rapport entre cette composante fondamentale et la valeur moyenne de la forme d'onde. De Lange qualifie ce paramètre de « rapport d'ondulation » (ripple ratio en anglais). Ce résultat est valable pour la plupart des formes d'onde usuelles (modulations carrée et triangle par exemple), tant que l'amplitude de la composante fondamentale de Fourier est supérieure à toutes les composantes de fréquence plus élevée (De Lange, 1952 ; De Lange 1954).

### 3.6.2.2.6 Évolution de la visibilité du papillotement avec l'âge

Plusieurs travaux, dont ceux de Rasengane (Rasengane et al., 1997), ont mis en évidence que la perception des contrastes temporels n'est pas en place chez le nourrisson et se développe progressivement pendant la petite enfance. Dans cette étude, les nourrissons âgés de 2 et 4 mois par exemple ont une fréquence critique de fusion respective de l'ordre de 13 Hz et 22 Hz.

Chez l'adulte, plusieurs travaux, dont ceux de Casson (Casson et al., 1993), mettent en évidence une diminution avec l'âge de la sensibilité aux contrastes temporels chez des sujets normaux âgés de 20 à 75 ans, pour toutes les fréquences de modulation. Cette baisse de sensibilité est plus importante pour les hautes fréquences temporelles.

L'étude épidémiologique de l'institut Smith-Kettlewell (Brabyn et al., 2001) montre que la fréquence critique de fusion diminue linéairement avec l'âge, de manière assez limitée. Elle était d'environ 50 Hz à l'âge de 20 ans et de 40 Hz à l'âge de 90 ans, soit une diminution de 20 % sur une période de 70 ans. Cette étude a quantifié la diminution de la sensibilité au contraste temporel à 4 Hz et 17 Hz sur le même intervalle d'âges. Cette diminution est très faible entre 20 ans et 60 ans. À partir de 60 ans, elle s'accélère de manière exponentielle. La sensibilité baisse d'un facteur 3 entre 60 et 90 ans.

L'analyse de ces travaux et de travaux effectués sur des singes (Stavros et al., 2008) montre que la sensibilité maximale aux contrastes temporels est atteinte chez l'adolescent et le jeune adulte.

### 3.6.2.2.7 Existe-t-il une population plus sensible aux contrastes temporels ?

Il existe des populations sensibles à la modulation temporelle de la lumière. Les études portant sur la maturation du système de perception visuelle des contrastes chez l'Homme indiquent que la sensibilité maximale aux contrastes temporels est atteinte chez l'adolescent et le jeune adulte. Il s'agit donc d'une population particulièrement sensible aux lumières modulées.

Certains travaux de recherche signalent qu'il existe une certaine fraction de la population générale capable de percevoir le papillotement de la lumière à une fréquence de modulation de 100 Hz, supérieure à la fréquence critique de fusion habituellement observée (autour de 70 Hz). Hopkinson et Collins ont estimé en 1954 (Collins et Hopkinson ; 1954) qu'avec des niveaux de luminance moyenne de 170 cd/m², le papillotement à 100 Hz pourrait être perçu par :

* 1 personne sur 150 lorsque le pourcentage de modulation est d'environ 35 % ;

* 1 personne sur 34 lorsque le pourcentage de modulation est d'environ 65 % ;

* 1 personne sur 14 lorsque le pourcentage de modulation est d'environ 95 %.

Une étude plus récente de Bullough (Bullough et al., 2011), portant sur 10 sujets exposés à des sources de lumière modulée à base de LED, a confirmé que le pourcentage des sujets percevant les modulations à 100 Hz est faible, inférieur à 10 %, mais pas nul.

### 3.6.2.2.8 Les indices de visibilité du papillotement

Différents indices de papillotement ont été introduits dans des normes électrotechniques (normes IEC, par exemple (IEC, 2017)) et des normes d'éclairage (publications CIE). Ces indices servent à évaluer la visibilité du papillotement d'une source de lumière, lampe ou luminaire. Ces indices sont présentés et détaillés dans l'Annexe 2 de ce rapport.
Tous les indices de visibilité du papillotement supposent de manière intrinsèque que la perception des contrastes temporels est un phénomène linéaire et invariant dans le temps.

L'indice de sévérité à court terme du papillotement, Pst<sup>lum</sup> a été bâti par l'IEC à partir du modèle de De Lange avec des contributions importantes de Rashbass (Rashbass, 1970). Les travaux de Rashbass ont mis en lumière la constante de temps impliquée dans l'intégration par le système visuel d'excitations lumineuses courtes. Cette constante de temps est de l'ordre de 150 ms à 250 ms. Ces travaux ont également mis en évidence que la superposition des excitations lumineuses élémentaires est associée à une visibilité qui est proportionnelle à la somme quadratique (somme des carrés) des visibilités de chaque excitation. L'indice Pst<sup>LM</sup> est donc très fidèle aux travaux bien établis de visibilité des contrastes temporels, dans les conditions de De Lange : observation directe d'une petite source placée au centre du champ de vision (excitation purement fovéale) dans des conditions photopiques.

La valeur seuil de l'indice P<sub>st</sub><sup>LM</sup> a été définie à 1. Ainsi, lorsque P<sub>st</sub><sup>LM</sup> = 1, le papillotement d'une source de lumière correspond à celui d'une lampe à incandescence de 60 W vue par un observateur normal moyen : 50 % des observateurs ne perçoivent pas de papillotement, 50 % des observateurs perçoivent le papillotement. Lorsque P<sub>st</sub><sup>LM</sup> < 1, la source de lumière provoque un papillotement plus faible qu'une lampe à incandescence de 60 W pour l'observateur moyen. Lorsque P<sub>st</sub><sup>LM</sup> > 1, la source de lumière provoque un papillotement plus élevé qu'une lampe à incandescence de 60 W pour l'observateur moyen.

L'indice Pst<sup>LM</sup> normalisé par l'IEC et accepté par la CIE dans sa note technique récente (CIE, 2016) est bien établi. Cependant, il est valable uniquement en vision centrale, pour une petite source (fréquence spatiale élevée) et en condition de jour (vision photopique). Il n'est pas fidèle au papillotement perçu en vision périphérique ou pour les grandes surfaces (plans de travail éclairés par de la lumière modulée) ou bien encore à faible éclairement (éclairage public).

En se basant sur la limite de visibilité du papillotement P<sub>st</sub><sup>LM</sup> = 1, il est possible de déterminer le pourcentage de modulation limite en fonction de la fréquence de modulation. Ainsi, pour une modulation sinusoïdale, la Figure 46 indique le pourcentage de modulation minimal pour que le papillotement soit en limite de visibilité selon le critère IEC. Pour une modulation sinusoïdale, le pourcentage de modulation est de 3,6 % à 1 Hz, atteint un minimum de 0,4 % vers 10 Hz (domaine de visibilité maximale), 2,6 % à 40 Hz et augmente ensuite rapidement à 100 % à 70 Hz. À partir de 70 Hz, l'indice P<sub>st</sub><sup>LM</sup> est toujours nul, ce qui traduit que le papillotement n'est plus visible, même avec une modulation maximale de 100 %.
<figure><img src="image_53.png" /><figcaption>**Figure 46 : pourcentage de modulation en fonction de la fréquence de modulation**

Conditions : en limite de visibilité de papillotement selon le critère de l'IEC ($P_{stLM}=1$) pour une modulation sinusoïdale (courbe bleue) et pour une modulation carrée (courbe rouge)</figcaption></figure>

Des travaux sur la visibilité du papillotement continuent donc à être effectués, le plus souvent sous l'impulsion d'industriels de l'éclairage et des systèmes d'affichage électronique (Lin et al., 2014). Ainsi, Bodington et al. ont introduit en 2015 (Bodington et al., 2015) une modification de l'indice Pst de l'IEC. Ce nouvel indice, non normalisé, a été proposé à l'agence de protection de l'environnement américaine (EPA) pour décrire la limite acceptable de papillotement des lampes (EPA, 2017). Un nouvel indice de visibilité du papillotement appelé FVM, « *flicker visibility metrics* », a également été proposé en 2017 par Perz et al. (Perz et al., 2017) à partir d'expériences menées sur deux groupes de 17 et 20 sujets placés dans des conditions d'éclairage de bureau et observant un mur blanc éclairé par des luminaires modulés temporellement. L'étude a permis dans un premier temps de construire empiriquement une courbe de sensibilité au contraste temporel qui s'avère proche du modèle de De Lange. Dans un second temps, l'indice de visibilité a été défini grâce à une sommation quadratique pondérée de chaque composante fréquentielle du spectre de la modulation temporelle. L'indice obtenu permet ainsi de tenir compte de la forme d'onde de la modulation temporelle (carrée, sinusoïdale, etc.) et de son rapport cyclique. Cet indice n'est pas encore normalisé.

### 3.6.2.2.9 Le papillotement chromatique

Le papillotement chromatique (*chromatic flicker* en anglais) est le phénomène de perception visuelle d'une modulation temporelle de la couleur ou du spectre d'un stimulus lumineux.

La sensibilité à la modulation temporelle chromatique de la lumière a été étudiée depuis le début du XXème siècle. On en trouve une description dans l'étude de Van Der Horst (Van Der Horst, 1696). Le papillotement chromatique peut être expérimentalement mis en évidence en faisant alterner deux stimuli de couleur différente. Les courbes de sensibilité aux contrastes chromatiques en fonction de la fréquence de modulation ne possèdent pas de pic, à l'inverse des courbes de sensibilité aux contrastes de luminance (cf. Figure 45, courbe de De Lange). Ainsi, la sensibilité aux contrastes temporels chromatiques décroit de manière monotone entre les basses fréquences et les hautes fréquences.
La fréquence temporelle à laquelle l'observateur ne perçoit plus de variation temporelle de couleur, mais seulement une couleur intermédiaire, est appelée la fréquence critique de fusion chromatique (CCFF pour Chromatic Fusion Flicker Frequency en anglais). Le phénomène est sensible à l'écart de chromaticité entre les deux stimuli et à leur déphasage temporel. Ainsi, pour une modulation de lumière rouge alternant avec du vert (615 nm / 549 nm), la CCFF vaut environ 25 Hz.

