Guide des longueurs d'onde des LED : nuancier, formule et tri

À l'instar de l'espacement entre les crêtes des vagues, la longueur d'onde décrit une distance qui se répète. La lumière est une onde électromagnétique, et un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre. Les valeurs de longueur d'onde indiquées dans les spécifications des LED se réfèrent généralement à la lumière dans l'air ou le vide.

Une LED colorée possède un pic spectral et une bande passante finie, au lieu d'émettre une seule longueur d'onde précise. Sa couleur perçue dépend de l'ensemble du spectre et de la réponse de l'œil ; par conséquent, la longueur d'onde seule ne suffit pas à décrire pleinement son apparence.

Différentes bandes spectrales sont adaptées à différentes tâches : la lumière visible permet d’afficher les couleurs, tandis que les ultraviolets et les infrarouges sont utilisés pour des procédés spécialisés et la détection. Ni un faisceau invisible ni une couleur particulière ne sont automatiquement sûrs ou efficaces pour une application donnée.

La relation clé est l'énergie des photons :

• Les longueurs d'onde plus courtes, comme le violet et le bleu, transportent plus d'énergie par photon.
• Les longueurs d'onde plus longues, comme le rouge, transportent moins d'énergie par photon.

Cela ne signifie pas pour autant qu'une LED bleue consomme nécessairement plus d'électricité ou produit une puissance optique totale plus élevée.

Une « LED rouge de 625 nm » nécessite une tolérance et une indication précisant si 625 nm est la longueur d’onde de crête ou dominante. L’illustration ci-dessous présente des zones de couleur approximatives ; leurs limites sont descriptives et ne constituent pas des spécifications d’achat.

Les noms de couleurs ont des limites approximatives et peuvent parfois se chevaucher. Les gammes visibles ci-dessous décrivent les couleurs ; les exemples plus précis décrivent les produits LED. Il est important de ne pas les confondre lors de la comparaison des fournisseurs.

1. Lumière visible: Il comprend le violet, le bleu, le vert, le jaune, l'orange et le rouge. Les écrans RGB mélangent la lumière rouge, verte et bleue pour produire de nombreuses couleurs.
2. Rayonnement invisible : L'ultraviolet se situe au-delà des courtes longueurs d'onde de la lumière visible ; l'infrarouge se situe au-delà des grandes longueurs d'onde.

RGB signifie rouge, vert et bleu — les couleurs primaires additives utilisées par les écrans LED couleur. Chaque canal contribue à son propre spectre. Modifier leurs niveaux de sortie relatifs crée des couleurs mixtes, y compris le blanc ; cela ne les transforme pas en un nouvel émetteur à longueur d’onde unique.

Les LED rouges sont courantes dans les indicateurs, les panneaux de signalisation et les écrans. À titre d'exemple, le tableau des couleurs LUXEON Rebel de Lumileds répertorie les produits rouges entre 620 et 645 nm et les produits rouge foncé entre 650 et 670 nm. Il s'agit de plages de longueurs d'onde, et non de définitions universelles ni de la preuve que le rouge est toujours le choix le plus efficace.

Le rouge profond, autour de 660 nm, est également utilisé en éclairage horticole. Il favorise la photosynthèse, mais le choix de cette longueur d'onde seule ne garantit ni la floraison ni un rendement supérieur. Il est indispensable de prendre en compte le spectre complet, le mode d'apport des photons, la culture et le cycle d'éclairage.

Les LED bleues sont compatibles avec les écrans RVB et de nombreuses LED blanches à conversion de phosphore. Lumileds, par exemple, propose des produits bleus entre 460 et 485 nm et des produits bleu roi entre 440 et 460 nm. Dans une LED blanche, un phosphore convertit une partie de la lumière d'excitation en longueurs d'onde plus longues ; le spectre ainsi obtenu peut apparaître blanc.

Autres utilisations : les sources violettes ou bleues peuvent activer des photo-initiateurs adaptés dans les systèmes de polymérisation. Une source de 415 nm est généralement qualifiée de violette, mais il ne s’agit pas d’une spécification de polymérisation universelle. L’absorption, l’éclairement, le temps d’exposition et la géométrie du matériau doivent être conformes au processus validé par le fournisseur de l’équipement.

Les LED vertes fonctionnent généralement autour de 520–540 nm ; 455 nm correspond au bleu. La réponse photopique standard utilisée pour la vision diurne présente un pic aux alentours de 555 nm, dans la région jaune-vert. Voir les données d’efficacité spectrale photopique de la CIE.

