L'avènement de la diode électroluminescente blanche (LED), qui se compose d'une LED bleue avec une couche de phosphore, réduit considérablement la consommation d'énergie pour l'éclairage. Malgré la croissance rapide du marché, les LED blanches sont toujours en cours de conception avec des méthodes d'essai et d'erreur numériques lentes. Une équipe de scientifiques de l'Université de Twente, Université technique d'Eindhoven, et l'industrie leader Signify (anciennement Philips Lighting) ont introduit un principe de conception radicalement nouveau qui est basé sur un modèle analytique au lieu d'une approche numérique. Le modèle prédit le point de couleur d'une LED blanche pour toute combinaison de paramètres de conception et permet une conception beaucoup plus rapide, jusqu'à 1 million de fois, résultant en des coûts de conception et de production réduits. Les résultats sont publiés dans ACS Photonique .

Les principales caractéristiques d'une source de lumière blanche sont le point de couleur et l'efficacité. Le point de couleur est défini par le spectre émis et il est décrit par deux paramètres qui couvrent ce que l'on appelle l'espace colorimétrique. Les concepteurs optiques utilisent actuellement des simulations numériques, souvent basé sur les techniques de ray tracing de Monte-Carlo pour extraire le point de couleur, étant donné les paramètres de conception de la source de lumière blanche. Pour viser un point de couleur spécifique, les concepteurs optiques doivent utiliser ces simulations pour chaque ensemble choisi de paramètres de conception. Malheureusement, les méthodes de simulation sont très lentes et par conséquent seule une petite partie de l'espace des paramètres de conception peut être explorée. D'où, la conception d'une LED blanche repose sur l'expérience du concepteur optique plutôt que sur une exploration systématique de l'espace complet des paramètres de conception.

Les LED blanches présentent de nombreux avantages par rapport aux sources d'éclairage conventionnelles telles que les lampes à incandescence ou les lampes à décharge. Les LED blanches sont parmi les sources les plus économes en énergie, ils sont mécaniquement robustes et thermiquement stables, ils possèdent une bonne stabilité temporelle et ils ont une longue durée de vie. Une LED blanche typique se compose d'une LED bleue à semi-conducteur et d'une couche de phosphore constituée d'une matrice de microparticules de phosphore (voir Figure 1).

Une partie de la lumière bleue est transmise à travers la couche de phosphore, et une partie est absorbée et réémise dans la partie rouge et verte du spectre pour produire la lumière blanche désirée. Les quantités relatives de lumière diffusée et réémise (Figure 2) définissent le point de couleur d'une LED blanche. Pour régler le point de couleur, plusieurs paramètres de conception sont disponibles, tels que la densité de particules de phosphore r (voir Figure 3), l'épaisseur de couche de phosphore L, le genre de phosphore, le type de LED bleue, et des éléments optiques supplémentaires.

La conception systématique du point de couleur d'une LED blanche nécessite des algorithmes beaucoup plus rapides que les techniques de lancer de rayons. L'auteur principal IJzerman de la société Signify déclare :"À ce jour, il n'existe pas de bon modèle pour décrire la diffusion dans l'industrie de l'éclairage. Tous nos modèles dépendent d'un ajustement de courbe avancé dans lequel un ou plusieurs paramètres sont déterminés en faisant correspondre les mesures avec des simulations. Pour améliorer cette approche longue et coûteuse, un modèle a priori basé sur des paramètres physiques mesurables serait d'une grande valeur et un grand pas en avant." C'est ce que les chercheurs ont développé.

L'équipe néerlandaise présente un outil de calcul extrêmement rapide et analytique basé sur l'approximation dite P3 de l'équation de transfert radiatif. L'auteur principal Vos dit, « Nous sommes capables de prédire le point de couleur d'une LED blanche à partir des paramètres de conception choisis. A l'inverse, nous pouvons obtenir les paramètres de conception d'une LED blanche à partir d'un point de couleur ciblé."

IJzerman dit, « Dans cette nouvelle situation, le problème inverse ne nécessite pas de procédure d'itération pour chaque nouveau cycle de conception. Compte tenu de la rapidité de notre outil, nous pouvons générer une table de recherche pour l'ensemble de l'espace de paramètres disponible pour les ingénieurs. Ainsi, nous obtenons d'énormes avantages en termes de vitesse et d'efficacité."

Lagendijk dit, « Je suis ravi que les LED blanches contribuent davantage à une mondialisation rapide de l'éclairage, et donc à l'alphabétisation et à la démocratisation dans le monde. Ceci est pertinent pour les régions où quelques cellules solaires sont facilement disponibles, et où le réseau électrique étendu est trop coûteux ou fastidieux. »