Les travaux de Kelly publiés en 1962 (Kelly, 1962) indiquent qu'aux niveaux photopiques, la sensibilité visuelle aux contrastes temporels est différente selon les couleurs des stimuli. Ce phénomène est expliqué par des temps de réponse du système visuel différents selon les longueurs d'onde. Ainsi, lorsque l'œil est adapté à la lumière blanche :

* la sensibilité aux basses fréquences (4 Hz – 7 Hz) augmente lorsque la modulation de couleur se situe vers le bleu ;

* la sensibilité aux fréquences intermédiaires (10 Hz – 15 Hz) augmente lorsque la modulation de couleur se situe vers le vert ;

* la sensibilité aux fréquences élevées (20 Hz – 30 Hz) augmente lorsque la modulation de couleur se situe vers le rouge.

Lors de l'analyse bibliographique effectuée pour la rédaction de ce rapport, aucune étude concernant le papillotement chromatique des LED n'a été trouvée. Cependant, plusieurs articles portent sur les modifications du spectre de la lumière émise lorsque le mode d'alimentation des LED passe du courant continu (pas de modulation temporelle) à une modulation temporelle de type PWM (forme d'onde carrée de rapport cyclique variable). Ainsi, l'étude de Dyble et al. (Dyble, 2005) et l'étude de Almeida et al. (Almeida, 2011) font état de modifications de la couleur de la lumière émise, corrélées à des modifications de la modulation temporelle, en lien avec des modes d'alimentation électrique différents. Cependant, les fréquences de modulation utilisées étaient bien supérieures à la fréquence de fusion chromatique et aucun phénomène de papillotement chromatique n'a été rapporté par les auteurs.

Le phénomène de papillotement chromatique a été mis à profit dans la technique dite du minimum de papillotement hétérochrome (HFP pour Heterochromatic Flicker Photometry en anglais) inventée au début du XXᵉ siècle par Frederick Ives (Ives, 1912). C'est la technique qui a été utilisée pour mesurer la sensibilité spectrale de l'œil humain, en condition photopique (détermination expérimentale de la courbe V(λ) normalisée par la CIE en 1913), en condition scotopique et plus récemment en condition mésopique (Viénot, 1992). La technique consiste à produire une alternance de deux couleurs à des fréquences de l'ordre de 10 Hz ou 20 Hz et de faire ajuster par l'observateur la luminance respective de chaque stimulus, ainsi que leur déphasage temporel, dans le but d'éliminer le phénomène de papillotement.

### 3.6.2.3 L'effet stroboscopique

L'effet stroboscopique est une modification de la perception visuelle ressentie par un observateur statique lors du mouvement d'un objet éclairé par une lumière modulée.

Lorsque l'objet en mouvement est une machine tournante ou oscillante, la lumière modulée peut « interférer » avec le mouvement de l'objet et produire un mouvement apparent plus lent ou inversé. Dans certaines conditions, l'objet en mouvement peut paraître stationnaire. Il s'agit d'un effet faisant intervenir la sensibilité du système visuel aux contrastes spatiaux produits par un éclairage modulé. Les contrastes spatiaux sont liés aux motifs périodiques qui apparaissent lors du mouvement d'un objet sous ce type d'éclairage.

Lorsque l'objet en mouvement est une partie du corps humain (bras, main, doigt) passant devant l'œil, cet effet est typiquement observable pour des fréquences de modulation comprises entre 80 Hz et 2 000 Hz (NEMA, 2017). L'observateur perçoit alors une décomposition du mouvement.
L'effet stroboscopique a été étudié précisément par Bullough et al. dans une série de publications (Bullough et al., 2011 ; Bullough et al., 2012, Bullough et al., 2016). Ces travaux ont permis d'établir des domaines de fréquence et de pourcentage de modulation correspondant à la visibilité de cet effet ainsi qu'à son acceptation par un panel d'observateur. Les auteurs ont confirmé que la visibilité de l'effet stroboscopique, révélé par le mouvement d'une règle ou d'un métronome dans le champ de vision (cf. Figure 47) est susceptible de varier en fonction de la fréquence de modulation, du pourcentage de modulation, de la forme d'onde de la modulation et de son rapport cyclique :

* **influence de la fréquence de modulation** : une forte dépendance de l'effet stroboscopique à la fréquence de modulation a été mise en évidence dans les travaux de Bullough et al., entre 100 Hz et 1 000 Hz. La détection est possible au-delà de 1 000 Hz pour des pourcentages de modulation très élevés et/ou des objets en mouvement plus rapides que ceux utilisés dans ces études ;

* **influence du pourcentage de modulation** : l'effet stroboscopique est également fortement dépendant du pourcentage de modulation. Plus il est élevé, plus l'effet sera visible ;

* **influence de la forme d'onde** : l'étude décrite dans (Bullough et al., 2011) ne montre pas de différence significative de perception de l'effet stroboscopique entre des formes d'onde rectangulaire et sinusoïdale rectifiée de même pourcentage de modulation ;

* **influence du rapport cyclique** : les études de Bullough et al. montrent qu'un rapport cyclique différent de 50 %, valeur normalement observée avec des lampes et luminaires utilisés sans gradateur, modifie la perception de l'effet stroboscopique. Des différences de perception modestes ont été trouvées par les auteurs entre un rapport cyclique faible de 10 % et un rapport cyclique standard de 50 %, tous les autres paramètres ci-dessus étant égaux par ailleurs.

<figure><img src="image_54.png" /><figcaption>Figure 47 : configuration expérimentale utilisée par Bullough et al.</figcaption></figure>

Source : Bullough et al., 2011

Les résultats de Bullough et al. (Bullough et al., 2012) sont résumés dans la Figure 48 et la Figure 49. Ces figures montrent respectivement les domaines de visibilité et d'acceptabilité de l'effet stroboscopique en fonction de la fréquence et du pourcentage de modulation. Ils ont été obtenus à partir d'un panel de 10 observateurs.
<figure><img src="image_55.png" /><figcaption>Figure 48 : pourcentages moyens de détection de l'effet stroboscopique en fonction de la fréquence et du pourcentage de modulation variable</figcaption></figure>

Source : Bullough, 2012

<figure><img src="image_56.png" /><figcaption>Figure 49 : scores d'acceptabilité moyens de l'effet stroboscopique en fonction de la fréquence et du pourcentage de modulation variable</figcaption></figure>

+2 : très acceptable ; +1 : plutôt acceptable

0 : ni acceptable, ni inacceptable

-1 : plutôt inacceptable ; -2 : très inacceptable

Source : (Bullough et al., 2012)

L'analyse du premier graphe (cf. Figure 48) publié par Bullough indique que l'observateur moyen était capable de détecter l'effet stroboscopique avec un pourcentage de modulation d'au moins 10 % à 100 Hz. La fréquence limite de visibilité définie pour 50 % des observateurs était d'environ 2 500 Hz.

Le second graphe publié par Bullough (cf. Figure 49) montre que les observateurs jugent en moyenne qu'il est acceptable de percevoir un léger effet stroboscopique. À la fréquence de
100 Hz, le pourcentage de modulation en limite d'acceptabilité (valeur 0 sur le graphe de la Figure 49) était de l'ordre de 39 %. La fréquence limite d'acceptabilité était d'environ 300 Hz.

Les résultats de Bullough et al. ont été repris par le consortium américain Assist dans ses recommandations concernant l'effet stroboscopique.

Les travaux de Perz et al. de 2015 (Perz et al., 2015) ont permis d'établir empiriquement un indice de visibilité de l'effet stroboscopique : l'indice SVM (stroboscopic visibility measure en anglais). Cet indice a été bâti avec l'objectif de prendre en compte les caractéristiques complexes de la modulation temporelle, comme par exemple un rapport cyclique différent de 0,5. Il a été établi à partir de plusieurs séries d'expériences menées sur des sujets à partir d'un dispositif rotatif comportant une cible tournant à une vitesse constante correspondant à la vitesse maximale de déplacement de la main au cours d'un travail de bureau (vitesse maximale évaluée à 4 m/s). La Figure 50 montre une photographie du système rotatif utilisé.

<figure><img src="image_57.png" /><figcaption>Figure 50 : expérience utilisée pour évaluer la visibilité de l'effet stroboscopique</figcaption></figure>

Disque rotatif noir avec motif circulaire blanc. Sur l'image de gauche, l'éclairage ne présente aucune modulation temporelle. Sur l'image de droite, l'éclairage est modulé temporellement.

Source : Perz et al., 2015

Les expériences ont été menées dans des conditions d'éclairage intérieur avec un éclairement d'environ 500 lx. Plusieurs séries d'expériences différentes ont permis d'établir, d'une part la sensibilité visuelle de l'effet stroboscopique pour des modulations purement sinusoïdales en fonction de la fréquence, et d'autre part la formule de sommation des composantes fréquentielles pondérées dans le cas de modulations lumineuses non sinusoïdales (formes d'onde carrée, triangle, etc. ; rapport cyclique éventuellement différent de 0,5). La formule de sommation fait apparaître une sommation de type Minkowski avec un exposant 3,7.