Luminosité perçue : une puissance rayonnante égale à différentes longueurs d’onde ne produit pas un flux lumineux équivalent. La lumière proche du pic de sensibilité photopique est davantage prise en compte. La comparaison avec une puissance électrique égale est différente, car le rendement de conversion des LED varie également.

Gamme de couleurs d'affichage : le vert est l'une des trois couleurs primaires RVB. La gamme de couleurs utilisable est déterminée par la chromaticité des trois canaux, le point blanc sélectionné et l'étalonnage ; la longueur d'onde du vert seule ne garantit pas des images réalistes.

Comparez la luminosité et la puissance à la température de fonctionnement prévue, et non en fonction du nom de la couleur. Le graphique RVB ci-dessous est illustratif : les courbes bleue, verte et rouge atteignent leur maximum respectivement à environ 450, 520 et 630 nm. Son axe vertical est gradué en unités arbitraires (ua) ; des pics de même hauteur ne correspondent pas nécessairement à une puissance (en watts), un flux lumineux (en lumens) ou un rendement électrique égaux.

Le jaune et l'orange peuvent être des couleurs spectrales ou des mélanges. Le violet est un mélange plutôt qu'une couleur à longueur d'onde spectrale unique, tandis que le blanc nécessite une combinaison de longueurs d'onde. Ces distinctions permettent d'éviter des spécifications trompeuses.

1. LED jaune: Sur l'illustration, le jaune correspond approximativement à 570–590 nm. Les LED à émission directe et celles à conversion de phosphore peuvent présenter des spectres différents. Une puce bleue avec un phosphore jaune produit généralement du blanc lorsque de la lumière bleue est encore présente en sortie ; cette caractéristique seule ne définit pas une LED jaune. Vérifiez les coordonnées colorimétriques mesurées.
2. LED orange : Sur l'illustration, la couleur orange correspond approximativement à 590–610 nm, tandis que les étiquettes de produits ambrées et rouge-orangées voisines varient selon le fabricant. Les indicateurs et la signalétique doivent être spécifiés par la couleur mesurée et les exigences applicables, et non par le seul nom de la couleur.
3. LED violette : La lumière rouge et bleue mélangée peut paraître violette. Elle ne possède pas de longueur d'onde violette unique. Le violet est une couleur spectrale proche des courtes longueurs d'onde du spectre visible ; 365 nm correspond à l'ultraviolet, et non à la lumière visible violette. Un produit d'apparence violette doit être décrit par son spectre de composantes ou sa chromaticité.
4. LED blanche: La conversion de phosphore ou le mélange additif de couleurs produisent de la lumière blanche. Spécifiez la température de couleur corrélée (TCC), la chromaticité ou le Duv, ainsi que les mesures de rendu des couleurs pertinentes pour l'éclairage. Deux produits ayant la même TCC peuvent néanmoins différer en termes de teinte, de spectre et d'apparence des objets éclairés.

Les LED ultraviolettes et infrarouges permettent de couvrir des couleurs au-delà du spectre visible. Veuillez préciser la bande spectrale et le rendement optique requis, ainsi que la compatibilité avec le détecteur, les limites d'exposition et les tests d'application.

• UV: La région ultraviolette s'étend approximativement de 100 à 400 nm, mais cela ne signifie pas que les produits LED couvrent toutes les longueurs d'onde de cette région. Les sources UVC sont utilisées dans les systèmes de désinfection ; la longueur d'onde seule ne permet pas de déterminer la dose ou le résultat de la désinfection. Les recommandations de la FDA mettent en garde contre les risques de lésions oculaires et cutanées liés à l'exposition aux UVC..
• IR: Les LED infrarouges proches sont utilisées dans les télécommandes, les capteurs et l'éclairage des appareils photo. Il est important d'adapter le spectre de l'émetteur à la sensibilité du récepteur. Un rayonnement invisible à l'œil nu ne doit pas être considéré comme inoffensif.

Deux fiches techniques peuvent indiquer des valeurs en nanomètres similaires tout en décrivant des mesures différentes. Vérifiez la définition de la longueur d'onde avant de choisir les intervalles ou d'approuver un composant de remplacement.

