LUMIRIUM: La technologie LED

La Photosynthèse en milieu marin.

Les cycles lumineux naturels agissant sur la photosynthèse varient en intensité et en qualité tout au long de la journée, ces rythmes naturels sont non linéaires.
Une quantité de lumière linéaire excessive peut nuire à certains organismes, voire dans certains cas être la cause de leur disparition.
De nombreux coraux ont développé des mécanismes génétiques qui leur permettant de lutter contre ces excès de lumière, notamment durant l'été.
Partant de cette réflexion, nous avons développé un système éclairage polychromique permettant de reproduire au mieux les variations naturel non linéaire et ainsi stimuler la photosynthèse le plus naturellement.

L'ensemble polypes zooxanthelles est une association de deux organismes carbonés différents.
Les zooxanthelles sont des algues autotrophes capables de synthétiser certaines molécules organiques à partir du carbone minéral.
Ces mêmes zooxanthelles utilisent certaines substances fournies par le polype, comme certains déchets azotés et phosphorés ainsi que le CO2. En contrepartie elles produisent de l'oxygène, du glucose, certains acides aminés et autres qui sont à leur tour assimilables par le corail.
L'assimilation du dioxyde de carbone par les zooxanthelles provoque de façon indirecte une précipitation du calcium en carbonate de calcium dans le tissu corallien. Ce dernier pourra ainsi être utilisé pour la construction du squelette calcaire.
Les coraux abritent pas une mais plusieurs sortes de zooxanthelles. La photosynthèse est dans l'ensemble régulée par le corail.
Les différents types de zooxanthelles varient en fonction de la quantité de lumière mais aussi du spectre.
L'équipement LED est donc "calé" sur les besoins de la photosynthèse en gammes de longueurs d'ondes, de quantité de lumière.

Technique du luminaire

Notre choix s’est porté sur les diodes électroluminescentes (LEDs).
Nos calculs, caractérisations et simulations indiquent que la source de lumière peut être composée de LEDs blanches froides LEDs blanches chaudes, LEDs rouges et LEDs bleues.

Ces LEDs ont un flux contrôlable afin de faire varier la température de couleur entre 2800°K et 11000°K pour la version "Tropical",et entre 5000°K et 20000°K pour la version "Récifal" et ce tout en gardant un indice de rendu de couleur supérieur à 90 selon la version.
Afin d'assurer un éclairage uniforme (spectralement et en flux), nous utilisons des optiques secondaires avec différents angles d'ouverture
Les optiques secondaires ont été spécialement conçu pour LUMIRIUM et pour une utilisation en aquariophilie.
Chaque led de couleur a sa propre optique spécifique associé à sa longueur d'onde (de lumière) afin d'optimiser au maximum les performances de chaque led.
Nos rampes sont équipés d'une vitre de protection contre la projection d'eau et de sel qui assure leur longévité dans le temps.

Les avantages techniques de la LED

Les avantages mis en avant par les constructeurs de LED sont : * Une durée de vie de 50 000 heures (jusqu'a 70% de leur potentiel), soit "zéro maintenance" pendant plus de 6 ans!
* un encombrement miniature, et souplesse du design
* une faible tension d'alimentation (sécurité électrique),
* un respect de l'environnement (Directive RoHS, sans substance poluante),
* Des couleurs saturées,
* Pas d’émission UV
* 55% d'énergie en moins que les lampes à halogénures métalliques classiques.
* Toute la chaleur est évacuée par le haut, il n'y a donc pas de problème d'échauffement de l'eau de l'aquarium.

La polychromie

Les rampes d'éclairage utilisent plusieurs couleurs de LED afin d’obtenir un spectre utile en aquariophilie.

Led de couleur Lumiled

Led blanche

Les choix des LEDs

Le choix du type et du nombre de LEDs permet une répartition spectrale uniforme (pour un bon IRC) sur une large gamme de CCT.
Les 4 types de LEDs choisies ont des coordonnées de couleur qui permettent de recouvrir la zone centrale blanche du diagramme CIE1931, et une bonne partie du lieu des corps noirs, ceci, permet de changer la température de couleur (voir schéma ci-dessous).
Le polygône représenté sur le schéma ci-dessous indique que l’on peut reproduire toutes les couleurs (coordonnées xy se trouvant à l’intérieur de la zone et ce, en modulant l’intensité relative de chacune des 4 couleurs.