En se basant sur la limite de visibilité de l'effet stroboscopique SVM = 1, il est possible de déterminer le pourcentage de modulation limite en fonction de la fréquence de modulation. Ainsi, pour une modulation sinusoïdale, la Figure 51 indique le pourcentage de modulation minimal pour que l'effet stroboscopique soit en limite de visibilité selon le critère SVM = 1. Pour une modulation sinusoïdale, le pourcentage de modulation limite est minimal (visibilité maximale de l'effet stroboscopique) à 80 Hz. Au-delà de 80 Hz, la limite augmente régulièrement pour atteindre 100 % à partir d'environ 1 000 Hz. À partir de 1 000 Hz, l'indice SVM devient très faible, ce qui traduit que l'effet stroboscopique n'est plus visible, même avec une modulation maximale de 100 %. Cette valeur limite de 1 000 Hz est en accord avec les résultats de Bullough et al.
<figure><img src="image_58.png" /><figcaption>**Figure 51 : pourcentage de modulation en fonction de la fréquence de modulation**

*Conditions : en limite de visibilité de l'effet stroboscopique selon le critère SVM = 1 pour une modulation sinusoïdale.*

*Source : Perz et al., 2015*</figcaption></figure>

On note qu'à la fréquence de modulation de 100 Hz, la plus importante actuellement pour les lampes et luminaires à LED, le seuil de visibilité de l'effet stroboscopique (critère SVM = 1) correspond à un pourcentage de modulation d'environ 25 %.

On constate que les seuils de pourcentage de modulation définis par le critère SVM = 1 sont environ deux fois plus élevés que ceux rapportés par Bullough (Bullough et al., 2012). Selon Perz et al., cette différence pourrait s'expliquer par l'utilisation de cibles de test différentes dans les études de ces deux équipes (Perz et al., 2015).

Comme l'équipe de Bullough, l'équipe de Perz a également testé l'acceptabilité de l'effet stroboscopique en situation de travail de bureau (Perz et al., 2017b) Les auteurs proposent une limite d'acceptabilité SVM = 1,5, différente de la limite de visibilité SVM = 1. Avec une modulation sinusoïdale à la fréquence de 100 Hz, cette limite correspond à un pourcentage de modulation d'environ 38 %. Perz et al. soulignent que cette limite est en accord avec la limite d'acceptabilité publiée par Bullough et al. (Bullough et al., 2012) et correspondant à environ 39 % à 100 Hz.

La communication de Perz et al. (Perz et al., 2017b) propose de définir la limite d'acceptabilité de l'effet stroboscopique, exprimée en valeur d'indice SVM, en fonction du temps d'exposition à cette effet (maximum de 8 h) et en fonction de la vitesse des mouvements de la main (lente, moyenne, rapide). Dans une expérimentation pilote, d'envergure limitée, portant sur l'éclairage hôtelier, les auteurs ont abouti aux résultats suivants :

* mouvements à vitesses moyenne et rapide (marches, préparation des repas, sports) : la limite d'acceptabilité de l'effet stroboscopique est SVM = 1 ;

* mouvements à vitesses moyennes (tâches de bureau, marche lente, lecture) : la limite d'acceptabilité de l'effet stroboscopique varie entre SVM = 1,3 et SVM = 1,5 ;
* mouvements de montée et descente d'un ascenseur : la limite d'acceptabilité de l'effet stroboscopique est SVM = 2,3.

L'indice SVM a été récemment normalisé par plusieurs organismes de normalisation comme IEC et NEMA (voir la partie concernant la normalisation et la réglementation dans l'Annexe 2 de ce rapport pour plus de détails sur les normes concernées).

### 3.6.2.4 L'effet de réseau fantôme

L'effet de réseau fantôme (phantom array effect) est une modification de la forme ou de la position d'un objet induit par la modulation de la lumière pour un observateur non statique dans un environnement statique. L'effet de réseau fantôme apparaît notamment pendant que l'œil effectue une saccade (une saccade oculaire est un bref et rapide mouvement des yeux entre deux positions stables) en présence d'une source de lumière modulée dans le champ de vision.

Il a été décrit par Hershberger en 1987 (Hershberger, 1987 ; Herschberger 1998). Ces travaux indiquent que cet effet a été visualisé par des observateurs jusqu'à des fréquences de modulation de 500 Hz, ce qui a permis à ces observateurs de détecter visuellement la modulation temporelle à cette fréquence.

Dans des travaux récents consacrés à la caractérisation de cet effet (Roberts et al., 2013), les auteurs ont montré que des sujets effectuant des saccades visuelles perçoivent la modulation temporelle d'une source de lumière jusqu'à des fréquences de 2 500 Hz.

On retrouve une identification de ce phénomène par Davis et al. (Davis et al., 2015). Les auteurs ont mis en évidence que des sujets peuvent percevoir la modulation temporelle d'un écran ayant une fréquence de rafraichissement d'images de 500 Hz lorsque l'image affichée possède des fréquences spatiales élevées (contours fins bien contrastés). La détection de la modulation temporelle de l'écran est également attribuée par les auteurs aux saccades de l'œil de l'observateur.

La Figure 52 illustre ce phénomène dans le cas de la vision d'un feu automobile arrière à LED émettant de la lumière modulée à 200 Hz.

<figure><img src="image_59.png" /><figcaption>Figure 52 : illustration de l'effet de réseau fantôme</figcaption></figure>

Source : Miller et al., 2015

Dans leurs travaux (Roberts et Wilkins, 2013), Roberts et Wilkins ont étudié dans une série d'expériences menées sur 11 sujets la perception d'une source de lumière modulée lorsque l'œil effectue des saccades rapides (environ 500 °/s) de grande amplitude (de 20° à 40°) devant la source. Les expériences ont été effectuées dans une salle dont l'éclairement ambiant était d'environ 50 lx. Cette valeur est relativement basse mais a été choisie pour
étudier la détection de l'effet de réseau fantôme dans des conditions typiques de conduite automobile de nuit.

Dans ces conditions, les sujets ont pu détecter que la lumière était modulée, alors que la modulation était imperceptible sans effectuer de saccade. La fréquence maximale de perception de l'effet de réseau fantôme était de 1,98 kHz lorsque le pourcentage de modulation était de 100 %. À la fréquence de 120 Hz, l'effet était perceptible quand le pourcentage de modulation dépassait seulement le seuil de 10 %.

La visibilité de l'effet de réseau fantôme n'a pas été investiguée à la fréquence de modulation de 100 Hz par Roberts et Wilkins mais à la fréquence de 120 Hz, correspondant aux modulations observées le plus souvent pour les lampes et luminaires à LED alimentés en 60 Hz (aux États-unis et au Japon par exemple). Cependant, le pourcentage de modulation limite de visibilité de cet effet est une valeur relativement faible (10 %) qui peut approcher très raisonnablement la valeur qui aurait été observée à 100 Hz. On constate ainsi que cette limite de visibilité est inférieure à la moitié de la limite de visibilité de l'effet stroboscopique défini par SVM = 1, même si les deux limites n'ont pas été obtenues dans les mêmes conditions expérimentales (éclairement > 100 lx pour la limite de l'effet stroboscopique et éclairement de l'ordre de 1 lx pour l'effet de réseau fantôme). On peut donc raisonnablement supposer que l'effet de réseau fantôme est plus visible que l'effet stroboscopique à la fréquence de 100 Hz, même si ce type d'hypothèse comparative nécessiterait une étude expérimentale spécifique menée dans des conditions identiques pour les deux effets.

Pour expliquer la nature physiologique de l'effet de réseau fantôme, les auteurs avancent l'hypothèse d'une action de la lumière modulée sur le mécanisme neuronal de suppression saccadique. Il 'agit d'un mécanisme biologique qui intervient naturellement entre le début et la fin d'une saccade, de manière à éviter de voir flou pendant celle-ci : l'acuité visuelle est temporairement réduite pendant la saccade.

La lumière modulée réduirait donc le réflexe de suppression saccadique, rendant visible une série d'images intermédiaires pendant le mouvement. Wilkins et Roberts ont montré qu'il est possible d'estimer le nombre d'images fantômes perçues lors d'une saccade en calculant la fréquence spatiale correspondant au produit de la vitesse angulaire de la saccade par la fréquence de modulation temporelle.

Une publication parue en 2016 (Lee et al. 2016) fait état d'une plus grande sensibilité à l'effet de réseau fantôme pour la lumière rouge, en comparaison avec le bleu. Par ailleurs, ce travail rapporte également une plus grande sensibilité à cet effet visuel lorsque la source de lumière modulée est plus lumineuse et occupe un champ de vision plus petit.

La même équipe de chercheurs a mis en évidence, dans une publication de 2017, un phénomène plus général d'effet de « réseau fantôme stroboscopique » lorsque l'observateur effectue des saccades visuelles en présence d'une source de lumière modulée elle-même en mouvement (Lee et al., 2017). Dans ce travail, les auteurs ont voulu être plus proches des conditions expérimentales de conduite de nuit, lorsque les feux automobiles émettant de la lumière modulée se déplacent lorsque l'observateur effectue une saccade.

Ce travail montre que la perception de l'effet combiné de réseau fantôme stroboscopique peut se produire jusqu'à des fréquences plus élevées, de l'ordre de 4 000 Hz dans les conditions expérimentales utilisées. Pendant la saccade, la vitesse relative entre la source mobile de lumière modulée et les yeux est un paramètre important. Ainsi, la fréquence maximale de détection de la modulation temporelle augmente linéairement avec la vitesse de la source de lumière modulée.

### 3.6.2.5 Modification des mouvements oculaires et baisse des performances visuelles

Des effets non visuels de la modulation temporelle sont liés à des phénomènes trop rapides pour être perçus visuellement (fréquences de modulation supérieures à la fréquence critique
de fusion) mais néanmoins détectés par l'œil puis transmis au cerveau. Certains auteurs dans le domaine de la psychologie utilisent le terme de « perception subliminale » pour qualifier ce type d'effet (Knez, 2014). On trouve également dans la littérature scientifique anglophone la dénomination « invisible flicker » (Shady et al., 2004).

