Papillotement de la lumière : des papillons dans les yeux

Le mot “papillotement” ne vient pas du clignement des yeux comme les battements d’ailes d’un papillon mais plutôt de l’effet changeant qu’offrent les couleurs chatoyantes de ces insectes. Comme il est difficile de définir précisément ce qu’est le « papillotement » (ou flicker en anglais, scintillement), on privilégie l’expression « modulation temporelle de la lumière ». La raison de cette clarification est de pouvoir distinguer les causes – la modulation temporelle du courant électrique, et les conséquences – les effets visuels ou non visuels sur l’homme.

Papillotement, une histoire de fréquences

Le premier point à rappeler est que la variation de la luminosité n’est pas en soi une mauvaise chose. Elle est bien sûr inhérente à l’éclairage naturel que ce soit à l’échelle d’une journée ou sur des séquences plus rapides lorsqu’un nuage passe devant le soleil. Les lumières ondoyantes d’une bougie ou d’un feu ne sont pas non plus problématiques.

Pourquoi se plaindre alors de la modulation temporelle des éclairages électriques ? Car la variation lumineuse est alors répétitive. En cause, le 50 Hz de l’alimentation alternative : 50 fois par seconde, tous les 20 millisecondes, le courant varie de manière plus ou moins sinusoïdale allant dans un sens puis dans l’autre. Il y a une forte corrélation entre la forme du courant électrique et celle du signal lumineux. Avec cette différence : pour l’émission de lumière, le sens de circulation des électrons n’a pas d’importance. La fréquence de répétition est ainsi deux fois plus grande : 100 Hz. La figure suivante montre la variation à cette fréquence de la luminance émise par une lampe à incandescence et par une lampe fluocompacte. 

La seule fréquence de 100Hz n’est toutefois pas suffisante pour décrire la forme du signal lumineux. Les harmoniques, fréquences multiples de 100Hz, peuvent aussi avoir une influence. L’analyse se complexifie avec les différentes stratégies de gradation de la lumière. La réponse fréquentielle, et par conséquent les effets induits, dépendent beaucoup du taux de gradation choisi. Sans parler des formes d’onde présentant des fréquences sous harmoniques (inférieures à 100Hz) ou inter-harmoniques…

Le pire… et le meilleur avec les lampes LED

Outre la fréquence, l’autre paramètre de description des variations lumineuses est le pourcentage de modulation par rapport à la valeur moyenne. Pour les lampes à incandescence et les lampes fluocompactes, il est généralement compris entre quelques pourcents et 15%. Pour certaines lampes LED à destination du grand public, le pourcentage de modulation peut être bien plus pénalisant ! La figure suivante illustre la grande variété des situations pour les lampes LED, liée aux différentes stratégies d’alimentation électronique.

Mais le meilleur est également possible avec des lampes LED ne présentant aucune modulation (pourcentage de modulation inférieur à 1%). Une solution technologique existe donc pour éliminer tout effet de papillotement : il faut concevoir des drivers permettant d’alimenter les lampes LED en courant continu constant. Ou de fournir directement ce courant constant !

Quels effets sur l’homme ?

Revenons au papillotement. Il ne s’agit donc pas de la cause mais de l’effet visuel du phénomène. Il est maximal autour de 10 Hz et peut déclencher dans certains cas extrêmes des crises d’épilepsie. Mais à 100Hz – la fréquence qui nous intéresse – surprise : nous ne pouvons plus strictement parler de papillotement (on trouve parfois de manière impropre le terme invisible flicker). En revanche, il peut y avoir un effet stroboscopique ou un effet de réseau fantôme (image fantôme qui apparait lors d’une saccade visuelle). Cela entraine une baisse des performances visuelles et parfois des maux de tête.

Des normes proposent des recommandations pour limiter ces effets. Le graphe suivant issu de la norme américaine IEEE 1789 représente le pourcentage de modulation en fonction de la fréquence et recommande un seuil en dessous duquel on considère que le risque est faible ou nul. A 100 Hz par exemple, l’effet stroboscopique n’est pas considéré comme gênant lorsque le pourcentage de modulation est inférieur à 8%.

Des nouveaux indices standardisés ont également été créés :

• le PstLM (pour short-term Light Modulation) quantifie les effets du papillotement pour des fréquences jusqu’à 80Hz ;
• le SVM (pour Stroboscopic Visibility Measure) quantifie l’effet stroboscopique pour des fréquences de 80 Hz à 2000Hz.

S’il n’y a actuellement pas de contrainte dans les règlements européens actuels en écoconception, des limites sont envisagées (PstLM ≤ 1 et SVM ≤ 0,4) à l’horizon de 2020. Une façon de moins cligner des yeux !

Approfondir le sujet

• Webinaire, Modulation temporelle des LEDs, impacts et normes, Christophe Martinsons, du CSTB, Cluster Lumière
• Flicker, Building Technologies Office, Solid-State Lighting Technology Fact Sheet, U.S. Department of Energy
• IEEE 1789: A new standard for evaluating flickering LEDs? DIAL

Photo en tête de l’article : mer méditerranée – Scintillement de la lumière dans les yeux, éclairage en contre-jour du soleil © Vincent Laganier