Répartition spectrale en eau douce tropical:    - le bleu royal    - le blanc froid    - le blanc chaud    - le rouge

Répartition spectrale en eau de mer récifal:    - le bleu royal    - autre bleu    - le blanc froid    - le blanc chaud

Le polynôme couvre convenablement (uniformément) l’ensemble du spectre visible de l’œil humain, de manière à présenter un bon IR. En effet, la présence de trou dans un spectre abaisse l’IRC.
Un objet jaune éclairé par une lumière blanche dont le spectre présente un trou dans le jaune apparaîtra noir (sombre), le rendu de couleur ne serait donc pas bon.
Un polynôme de type bleus, blanc froid, blanc chaud, rouge pour l’eau douce tropicale et un polynôme de type bleus, blanc froid, blanc chaud pour l’eau de mer récifale est approprié (car il ne laisse pas de lacunes dans le spectre et permet de faire varier la CCT dans une bonne partie de la zone blanche du diagramme colorimétrique).

Note:
L’utilisation du vert au lieu du blanc serait une bonne solution en regard du diagramme colorimétrique pour l’œil humain, mais les lacunes spectrales, présentes entre les trois spectres, ne permettent pas un bon rendu des couleurs. De plus, l’IRC du blanc étant d’environ 70, cela aurait minoré l'IRC final.
Pour finir le vert est inutile pour la photosynthèse des plantes.

La combinaison des couleurs

Exemple d’un éclairage à 6500 °K pour un mélange de 3% de bleu, 92% de blanc et 5% de rouge (% du flux en lumen total):

On remarque ainsi que l’apport de bleu atténue le gap (vers 490nm) des LEDs blanches et l’apport de rouge permet d’améliorer l’IRC en uniformisant le spectre dans la partie droite du visible.
La hauteur relative des deux pics, rouge et bleu, varie en fonction de la CCT.

L’indice de rendu de couleur (IRC)

Grâce au polynôme choisi, les rampes d'éclairage ont un IRC supérieur à 80 sur la gamme de température de couleur [4000°K,12000°K], en dépassant même 90 de 4400°K à 8400°K pour la version "Tropical".
Précisons que le mélange des couleurs a été considéré comme parfait. C’est l’un des objectifs du diffuseur optique générale.

On remarque ainsi que l’apport de bleu atténue le gap (vers 490nm) des LEDs blanches et l’apport de rouge permet d’améliorer l’IRC en uniformisant le spectre dans la partie droite du visible.
La hauteur relative des deux pics, rouge et bleu, varie en fonction de la CCT.

Choix de matériau et protection

Nos rampes sont équipés d'une vitre de protection contre la projection d'eau et de sel qui assure leur longévité dans le temps.
Cette vitre est en PMMA (polymethylmethacrylate).
La courbe de transmission du PMMA, constante dans le visible, est bien adaptée pour l’éclairage.

Courbe de transmission du PMMA

Lumispot vue de dessous:

La répartions des LEDs

La répartition des différentes LEDs de couleur est étudiée de façon à permettre un mélange optimal des spectres (des couleurs).
Les LEDs d'une couleur sont réparties en laissant des distances inégales entre chacune et en fonction des couleurs suivant des lois d'optiques.
De plus, les luminaires possedent un minimum de LEDs par couleur pour permettre un mélange homogène.
La répartition choisi entre les LEDs permet de reproduire des ambiances lumineuses dans le bac de l'aube, du jour, du coucher de soleil ainsi que les phases de lune.

Dérive thermique

Le spectre de la lumière émise par le luminaire au cours du temps dérive. Ci-dessous un tableau représentant la dérive de la température de couleur en fonction du temps :

La CCT se stabilise au bout d'une bonne heure de fonctionnement, après avoir augmenté de 600°K. Cette dérive est relativement importante sans pour autant être préoccupante car le système électronique fait varier la CCT de façon majeure toute les ½ heures.

IRC et flux en fonction du temps

La discontinuité de l'IRC vers 15 min est dûe au fait que son calcul dépend de la CCT. A 15 min, la CCT passe au-delà de 6000°K et le blanc de référence servant au calcul de l'IRC passe alors du D55 au D65.
L'IRC reste supérieur à 90 tout en restant relativement stable (après 20 min de fonctionnement).
Le flux émis par le luminaire (au point de mesure) se stabilise après une bonne heure de fonctionnement, en ayant perdu 5% du flux par rapport à t=10 min.
Le luminaire est comme stable en terme d'IRC, de flux et même dans un premier temps de CCT, dans le sens où l'intervention d'une boucle de rétroaction corrigeant les dérives n'est pas nécessaire.