Ce terme n'est plus utilisé depuis que la CIE a défini le terme « flicker » (papillotement) comme étant un effet uniquement visuel de la modulation temporelle de la lumière.

Les travaux de Burns (Burns, 1992) et Berman (Berman, 1991) ont montré que la lumière modulée à des fréquences comprises entre 100 Hz et 200 Hz, non perceptibles car supérieures à la fréquence critique de fusion, induit une activité électrique de la rétine détectable par électrorétinogramme (ERG). L'exposition à la lumière modulée est également détectable par électroencéphalogramme (EEG) comme le démontrent plusieurs travaux depuis les travaux de Regan en 1968 (Regan, 1968).

Plus récemment, une activité cérébrale induite par une modulation chromatique visuellement imperceptible a été détectée grâce à l'imagerie fonctionnelle à résonance magnétique nucléaire (fMRI) (Jiang et al., 2007).

Les travaux de Shady (Shady et al., 2014) ont révélé que l'exposition préalable pendant quelques minutes à la lumière modulée au-delà de la fréquence critique de fusion peut modifier la perception visuelle des contrastes de luminance et de couleur. Dans cette étude, une réduction de la visibilité du papillotement à 30 Hz a été observée après une exposition préalable de deux minutes à des fréquences de modulation de l'ordre de 60 Hz qui n'étaient pas perceptibles dans la configuration expérimentale utilisée. Ces résultats indiquent que l'exposition à la lumière modulée de manière non perceptible peut modifier la sensibilité du système visuel aux contrastes temporels.

La norme américaine IEEE 1789 (IEEE, 2015) rappelle qu'il existe plusieurs travaux établissant de manière solide que l'exposition à la lumière modulée entre 100 Hz et 120 Hz (les fréquences de modulation les plus couramment produites par les lampes et luminaires) avec des pourcentages de modulation d'environ 35 % perturbe les saccades oculaires et réduit les performances visuelles en comparaison avec des sources sans modulation ou avec une modulation à haute fréquence (> 40 kHz) avec un pourcentage de modulation inférieur à 4 %. On peut citer par exemple l'étude de Wilkins (Wilkins, 1986) et celle de Kennedy et Murray (Kennedy et Murray, 1991). L'étude de Wilkins a été menée en utilisant un dispositif de suivi du regard durant une tâche de lecture. L'étude a montré que l'éclairage en lumière modulée augmente la longueur des saccades d'une distance équivalente à la largeur d'un caractère.

Dans l'étude menée par Veitch et al. (Veitch et al., 1995), les performances visuelles d'un échantillon de 48 étudiants ont été évaluées sous deux types d'éclairage : tubes fluorescents exhibant de la modulation temporelle à 120 Hz et tubes fluorescents modulés à très haute fréquence (20 - 60 kHz). Bien que le papillotement des tubes à 120 Hz n'était pas perceptible, les performances visuelles des sujets étaient plus faibles sous ce type d'éclairage. L'étude de Jaen et al. (Jaen et al., 2011), menée également sur des sujets jeunes (20 - 22 ans) a confirmé la baisse des performances visuelles liées à des tâches effectuées sous un éclairage produisant de la lumière modulée à 100 Hz avec un pourcentage de modulation de 32 %, par rapport à un éclairage identique mais présentant une modulation lumineuse très faible à 100 Hz.

### 3.6.3 Effets sanitaires de la modulation temporelle de la lumière

Différents effets sanitaires résultant de l'exposition à de la lumière modulée ont été mis en évidence dans les publications scientifiques. Ces effets peuvent être induits directement par des effets visuels (accidents avec des machines et crises d'épilepsie par exemple).

Dans d'autres cas, il s'agit d'effets sanitaires apparaissant sans perception consciente d'une quelconque modulation (migraines et maux de tête par exemple).
### 3.6.3.1 Accidents avec des machines et des outils

L'effet stroboscopique est produit par l'interaction entre un objet en mouvement et un éclairage modulé temporellement. Il est à l'origine d'un risque lié à la sécurité des machines ou des outils, dans un contexte industriel ou domestique. En effet, le mouvement apparent de machines tournantes ou oscillantes peut être modifié par rapport à la réalité (inversion, ralentissement ou arrêt des mouvements apparents). Les machines concernées peuvent être des machines de découpe ou de perçage par exemple. Il peut également s'agir d'outils ménagers comme les robots de cuisine ou les mixers (Chartered Institution of Building Services Engineers, CIBSE, 2016).

### 3.6.3.2 Accidents de conduite de véhicule

En situation de conduite de véhicule, la perception d'effets visuels comme l'effet stroboscopique et l'effet de réseau fantôme est susceptible de distraire le conducteur. Cette distraction a été constatée par de nombreux conducteurs de manière anecdotique lors de l'apparition de feux rouges arrière à LED sur les automobiles. Ces feux sont modulés à des fréquences assez élevées, typiquement 200 Hz, et peuvent produire des effets stroboscopiques et de réseaux fantômes.

Aucune étude scientifique n'a encore été menée sur la distraction du conducteur causée par ces phénomènes.

### 3.6.3.3 Déclenchement de crises d'épilepsie

Le déclenchement de crises d'épilepsie par la lumière modulée est un phénomène très bien connu et documenté dans la littérature scientifique. On trouve une liste de références bibliographiques détaillée dans la norme IEEE 1789 ainsi que dans le rapport d'expertise préliminaire du Scheer sur les risques sanitaires des LED dont une version provisoire a été publiée en 2017 (Scheer, 2017). Le déclenchement de crises d'épilepsie est le risque qui a été étudié de manière la plus détaillée dans la norme américaine IEEE 1789.

Ce phénomène n'est pas du tout lié à une technologie particulière d'éclairage, d'affichage ou de projection d'images. Il se produit typiquement lors de la vision de flashs intenses de lumière (émis par une lampe stroboscopique par exemple) ou de la succession très rapide d'images fortement contrastées pendant un film, un jeu vidéo ou un dessin animé. Par exemple, en 1995 au Japon, un épisode du dessin animé *Pokémon* a déclenché une crise d'épilepsie chez 560 enfants après l'exposition à une séquence de quatre secondes contenant une alternance d'images bleues et rouges à la fréquence de 12,5 Hz (Fisher *et al.*, 2005).

Une étude récente (BRNA, 2017) décrit le cas d'une personne qui subit de manière reproductible une crise d'épilepsie lors de l'exposition aux flashs lumineux d'un téléphone mobile. Ces flashs servent à réduire le phénomène des yeux rouges avant une prise de photographie.

Le déclenchement de crises d'épilepsie par la lumière modulée est très bien corrélaté à la sensibilité du système visuel humain au contraste temporel et donc à la sensation de papillotement. La Figure 53, tirée de l'étude de Wilkins (Wilkins *et al.*, 2010) et construite sur les données extraites de l'étude de Harding (Harding et Jeavons, 1994), montre le pourcentage de sujets, sur un échantillon de 170 personnes, exhibant un EEG épileptiforme pendant une exposition à une lumière modulée à une fréquence donnée. Cette courbe a un maximum situé autour de 15 Hz qui est également le maximum de sensibilité du système visuel au contraste temporel (voir section 3.6.2.2.1). Le domaine des fréquences de modulation susceptible de déclencher des crises d'épilepsie est compris entre 3 et 70 Hz. Cependant, les fréquences comprises autour de 15 Hz sont les plus critiques.
<figure><img src="image_60.png" /><figcaption>Figure 53 : pourcentage des patients ayant un EEG épileptiforme en réponse à une modulation temporelle d'une lampe à décharge en fonction de la fréquence de modulation des impulsions lumineuses</figcaption></figure>

Outre la fréquence de modulation de la lumière, Fisher *et al.* (Fisher *et al.*, 2005) recensent plusieurs facteurs qui affectent la probabilité de déclenchement de crises d'épilepsie :

* la luminance moyenne de la lumière modulée ; le risque augmente avec le logarithme de la luminance au-delà de 1 cd/m². Il y a des risques avec des niveaux lumineux en dessous de 1 cd/m² ;

* le pourcentage de modulation : plus il est élevé, plus le risque de déclenchement est élevé ;

* le spectre et la couleur de la lumière modulée : les modulations temporelles de couleur sont d'autant plus critiques que les variations de chromaticité sont importantes (variations rapides entre rouge et bleu par exemple) ;

* le contraste avec l'éclairage ambiant. Des contrastes supérieurs à 10 % présentent un risque de déclenchement ;

* la taille de l'excitation lumineuse modulée dans le champ de vision : la proportion de surface rétinienne éclairée est déterminante. Plus celle-ci est grande, plus le risque augmente ;

* la position de l'excitation lumineuse modulée : le risque est plus grand en vision centrale qu'en vision périphérique, bien que le papillotement puisse être plus perceptible dans ce dernier cas ;

* l'excitation d'un seul œil ou des deux yeux ;

* la fermeture des yeux (excitation possible de toute la rétine au travers des paupières si les niveaux lumineux sont très élevés).

La prévalence du phénomène de crises d'épilepsie déclenchées par la lumière a été estimée par Fisher *et al*. (Fisher *et al.*, 2005) à 1 personne pour 10 000 dans la population générale et 1 personne pour 4 000 dans la tranche d'âge 5 - 24 ans. En ce qui concerne les patients épileptiques, la prévalence de la photosensibilité des crises serait de l'ordre de 2 %. D'après Quirk (Quirk, 1995), l'incidence annuelle des crises d'épilepsie déclenchées par la lumière modulée est de 1,5 pour 100 000 par an dans la population générale et de 7 pour 100 000 par an dans la tranche d'âge allant de 7 à 19 ans. Les adolescents et les jeunes adultes sont la population la plus concernée par ce phénomène.