La longueur d'onde de crête et la longueur d'onde dominante décrivent différentes propriétés d'une LED colorée :

• Longueur d'onde maximale (λp) : la longueur d'onde au maximum de sa distribution spectrale de puissance.
• Longueur d'onde dominante (λd) : une description colorimétrique dérivée de la chromaticité et d'un point blanc de référence, plutôt que de la position du pic spectral.

Luminus explique cette distinction et pourquoi les LED blanches devraient utiliser la CCT et le Duv plutôt que la longueur d'onde dominante.

Pour comparer les couleurs d'un écran, demandez la chromaticité et la définition des intervalles de couleur du fournisseur. Pour un détecteur, un filtre ou un procédé photochimique, examinez le spectre complet et la bande passante. Ne confondez jamais les valeurs de longueur d'onde de crête et dominante.

La composition du semi-conducteur influe sur l'émission et le comportement électrique, mais la tension directe ne mesure pas la longueur d'onde. Les émetteurs rouges ont souvent une tension directe inférieure à celle des émetteurs bleus ou verts ; les valeurs exactes dépendent du composant, du courant et de la température. Dimensionnez le circuit de commande en vous basant sur la plage de tension directe et les limites de courant indiquées dans la fiche technique, et non sur une règle basée sur la couleur.

En biologie, la longueur d'onde ne représente qu'une partie des spécifications d'exposition. L'intensité, la durée, la distance d'exposition et les caractéristiques du dispositif ou du système de culture sont tout aussi importantes.

• Traitements cutanés à la lumière bleue : Certains appareils traitent l'acné inflammatoire, mais les résultats varient et la lumière ne traite pas tous les types d'acné. Conseils de l'Académie américaine de dermatologie sur l'acné décrit ces limitations.
• Traitements par la lumière rouge : Les recherches portent notamment sur des appareils à lumière rouge et proche infrarouge pour les problèmes de peau, mais les résultats obtenus avec un seul appareil ou protocole ne permettent pas d'établir les bienfaits de toutes les LED à une longueur d'onde similaire. Conseils sur les feux rouges de l'AAD note les lacunes persistantes en matière de preuves.

Choisissez un appareil présentant les indications appropriées et suivez ses instructions ainsi que les conseils d'un professionnel de santé. Les spécifications d'un écran LED ne constituent pas une prescription médicale.

Les systèmes horticoles associent généralement le bleu et le rouge, parfois avec du blanc à large spectre ou d'autres bandes.

• Bleu autour de 450 nm : contribue à la photosynthèse et au développement des plantes.
• Rouge autour de 660 nm : contribue à la photosynthèse, les réponses dépendant de la configuration lumineuse complète.

La lumière verte contribue également à la croissance des plantes ; elle n'est pas simplement gaspillée parce que les feuilles paraissent vertes.

Évaluer la densité de flux de photons photosynthétiques (PPFD), l'intégrale de lumière journalière (DLI), l'uniformité et la consommation d'énergie du couvert végétal. Les expériences menées sur des semis à l'Université d'État du Michigan illustrent pourquoi le spectre lumineux et la réponse de la culture doivent être évalués conjointement. Valider le modèle en fonction de la culture et des conditions de croissance réelles avant de projeter le rendement ou le retour sur investissement.

Une LED produit de la lumière par électroluminescence : l'injection électrique permet aux électrons et aux trous de se recombiner dans la région active d'un semi-conducteur, libérant une partie de leur énergie sous forme de photons.

La jonction de base contient :

1. Matériau de type N : où les électrons sont les porteurs de charge majoritaires.
2. Matériau de type P : où les trous sont les porteurs de charge majoritaires.

En polarisation directe, les porteurs de charge sont injectés dans la région active. Les LED modernes sont conçues pour favoriser la recombinaison radiative. L'énergie électrique fournie n'est pas entièrement convertie en lumière ; les processus non radiatifs et les pertes électriques génèrent également de la chaleur.

• La structure de bande du semi-conducteur influence les énergies des photons pouvant être émis.
• Les photons de plus haute énergie correspondent à des longueurs d'onde plus courtes ; les photons de plus faible énergie correspondent à des longueurs d'onde plus longues.

La relation entre l'énergie du photon et la longueur d'onde est E = hc/λ . En utilisant les électronvolts pour l'énergie et les nanomètres pour la longueur d'onde, on obtient :

λ (nm) ≈ 1239.84 / E (eV)

Ici, λ représente la longueur d'onde, E l'énergie du photon , h la constante de Planck et c la vitesse de la lumière dans le vide. La conversion suit les constantes fondamentales du NIST ; 1240 est un numérateur arrondi.

