photomètre enregistre l’intensité pendant que le phare est en mouvement. En conséquence, les goniomètres conçus pour tester l’éclairage automobile ont tendance à être assez chers. Si vous êtes prêt à vous accommoder d’un temps de mesure plus long, ou à effectuer des balayages de moindre résolution pour des tests indicatifs, les goniomètres de type « stop-and-go » constituent une option moins coûteuse. Dans les deux cas, le photomètre doit être placé à une distance de 25 m du projecteur monté sur la plate-forme du goniomètre. La raison en est de s’assurer que le faisceau du projecteur est échantillonné dans le champ lointain photométrique, dans lequel le faisceau peut être considéré comme « entièrement formé ». La forme complexe du faisceau des phares entraînerait des erreurs de mesure importantes s’il était échantillonné plus près de la source, dans le champ proche. En général, le logiciel de commande du goniomètre effectue un balayage, puis analyse automatiquement la forme du faisceau et les valeurs d’intensité afin de déterminer si le projecteur satisfait aux exigences de la réglementation CEE pertinente.
Méthode d'essai de projection
Si vous disposez d’une chambre noire suffisamment grande comme laboratoire d’éclairage, la méthode d’essai par projection d’éclairement au moyen d’un photomètre imageur présente de nombreux avantages. Cette technique utilise un photomètre imageur pour enregistrer un modèle d’éclairement (lux) 2D du faisceau du projecteur lorsqu’il est projeté sur une surface verticale (mur ou écran) à une distance de 25m. L’ensemble des données de lux en fonction de la position XY peut être transformé mathématiquement en un ensemble de données d’intensité en fonction de l’angle, ce qui est souvent effectué automatiquement par le logiciel de l’instrument.
La méthode de projection est la méthode citée dans la réglementation. L’approche la plus simple consiste à positionner manuellement un photomètre d’éclairement (luxmètre) sur le mur de projection faisant face au projecteur et à enregistrer l’éclairement du faisceau en fonction de la position. Cependant, ce processus est très long et laborieux et nécessite le calcul manuel de la matrice de conformité des points d’essai de la CEE. La mesure manuelle de l’éclairement des faisceaux des projecteurs à l’aide de luxmètres n’est pas considérée comme pratique en raison du temps nécessaire pour échantillonner tous les points du faisceau requis.
L’évolution la plus récente consiste à remplacer le luxmètre simple par un photomètre à imagerie. Le photomètre imageur est utilisé pour prendre une image numérique à gamme dynamique élevée, étalonnée par photométrie, du faisceau lumineux et aligner automatiquement la matrice des points d’essai requis sur le point HV du projecteur (point de référence). La matrice de conformité des points d’essai CEE sera alors automatiquement générée sur la base du meilleur alignement possible des points d’essai dans le faisceau que le logiciel peut trouver. La figure ci-contre montre une grille de points d’essai ECE R20 superposée à un faisceau de feux de croisement enregistré à l’aide d’un photomètre imageur.
Test Goniométrique Versus test de Projection
Par rapport aux mesures goniométriques, la méthode d’essai par projection utilisant un photomètre à imagerie présente les caractéristiques suivantes :
- Elle est plus rapide, les mesures ne prenant que quelques secondes à réaliser.
- Elle est plus simple, le phare pouvant rester monté sur le véhicule (en supposant que le laboratoire soit suffisamment grand pour que la voiture puisse y être conduite).
- Elle est moins coûteuse, le coût typique d’un photomètre imageur étant une fraction du coût d’un goniophotomètre automobile.
- Le photomètre imageur peut également être utilisé pour d’autres types d’essais, par exemple pour analyser l’uniformité de la zone éclairée des feux latéraux ou des feux de position ou des feux de circulation de jour.
- En revanche, il est nécessaire de disposer d’une chambre noire de 25 m de long pour effectuer des tests de faisceaux projetés. Cependant, il a été démontré que les tests indicatifs effectués à des distances de travail plus courtes (par exemple 10 m) sont en étroite corrélation avec les mesures effectuées à 25 m de distance. En d’autres termes, un projecteur qui réussit les points d’essai de la CEE à 10 m a de fortes chances de réussir également à 25 m, et vice versa. Ainsi, même si l’espace est limité, les essais de projecteurs par projection serviront toujours d’outil de développement et d’étalonnage utile pour les constructeurs de véhicules et pour les fabricants de phares de véhicules.
En conclusion
La technologie des phares continue de se développer, avec les toutes dernières conceptions de matrice LED, de feux de route assistés par laser et de matrice numérique LED qui fournissent un éclairage plus sûr et moins stressant pour le conducteur, tout en évitant l’éblouissement et la gêne pour les autres usagers de la route. Pourtant, la métrologie de base des phares reste la même, la réglementation exigeant que l’on mesure l’intensité lumineuse du phare en fonction de l’angle (ou, de la même manière, que l’on mesure l’éclairement en fonction de la position XY dans le faisceau). Il existe deux approches de base pour tester les phares des véhicules, l’une utilisant un goniophotomètre, l’autre consistant à projeter (éclairer) le faisceau du phare sur une surface verticale ou un écran et à enregistrer le modèle d’éclairement 2D à l’aide d’un photomètre à imagerie. La technique goniométrique est probablement celle que la plupart des ingénieurs connaissent le mieux, la lampe frontale étant montée sur une platine rotative motorisée à deux axes (le « goniomètre ») qui est observée par un photomètre fixe (le « photomètre ») qui enregistre l’intensité pour chaque angle de vue pendant que la lampe tourne. L’approche plus récente, et nettement moins coûteuse, consiste à utiliser un photomètre à imagerie pour enregistrer le motif du faisceau lorsqu’il illumine l’écran. La méthode de test par projection n’est pas seulement moins chère, elle est aussi plus rapide, mais il faut une grande chambre noire pour projeter le projecteur vers le bas (les projecteurs sont testés à 25 m, conformément à la réglementation).
Crédits photographiques
- Schéma d’une lampe frontale à optique à lentilles, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=249247
- Schéma d’une lampe frontale à réflecteur, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=255675
- Schéma d’un phare projecteur, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=248526
- Phare à LED du Range Rover, © Jaguar Land Rover Ltd
- Feu de croisement Par Photo de Scoo, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=601160
- Faisceau principal Par Photo de Scoo, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=601162
- Analyse du faisceau du phare ECE R20, © Pro-Lite Technology Ltd