La fondation américaine de l'épilepsie (Epilepsy Foundation of America) a établi une limite de modulation temporelle de la lumière correspondant à un niveau de risque faible de déclenchement de crises d'épilepsie. Cette limite est exprimée en valeur absolue de modulation de la luminance : la variation maximale à ne pas dépasser est de +/- 20 cd/m²
entre 3 Hz et 65 Hz. Le groupe d'expert ayant élaboré la norme IEEE 1789 a converti cette limite en pourcentage de modulation correspondant à un niveau moyen de 200 cd/m². La valeur limite retenue dans la norme IEEE 1789 pour limiter les crises d'épilepsie est ainsi de 5 %. L'analyse précise des niveaux de risque établis dans la norme IEEE 1789 est résumée dans la Figure 54. Les niveaux de risque élevé sont associés à une modulation lumineuse dont le diamètre apparent représente plus de 10 % du champ de vision, soit 0,006 sr, des variations de luminances supérieures ou égales à 20 cd/m² et des fréquences de modulation comprises entre 1 et 65 Hz.

<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>Figure 54 : niveaux de risques de déclenchement de crises d'épilepsie par la lumière modulée établis dans la norme IEEE 1789</figcaption></figure>

### 3.6.3.4 Effets sur les émotions, l'humeur et la cognition

Des publications font état d'effets non visuels de la modulation temporelle relatifs aux émotions, à l'humeur et à la concentration durant le travail.

L'étude publiée par Knez en 2014 (Knez, 2014) a comparé l'effet de l'exposition en condition de travail de bureau à des tubes fluorescents d'ancienne génération (ballast ferromagnétique, modulation à 100 Hz) et de nouvelle génération (ballast électronique, modulation haute fréquence à 32 kHz).

L'exposition aux tubes d'ancienne génération était associée à une baisse des émotions dites « agréables activées » (excitation, enthousiasme, euphorie, sentiment d'énergie) et dites « agréables non-activées » (sérénité, satisfaction, calme, repos).

Dans le second volet de cette étude, l'exposition à la lumière des tubes de nouvelle génération (modulation à 32 kHz) était corrélée à une augmentation des performances cognitives, évaluées par la résolution de problèmes de reconnaissance de formes abstraites. Dans cette étude, l'exposition à de la lumière modulée à 100 Hz était donc associée à de moins bonnes performances cognitives. L'auteur suggère que l'état émotionnel « agréable non-activé » est responsable de cet effet.

L'étude de Kim et al. publiée en 2015 (Kim et al., 2015) visait à étudier l'effet de la modulation temporelle de type PWM, et en particulier du rapport cyclique, sur la concentration de 10 sujets lors de l'accomplissement de tâches de recherches d'erreurs de
chiffres et de lettres dans des listes. Les auteurs concluent qu'il n'y a pas d'influence du rapport cyclique sur la concentration des sujets. Cependant, l'article fournit très peu de détail technique sur le protocole et les caractéristiques techniques de l'exposition lumineuse (la fréquence de modulation n'est notamment pas précisée).

### 3.6.3.5 Fatigue visuelle (asthénopie) et maux de tête

Les travaux de Wilkins publiés en 1989 (Wilkins, 1989) ont démontré que l'exposition à la lumière émise par des tubes fluorescents d'ancienne génération utilisant des ballasts ferromagnétiques (fréquence de modulation 100 Hz, pourcentage de modulation de l'ordre de 45 %), est associée à une incidence environ deux fois plus élevée de maux de têtes et de fatigue visuelle, par rapport aux valeurs observées dans le cas de tubes fluorescents plus récents, modulés en haute fréquence (32 kHz) ayant un pourcentage de modulation résiduel à 100 Hz inférieur à 7 %. L'étude a été menée en double aveugle dans un contexte d'éclairage de bureau sur un échantillon total de 159 personnes pendant des durées d'exposition comprises entre 9 et 19 semaines.

Les auteurs signalent que l'augmentation de l'incidence observée concerne essentiellement une minorité de personnes exhibant une sensibilité particulièrement élevée à la modulation temporelle de la lumière. Les auteurs observent aussi une bonne corrélation entre l'apparition de la fatigue visuelle et des maux de tête.

### 3.6.3.6 Migraines et maux de têtes paroxystiques sévères avec nausées et perturbations visuelles

La migraine est un type de mal de tête chronique, intense et parfois invalidante lorsqu'elle s'accompagne de symptômes tels que des perturbations du champ de vision (migraines ophtalmiques), une aversion à la lumière (photophobie), des nausées et des vomissements. Bien que la migraine soit très répandue dans la population générale (prévalence variable selon les pays mais touchant environ 11 % dans la population mondiale, (OMS, 2004)), les facteurs déclenchant les crises de migraine sont encore mal connus et relativement nombreux. Il existe très certainement une prédisposition génétique à la migraine. Les femmes sont plus susceptibles d'avoir des migraines que les hommes.

Le déclenchement de migraine par de la lumière modulée est un phénomène couramment cité de manière anecdotique par les migraineux mais il n'existe pas beaucoup de publications scientifiques étudiant ce phénomène de manière clinique.

Sur la base d'un questionnaire rempli par 180 personnes (132 migraineux et un groupe de contrôle de 48 sujets), l'étude de 2010 de Shepherd (Shepherd, 2010) a permis d'identifier la lumière modulée comme étant la principale cause de déclenchement de migraines et de maux de têtes, suivie par des stimuli visuels présentant des contrastes spatiaux marqués.

La norme IEEE 1789 a conclu en 2015 que les études épidémiologiques portant sur les causes de la migraine ont identifié avec certitude le fait que la lumière modulée est susceptible de déclencher des crises de migraines. Cependant, il n'existe pratiquement aucune donnée sur la nature des paramètres déterminants (fréquence et pourcentage de modulation par exemple). Par ailleurs, le pourcentage de la population des migraineux dont les crises sont déclenchées par la lumière modulée n'est pas connu.

### 3.6.3.7 Aggravation de comportements autistiques

Un petit nombre d'études assez anciennes rapportent que l'exposition à la lumière modulée de tubes fluorescents d'ancienne génération à ballast ferromagnétique pourrait être corrélée à l'augmentation de comportements répétés chez certains sujets autistes. On peut citer les études de Colman de 1976 (Colman et al., 1976) et l'étude de Fenton de 1985 (Fenton et Penney, 1985). Ces travaux portent sur un très faible nombre de sujets (6 sujets chez Colman et al. et 5 chez Fenton et al.).

Il n'existe actuellement pas de données épidémiologiques publiées sur la sensibilité des sujets autistes à la lumière modulée. Il est actuellement impossible de quantifier l'incidence
et la prévalence de ce phénomène, ni de donner des valeurs limites pour réduire ce risque potentiel.

### 3.6.3.8 Applications thérapeutiques de la lumière modulée émise par des LED

Il est bien établi qu'une excitation lumineuse périodique ou transitoire produit une activité cérébrale associée qui peut être détectée par des électro-encéphalogrammes (EEG) et des magnéto-encéphalogrammes (MEG). En présence d'excitations lumineuses modulées, l'activité alpha (activité caractéristique du système visuel au repos et ayant une fréquence comprise en 7 et 12 Hz) des neurones du cortex visuel se synchronise, sa fréquence s'ajustant sur celle du stimulus. Ce phénomène est qualifié d'entrainement photique.

Une étude récente (Halbleib et al., 2012) présente une modélisation des réponses cérébrales à des excitations lumineuses modulées de manière à en exploiter leurs potentiels en clinique neuropsychiatrique. Les auteurs cherchent à vérifier que le substrat neuronal à la base de l'entrainement photique est constitué par un système d'oscillateurs couplés, non-linéaires, dotés, pour chaque individu, d'une fréquence de résonance propre. Les auteurs constatent, chez les 10 sujets testés, que les EEG ou MEG présentent des caractéristiques similaires : la fréquence de la réponse se cale sur celle de la stimulation. Cependant, aux alentours de la fréquence de repos alpha et de la demi-fréquence (alpha / 2), la fréquence de la réponse tend vers la fréquence de stimulation, se stabilisant après une dizaine de périodes et se maintenant encore sur quelques périodes. Cet effet reflète un effet d'entraînement dynamique de la part d'oscillateurs cérébraux aux propriétés non linéaires.

Des applications cliniques de l'entrainement photique sont à l'étude pour stimuler certains patients atteints de pathologies neurodégénératives, notamment chez les sujets âgés (Williams et al., 2006).

Un article récent de 2016 (Kim et al., 2016) relate une étude concernant l'utilisation de la « photothérapie rythmique » comme traitement de la dépression. L'article fournit une excellente description méthodologique d'une expérimentation menée sur un modèle de souris déprimée (administration de corticostérone). Les souris ont été exposées 3 heures par jour pendant 8 à 14 jours à un éclairement de 100 lx produit par les LED modulées à des fréquences de 9 à 11 Hz (fréquence correspondant aux ondes cérébrales alpha). Quatre tests ont été utilisés pour tester l'effet antidépresseur de l'exposition, en comparaison à l'utilisation d'un antidépresseur chimique classique : l'labrinthe, évolution libre, interaction sociale avec jeune souris, nage forcée.

Les effets antidépresseurs constatés chez les souris ayant subi une exposition lumineuse modulées ont été significativement meilleurs que chez les souris ayant subi un traitement antidépresseur chimique.

L'étude ne permet cependant pas d'attribuer les effets antidépresseurs à la modulation de la lumière ou à l'exposition à la lumière des LED, qu'elle soit modulée ou pas.

Quelques hypothèses mécanistiques ont été formulées mais n'ont pas été vérifiées : activation du cortex visuel qui influence d'autres régions du cerveau (effets visuels) ou effets non visuels *via* la mélatonine et d'autres neurotransmetteurs ou neuromodulateurs.