Exemple : un photon de 2.00 eV a une longueur d’onde d’environ 620 nm. Ce calcul convertit l’énergie d’un photon en longueur d’onde ; il ne permet pas de prédire la classe de production exacte d’une LED.

La bande interdite d'un semi-conducteur peut fournir une estimation de l'énergie d'émission, mais la structure du dispositif et ses conditions de fonctionnement influent sur le spectre mesuré. Il ne faut pas intégrer directement la tension directe de la LED dans la formule de l'énergie des photons.

Les fabricants utilisent différents alliages semi-conducteurs et différentes conceptions de régions actives pour obtenir différentes couleurs. Modifier la composition modifie les transitions électroniques disponibles.

• nitrure d'indium-gallium (InGaN) : largement utilisé pour les émetteurs bleus et verts.
• phosphure d'aluminium, de gallium et d'indium (AlGaInP) : largement utilisé pour les émetteurs rouges, oranges et ambrés.

Les noms des matériaux expliquent le principe de fonctionnement, mais la fiche technique du composant et le spectre mesuré restent les critères de sélection. Les phosphores peuvent modifier le spectre de sortie final.

Un diagramme de distribution spectrale de puissance (DSP) illustre la répartition du rayonnement optique en fonction de la longueur d'onde. Il révèle la largeur de bande, les multiples bandes d'émission et les différences masquées par une seule longueur d'onde nominale ou une seule couleur.

• Axe horizontal : longueur d'onde, généralement en nm.
• Axe vertical : Le spectre d'émission, exprimé en W/nm ou sur une échelle relative/normalisée, est indiqué. Veuillez lire l'étiquette.
• Pic et largeur : identifier la largeur maximale et, lorsque spécifiée, la largeur à mi-hauteur (FWHM).
• Lumière blanche: De nombreuses LED à conversion de phosphore présentent un pic bleu ainsi qu'une émission plus large à plus grande longueur d'onde.

• Précision: comparer les spectres mesurés dans les conditions de courant et de température spécifiées.
• Binning : Utilisez les tableaux de longueur d'onde, de chromaticité et de classes de sortie du fournisseur ; une image SPD seule ne définit pas les limites d'acceptation.
• Correspondance des couleurs : Des spectres différents peuvent produire des coordonnées colorimétriques similaires, mais se comporter différemment selon les appareils photo, les filtres ou les matériaux éclairés. Testez l'application complète.

1. Définissez l'objectif : couleur d'affichage, éclairage, détection, éclairage des plantes ou un traitement/processus validé.
2. Spécifiez correctement l'apparence : Utiliser la chromaticité et les tolérances pour la correspondance des couleurs ; ajouter des critères de température de couleur corrélée (CCT) et de teinte pour la lumière blanche.
3. Demander la fiche technique complète : confirmer la longueur d'onde de crête par rapport à la longueur d'onde dominante, le SPD, la bande passante, la sortie, le courant et la température de test.
4. Définir une stratégie de tri des déchets : Choisissez des tolérances adaptées aux besoins du projet et au plan de stock de remplacement. Le bac le plus serré disponible n'est pas forcément nécessaire.
5. Vérifier la stabilité de fonctionnement : effectuer un test à la température et au niveau de pilotage prévus, y compris la gradation et la stabilisation thermique.
6. Définir les contrôles d'acceptation des fournisseurs : approuver les échantillons, enregistrer les références des composants/bins et vérifier l'uniformité et l'étalonnage de l'affichage assemblé.

La longueur d'onde des LED est un point de départ utile pour définir la couleur et les performances spectrales. Un choix fiable exige également une définition précise de la mesure, des tolérances, des conditions de fonctionnement et des tests d'application. Il est préférable de comparer les spécifications complètes plutôt que de se fier aux promesses associées à une seule valeur en nanomètres.

Pour un écran, évaluez l'écran calibré ainsi que ses composants LED individuels.

Discutez de la taille de votre écran, des conditions de visionnage, des couleurs cibles et des exigences de maintenance avec EagerLEDDemandez quelles données de composants et quels exemples de tests sont disponibles pour le système proposé.

Contactez le EagerLED équipe à propos de votre projet d'affichage LED et convenir de critères d'acceptation mesurables avant la production.