Un article publié en 2015 (Vartanian et al., 2015) tente d'apporter des éléments visant à démontrer une meilleure efficacité de la lumière modulée sur l'activation des cellules ganglionnaires à mélanopsine de la rétine. Les auteurs ont étudié le réflexe de constriction pupillaire, lié à l'activation de ces cellules. La constriction pupillaire était maximale avec un éclairement minimal lorsque celui-ci était modulé à 2 Hz avec un rapport cyclique de 12 % et un pourcentage de modulation de 100 %.

Une publication récente de 2017 (Le Floch, 2017) suggère d'utiliser un éclairage LED modulé en PWM pour lutter contre les difficultés de lecture des sujets dyslexiques. En étudiant deux cohortes comprenant respectivement 30 sujets adultes dyslexiques et 30 sujets adultes non dyslexiques, les auteurs ont trouvé qu'un éclairage modulé à 70 Hz avec
un rapport cyclique de 20 % et un taux de modulation de 100 % permettait de supprimer les post-images indésirables des caractères imprimés apparaissant dans le champ visuel des sujets dyslexiques lors de la lecture. Les auteurs rapportent que ces post-images sont symétriques chez les sujets dyslexiques et qu'elles induisent une ambiguïté dans la reconnaissance de certains caractères symétriques (les lettres « b » et « d » par exemple). Les auteurs ont montré que chez les sujets non dyslexiques, les post-images ne sont pas ambiguës. Les auteurs ont mis en évidence une symétrie anormale entre les taches de Maxwell des deux yeux. Les taches de Maxwell sont des images observables dans certaines conditions et correspondent à la zone centrale de la fovéa. L'utilisation de lumière modulée viendrait briser les effets de cette symétrie anormale chez les sujets dyslexiques.

Bien que cette étude montre une corrélation entre la symétrie des taches de Maxwell et la dyslexie, il n'est pas démontré que ce phénomène est une cause de dyslexie. Il reflète peut-être une relation entre la topographie de la rétine et l'organisation des connexions rétino-corticales.

L'utilisation de la modulation temporelle de la lumière avec les paramètres utilisés par les auteurs (fréquence 70 Hz, rapport cyclique 20 %, taux de modulation 100 %) est originale. Elle n'a cependant pas été encore validée au niveau de son efficacité et de ses effets indésirables.

En conclusion de cette partie, les travaux de recherche portant sur des utilisations thérapeutiques de la modulation temporelle de la lumière semblent prometteurs et fondés sur des mécanismes neurobiologiques relativement bien établis. L'exposition à des lumières modulées utilisées à des fins « d'entrainement photique » pourrait représenter une piste pour le traitement de pathologies liées à des maladies neurodégénératives ainsi que pour le traitement de maladies comme la dépression.

La luminothérapie pourrait également bénéficier de l'apport de la modulation temporelle pour tenter de mieux stimuler les cellules ganglionnaires à mélanopsine de la rétine.

La publication récente (Le Floch, 2017) indique aussi une utilisation possible d'un éclairage modulé pour améliorer les performances visuelles de sujets dyslexiques lors de tâches de lecture.

Toutes ces applications potentielles ne doivent pas négliger les effets indésirables de la modulation temporelle de la lumière.

### 3.6.4 Conclusions et classement des effets de la modulation temporelle

#### 3.6.4.1 Conclusions sur les effets biologiques

##### 3.6.4.1.1 Conclusions sur le papillotement

La perception visuelle de la modulation temporelle de la lumière, pour des fréquences inférieures à 70 Hz, est appelée papillotement. Le papillotement induit chez l'observateur un inconfort visuel.

##### 3.6.4.1.2 Conclusions sur l'effet stroboscopique

L'effet stroboscopique est une modification de la perception visuelle ressentie par un observateur statique lors du mouvement d'un objet éclairé par une lumière modulée dans des fréquences de l'ordre de 70 Hz à 2000 Hz. La perception d'un effet stroboscopique provoque un inconfort visuel pour l'observateur.

##### 3.6.4.1.3 Conclusion sur l'effet de réseau fantôme

L'effet de réseau fantôme se manifeste lors de saccades oculaires en présence d'une source de lumière modulée. Il apparaît jusqu'à des fréquences de modulation élevées, de l'ordre de 1 kHz en présence de sources immobiles. Lorsque les sources de lumière modulée sont en mouvement, la fréquence limite de perception peut augmenter significativement, comme par
exemple dans des situations de conduite automobile lorsque les feux des véhicules émettent de la lumière modulée. C'est le cas de feux rouges arrière à LED, de feux blancs à LED situés à l'avant pour l'éclairage de jour et les feux de position, ainsi que pour certains modèles de projecteurs (feux de croisement, feux de route) à LED.

La perception d'un effet de réseau fantôme provoque un inconfort visuel chez l'observateur.

#### 3.6.4.1.4 Conclusion de l'effet de perturbation de mouvements oculaires et de diminution des performances visuelles

La perturbation des mouvements oculaires durant une tâche de lecture est provoquée par la modulation temporelle de la lumière à des fréquences de 100 Hz ou 120 Hz.

Une diminution des performances visuelles est causée par la modulation temporelle de la lumière à des fréquences de 100 Hz ou 120 Hz, lorsque le pourcentage de modulation est au moins égal à 30 %.

Les études ayant été effectuées avec des tubes fluorescents ne comportant qu'un seul profil de modulation temporelle, il n'existe pas assez de données pour établir un seuil ou une relation de type dose-effet.

### 3.6.4.2 Classement des effets sanitaires

Pour les effets sanitaires considérés dans cette section, il n'existe pas de données scientifiques s'intéressant aux effets de la modulation temporelle chez l'animal ou sur des modèles cellulaires. Le niveau de preuve des effets sanitaires a donc été déterminé uniquement à partir des données disponibles chez l'Homme.

#### 3.6.4.2.1 Classement des effets de modification des émotions, de l'humeur et des performances cognitives

Les éléments de preuve ne permettent pas de conclure à l'existence ou non d'un effet.

#### 3.6.4.2.2 Classement de l'effet de la modulation temporelle de la lumière sur l'accidentologie

* Accidentologie liée à la perception de l'effet stroboscopique

Dans un contexte industriel ou domestique, il est vraisemblable que la perception de l'effet stroboscopique impacte la sécurité de l'Homme lors de l'usage de machines ou d'outils. Il n'existe cependant pas d'étude traitant spécifiquement des effets de la perception de l'effet stroboscopique sur l'accidentologie.

Les données scientifiques, ne permettent pas de conclure à l'existence ou non d'un effet de la perception de l'effet stroboscopique sur l'accidentologie lors de la manipulation de machines ou d'outils.

* Accidentologie liée à la perception d'un réseau fantôme.

Lors de la conduite d'un véhicule, il est possible sous certaines conditions, de percevoir un effet de réseau fantôme. Néanmoins, il n'existe pas d'étude évaluant l'effet de distraction du conducteur par l'effet de réseau fantôme sur l'accidentologie sur les routes.

Les données scientifiques ne permettent pas de conclure à l'existence ou non d'un effet de la perception d'un réseau fantôme sur l'accidentologie sur les routes.

#### 3.6.4.2.3 Classement de l'effet de la modulation temporelle de la lumière sur le déclenchement de crises d'épilepsie

Les éléments de preuve disponibles chez l'Homme concernant le déclenchement de crises d'épilepsie par l'exposition à la lumière modulée sont suffisants. L'effet de la lumière modulée sur le déclenchement de crises d'épilepsie est donc avéré.
#### 3.6.4.2.4 Classement de l'effet de fatigue visuelle et de maux de tête

Un nombre limité d'études sur sujets ont identifié une association entre l'exposition à la lumière modulée autour de 100 Hz et la fatigue visuelle. Une étude a mis en évidence un lien avec l'effet de modification des saccades oculaires pendant une tâche de lecture.

Les éléments de preuve disponibles chez l'Homme sur la fatigue visuelle et le déclenchement de maux de tête causé par la modulation temporelle de la lumière sont limités. Il n'existe pas de données scientifiques chez l'animal. L'effet est possible.

Les études ayant été effectuées avec des tubes fluorescents ne comportant qu'un seul profil de modulation temporelle, il n'existe pas assez de données pour établir un seuil ou une relation de type dose-effet.

#### 3.6.4.2.5 Classement de l'effet de déclenchement de maux de tête paroxystiques et de migraines

Les éléments de preuve disponibles chez l'Homme sur le déclenchement de maux de tête paroxystiques et de crises de migraine en raison de la modulation temporelle de la lumière sont limités. Ils concernent essentiellement la population des personnes sensibles aux migraines. Il n'existe pas de données scientifiques chez l'animal. L'effet est possible.

Les études ayant été effectuées avec des tubes fluorescents ne comportant qu'un seul profil de modulation temporelle, il n'existe pas assez de données pour établir un seuil ou une relation de type dose-effet.

Des études épidémiologiques portant sur les causes de la migraine ont pu établir une association entre la lumière modulée et le déclenchement de crises de migraines. Cependant, il n'existe pas assez de données sur la nature des facteurs déclenchants et des facteurs de confusion avec d'autres paramètres lumineux existent (éblouissement, non uniformité de l'éclairement par exemple).

Le pourcentage de la population des migraineux dont les crises sont déclenchées par la lumière modulée n'est pas connu.

#### 3.6.4.2.6 Classement de l'effet d'aggravation de comportements autistiques

Les données portant sur l'aggravation de comportements autistiques par l'exposition à la modulation temporelle de la lumière ne permettent pas de conclure à l'existence ou non de cet effet.

### 3.6.4.3 Synthèse de la bande fréquentielle impliquée pour chaque effet

Le Tableau 5 présente une synthèse de la bande fréquentielle impliquée pour chaque effet lié à la modulation temporelle de la lumière dont le niveau de preuve chez l'. La fréquence de modulation de 100 Hz, caractéristique de la modulation temporelle de la grande majorité des lampes et des luminaires en France et en Europe, est potentiellement concernée par tous les effets relatés dans les publications scientifiques, à l'exception du papillotement et du déclenchement de crises d'épilepsie.
<table><caption>Tableau 5 : synthèse des différents effets biologiques et du classement des effets de la modulation temporelle</caption><thead><tr><th>Fréquence</th><th>1 Hz</th><th>20 Hz</th><th>70 Hz</th><th>100 Hz</th><th>1 000 Hz</th><th>2 000 Hz</th><th>3 000 Hz</th></tr></thead><tbody><tr><th>Effets</th><td colspan="4">Papillotement</td><td colspan="3">Effet stroboscopique<br>Effet de réseau fantôme</td></tr><tr><th>Effets biologiques</th><td colspan="4">Modification des mouvements oculaires<br>Baisse des performances visuelles</td><td colspan="3"></td></tr><tr><th>Effets sanitaires</th><td colspan="4">Déclenchement de crises d'épilepsie<br>Effet avéré</td><td colspan="3">Fatigue visuelle<br>Migraines<br>Effet possible<br>Migraines et maux de têtes<br>paroxystiques<br>Effet possible</td></tr></tbody></table>

### 3.6.4.4 Conclusions relatives aux normes et réglementations concernant la modulation temporelle

Jusqu'à 2015, il n'existait que des normes anciennes et incomplètes décrivant les phénomènes liés à la modulation temporelle de la lumière. Des nouvelles normes et documents techniques ont été élaborés ou remis à jour par la plupart des organismes de normalisation depuis 2015. C'est le cas de la CIE, de l'IEEE, de NEMA et de l'IEC.

Dans ces documents récents, le papillotement est l'effet le mieux décrit et les indices relatifs à ce phénomène sont très bien établis. En éclairage intérieur, l'indice de visibilité du papillotement PstLM est très bien adapté à la quantification de cet effet pour des lampes et luminaires. Il repose sur des bases scientifiques solides et sa définition est bien établie. Par contre, le domaine de validité de l'indice PstLM est très limité. Ainsi, cet indice n'est pas bien adapté à décrire la visibilité du papillotement des grandes surfaces éclairées par des sources de lumière modulée : plans de travail, murs, plafonds, etc. Cet indice ne peut pas être utilisé pour juger des questions sanitaires.

La sensibilité humaine aux contrastes temporels en vision périphérique révèle que les excitations lumineuses doivent être de plus grande taille pour être visibles. La fréquence critique de fusion est également plus petite qu'en vision centrale. Par contre, dans un domaine spatio-temporel plus limité qu'en vision centrale, la sensibilité aux contrastes est plus élevée. C'est pourquoi la visibilité du papillotement des grandes surfaces observées en vision périphérique (écrans, luminaires, plans de travail éclairés par des lumières modulées,
etc.) peut paraître plus importante qu'en vision centrale. L'indice P<sub>stLM</sub> n'est pas adapté pour décrire la visibilité du papillotement en vision périphérique.

La fréquence critique de fusion est plus petite en condition de faible éclairement. Ainsi, le papillotement des anciennes générations de lampes à décharge en éclairage public n'a jamais été un sujet de controverses alors que la modulation temporelle de la lumière émise était largement supérieure à celle des lampes utilisées en éclairage intérieur. Les indices de papillotement actuels comme P<sub>stLM</sub> ne sont pas adaptés à l'éclairage extérieur en condition de faible éclairement. Il n'existe actuellement pas d'indice dans ce domaine, et a fortiori pas de limite bien définie.

La prise en compte de travaux de recherche récents sur l'effet stroboscopique a permis aux organismes de normalisation de proposer un nouvel indice décrivant sa visibilité lors de mouvements de la main. Il s'agit de l'indice SVM de visibilité de l'effet stroboscopique qui a été introduit en 2014 et rapidement adopté dans la normalisation après 2015. Il manque cependant des études de validation de cet indice, notamment dans d'autres conditions expérimentales que le travail de bureau et le mouvement de la main.

Il n'existe actuellement pas de normes sur l'effet de réseau fantôme dont l'existence est avéré et qui a néanmoins été décrit par la CIE et l'IEEE.

Certains indices ont été construits pour tenter d'agréger les effets visibles et les effets sanitaires de la modulation temporelle (indice NM de l'IEEE 1789, indice CFD de DerLichtPeter par exemple). Aucune étude n'a été menée pour valider ou invalider cette approche globale des phénomènes.

Les normes de sécurité et de performance des produits LED n'incluent à l'heure actuelle aucune limitation de la modulation temporelle de la lumière émise. De plus, les normes relatives aux dispositifs de contrôle-commande des lampes et luminaires ne garantissent pas la compatibilité et le bon fonctionnement de ces produits avec les systèmes à LED.

La seule norme qui émet des recommandations précises destinées à protéger la santé humaine est la norme américaine IEEE 1789 publiée en 2015. Les recommandations reposent sur une expertise sanitaire incluant des analyses de risques. Le groupe de travail confirme que la plupart des lampes à incandescence dépassent la limite « sans risque » recommandée par la norme IEEE 1789. De plus, les paramètres sur lesquels sont basées ces recommandations ne sont pas directement applicables aux modulations temporelles complexes : modulations irrégulières, rapports cycliques différents de 0,5, modulations transitoires. Le groupe de travail confirme cette critique mais souligne néanmoins que les paramètres utilisés dans la norme IEEE 1789 (fréquence et pourcentage de modulation) sont tout-à-fait applicables à la grande majorité des lampes et des luminaires à LED.

Il existe actuellement des lacunes dans les documents normatifs en ce qui concerne les mesures physiques de la modulation temporelle de la lumière. Les conditions de mesures ne sont pas toutes précisées, notamment en ce qui concerne la mesure de la forme d'onde. Il s'agit notamment des fréquences d'échantillonnage des signaux, de la bande passante des équipements, de la géométrie de la mesure, des paramètres et des méthodes utilisés pour effectuer l'analyse spectrale de la forme d'onde (décomposition en composantes fréquentielles de Fourier). L'application numérique des formules de calcul des différents indices mériterait également d'être mieux décrite dans les normes.

En ce qui concerne la réglementation en matière de limitation de la modulation temporelle de la lumière, on constate qu'elle est actuellement inexistante. Les règlements européens portant sur les performances des dispositifs d'éclairage ne comportent aucune disposition sur la modulation temporelle de la lumière.

En France, il faut noter que le Code du travail mentionne que l'éclairage des lieux de travail ne doit pas présenter d'effets stroboscopiques.
# 3.7 Effets des LED sur le confort et les performances visuelles

## 3.7.1 Généralités sur l'éblouissement, l'inconfort visuel et leurs effets

Parmi les critères utilisés pour évaluer les effets sanitaires produits par une source d'éclairage, l'inconfort ressenti et l'éblouissement perçu sont deux critères subjectifs, accessibles aux utilisateurs, que les métrologues ont tenté d'objectiver par des formules ou des modèles. Or, l'expérimentation est délicate car elle nécessite d'exposer des sujets à des conditions inhabituelles, désagréables, et parce que la transposition des résultats expérimentaux obtenus en laboratoire à la réalité est imparfaite. Dans la première partie de ce chapitre, nous rappellerons des généralités et des définitions, sachant que la synthèse entre l'approche empirique classique et les nouvelles approches cognitives est actuellement imparfaite. Dans la seconde partie, nous décrirons quelques-uns des nombreux travaux déclenchés par le renouvellement technologique de l'éclairage apporté par les LED.

### 3.7.1.1 Éblouissement et inconfort

#### 3.7.1.1.1 Définition de l'éblouissement

Le terme « éblouissement » peut se comprendre comme l'action d'éblouir provoquée par une source ou comme le phénomène ressenti par l'observateur (Centre National de Ressources Textuelles et Lexicales). Ainsi, il y a une réelle ambiguïté dans l'emploi du terme éblouissement, due à une différence de point de vue. Dans le premier cas, l'éblouissement se définit comme un stimulus lumineux temporaire ou continu responsable d'un déficit plus ou moins intense et prolongé des performances visuelles (Risse, 1999, p. 258). Dans le second cas, l'éblouissement se définit par son impact sur l'observateur comme la sensation produite par une luminance dans le champ visuel suffisamment forte par rapport à celle à laquelle l'œil est adapté pour qu'elle provoque inconfort, incapacité visuelle ou perte de performance visuelle et de visibilité (IESNA, 1984, cité par Risse, 1999, p. 258).

La Commission internationale de l'éclairage (CIE, IEV ref 845-02-52), quant à elle, définit l'éblouissement (en anglais *glare*) par « conditions de vision dans lesquelles on éprouve une gêne ou une réduction de l'aptitude à distinguer des détails ou des objets, par suite d'une répartition défavorable des luminances ou d'un contraste excessif ». En outre, elle introduit la distinction entre l'éblouissement perturbateur, qui diminue les capacités visuelles et les performances du sujet, et l'éblouissement inconfortable qui apporte une sensation de gêne au sujet, sans provoquer de baisse de performance. En pratique, les deux effets sont rarement dissociés.

Le Tableau 6 ci-dessous rassemble les différentes définitions, en français et en anglais, du terme « éblouissement ».

<table><caption>Tableau 6 : définitions de l'éblouissement, avec la traduction des termes en anglais</caption><thead><tr><td>Terme à définir</td><td>Vocabulaire International de l'Eclairage (CIE, 1970)</td><td>Term list entry</td><td>International Lighting Vocabulary (eILV, CIE, 2014)</td></tr></thead><tbody><tr><td>845-02-52<br>Eblouissement</td><td>Conditions de vision dans lesquelles on éprouve une gêne ou une réduction de l'aptitude à distinguer des détails ou des objets, par suite d'une répartition défavorable des luminances ou d'un contraste excessif</td><td>17-492<br>Glare</td><td>condition of vision in which there is discomfort or a reduction in the ability to see details or objects, caused by an unsuitable distribution or range of luminance, or by extreme contrasts</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Terme à définir</td><td>Vocabulaire International de l'Eclairage (CIE, 1970)</td><td>Termlist entry</td><td>International Lighting Vocabulary (eILV, CIE, 2014)</td></tr></thead><tbody><tr><td>845-02-57<br>Eblouissement perturbateur</td><td>éblouissement qui trouble la vision des objets sans provoquer nécessairement une sensation désagréable</td><td>17-330<br>Disability glare</td><td>glare that impairs the vision of objects without necessarily causing discomfort</td></tr><tr><td>845-02-56<br>Eblouissement inconfortable</td><td>éblouissement produisant une sensation désagréable sans nécessairement troubler la vision des objets</td><td>17-333<br>Discomfort glare</td><td>glare that causes discomfort without necessarily impairing the vision of objects</td></tr></tbody></table>

### 3.7.1.1.2 Classification des phénomènes d'éblouissement

#### 3.7.1.1.2.1 Conditions provoquant l'éblouissement

En conditions normales, l'œil est amené à fonctionner en vision photopique (vision diurne où la réponse des cônes dominent), mésopique (vision crépusculaire où bâtonnets et cônes fonctionnent), ou scotopique (vision nocturne où la réponse des bâtonnets domine). Le domaine d'éblouissement se situe au-delà du niveau lumineux actuel ou passé auquel l'œil est adapté. En vision diurne, notamment, le domaine d'éblouissement se situe au-delà du domaine photopique (Risse, 1999). Ainsi, il y a éblouissement chaque fois que le niveau d'adaptation augmente brutalement : la quantité de lumière nécessaire pour le provoquer dépend alors du niveau préalable d'adaptation. Il y a aussi éblouissement si la luminance d'une ou plusieurs sources de lumière dépasse largement la gamme des luminances présentes dans la majeure partie du champ visuel.

##### * Quelques classes d'éblouissement (Boyce, 2014 ; Mainster et Turner, 2012)

* L'éblouissement d'inconfort survient quand la lumière est ressentie comme trop intense ou anormalement variable. Il augmente avec la luminance des sources ou des surfaces éblouissantes, leur nombre et leur étendue, leur localisation périphérique.

* Luminosité aveuglante (« dazzle » en anglais). En extérieur, la luminosité peut être trop élevée et rendre pénible la vision. Par réflexe, l'observateur ferme les yeux, s'abrite derrière la main, cherche l'ombre, met ses lunettes de soleil... Le niveau de lumière a atteint la saturation. Exemple de la neige, de la plage ou d'une dalle de béton à midi.

* Défaut d'adaptation transitoire. Il survient lorsque le niveau lumineux augmente brutalement, par exemple au sortir d'un tunnel. Le système visuel se réadapte en quelques instants au nouveau niveau lumineux.

* L'éblouissement d'incapacité survient quand la gamme de luminances présentes dans le champ visuel est trop étendue, du fait de la présence d'une ou plusieurs sources de lumière dans le champ visuel. La lumière diffuse sur l'ensemble de la rétine, générant une sorte de voile lumineux se superposant à l'image rétinienne et en diminuant les contrastes. L'explication est plausible. On mesure localement la perte de visibilité des contrastes générée en calculant la « luminance de voile ».
* La post-image (« scotome ») qui suit un éclair éblouissant, transitoire, localisée, plus ou moins persistante, résulte d'un épuisement passager des photopigments rétiniens (« blanchiment »).

### 3.7.1.1.2.2 Complexité de l'inconfort

La perception de confort est liée à des sensations de bien-être, à des attentes subjectives, voire esthétiques extrêmement difficiles à analyser. La sensation d'inconfort visuel croît avec l'intensité lumineuse et le contraste. Elle peut atteindre divers degrés et se révéler sous différentes formes. Elle est sujette à de grandes variabilités interindividuelles. Elle dépend de l'expérience et du vécu du sujet, du contexte ergonomique et de l'attente de l'usager. On peut tenter de caractériser l'inconfort d'après les signes et les dégradations que l'éclairage induit :

* gêne plus ou moins diffuse ;

* divers maux : fatigue oculaire et musculaire, irritations, yeux rouges et larmoiements ;

* migraines ;

* difficulté à maintenir l'attention et baisse de performance visuelle ;

* éblouissement inconfortable dû aux sources ;

* éblouissement d'incapacité (ou éblouissement perturbateur) ;

* scotome transitoire ;

* destruction des milieux oculaires.

La Figure 55 illustre le fait que la sensation d'éblouissement augmente avec le niveau lumineux. Cette relation est simple en ce qui concerne l'effet de réduction des capacités visuelles. Par contre, la sensation d'inconfort, qui augmente aussi avec le niveau lumineux, est multifactorielle. Les contrastes relatifs à la distribution spatiale des luminances dans la scène, les séquences temporelles des éclairements parvenant à l'œil et les irrégularités dans le spectre de la lumière jouent des rôles essentiels. En outre, la distribution des sources intenses dans le champ visuel, l'état d'adaptation de l'observateur, entre autres, modifient aussi la gêne et le ressenti visuel.

<figure><img src="image_62.png" /><figcaption>Figure 55 : les dimensions de l'inconfort et de l'éblouissement.</figcaption></figure>
### 3.7.1.2 Éblouissement perturbateur et baisse des capacités visuelles

L'éblouissement perturbateur (disability glare en anglais) recouvre les situations dans lesquelles le sujet subit une diminution de ses capacités et de ses performances visuelles, un trouble de la vision des objets, sans nécessairement ressentir une sensation désagréable.

#### 3.7.1.2.1 Performances visuelles normales et récupération de la sensibilité à l'obscurité

##### 3.7.1.2.1.1 Seuil absolu et,adaptation à l'obscurité

Pour caractériser la sensibilité à la lumière, on mesure le seuil absolu dans l'obscurité. Les valeurs du seuil absolu dépendent de l'étendue, de la durée et de la localisation du test dans le champ visuel. À la suite d'une exposition vive à la lumière, la récupération à l'obscurité de la sensibilité initiale demande du temps. Si le test est extra foveal, la courbe de récupération de la sensibilité à l'obscurité présente deux branches (cf. Figure 56): les cônes récupèrent d'abord leur sensibilité en une petite dizaine de minutes, puis suivent les bâtonnets. Si le test est foveal, seule la première branche, correspondant à la récupération des cônes, est observée.

<figure><img src="image_63.png" /><figcaption>Figure 56 : décours temporel de la récupération de la sensibilité après une préadaptation à 4 775 cd/m²</figcaption></figure>

La zone grisée représente les mesures chez 80 % des 110 sujets examinés. L'échelle des ordonnées est graduée en milliLambert (1 mL = (10/π)=3.183 cd/m²). Test de diamètre 3 deg, flashé en 0.2 s, à 7 deg d'excentricité. Pupille naturelle. Lumière blanche (Hecht et Mendelbaum, 1939)

##### 3.7.1.2.1.2 Seuil de détection et sensibilité différentielle

Le seuil de détection d'une cible lumineuse sur un fond est d'autant plus élevé que la luminance du fond est élevée. C'est la loi de Weber.

$$ \Delta L/L = \text{constante} $$

La valeur de la constante dépend de la durée, de l'étendue et de la localisation du test.

##### 3.7.1.2.1.3 Acuité visuelle

L'acuité visuelle, mesurée par l'inverse de la valeur angulaire du plus petit détail détectable, dépend de l'état d'adaptation lumineuse du sujet. Les mesures d'acuité se situent sur deux branches (cf. Figure 57) : la branche inférieure est obtenue en vision scotopique, la branche supérieure est obtenue en vision photopique.
<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>Figure 57 : acuité visuelle normale en fonction de la luminance du fond d'adaptation.</figcaption></figure>

La branche inférieure correspond à la fonction des bâtonnets en vision périphérique, la courbe supérieure à la fonction des cônes en vision foveale, et les points à une vision libre. Abscisses en Troland (unité anciennement dénommée Photon). (Schlaer, 1937)

### 3.7.1.2.2 Performances visuelles en situation d'éblouissement perturbateur

#### 3.7.1.2.2.1 Baisse de contraste due à un voile de luminance

Une source ponctuelle intense présente dans un champ obscur provoque un phénomène d'éblouissement, dit « éblouissement d'incapacité », ou « éblouissement perturbateur » (disability glare, en anglais) comme si la source répandait un voile lumineux sur l'ensemble du champ de vision. Ce voile, perturbant la vision, est attribuable à un phénomène de diffusion de la lumière par les milieux oculaires imparfaitement transparents, accompagné d'un phénomène d'inhibition latérale d'origine rétinienne (Le Grand, 1937 ; Vos, 1962 ; van den Berg et al., 2013).

La dégradation de la qualité de la vision dans une situation éblouissante peut être quantifiée indirectement par la mesure de la « luminance équivalente » $L_{eq}$ qui, additionnée à la scène en absence d'éblouissement, abaisse le contraste apparent de l'image d'une valeur équivalente. La comparaison directe de contraste (Direct Compensation Method) dans les deux situations, avec et sans la source éblouissante, donne des résultats reproductibles (Van den Berg et al., 2013). Un projet européen<fnref n="50" /> a révélé que la dégradation de la vision due à l'éblouissement est fréquente. Dans un échantillon de plus de 2 400 conducteurs, 0,8 % des sujets de 45-54 ans et 29,5 % des sujets de plus de 75 ans exigent un contraste 3 fois plus élevé que l'exigent les sujets de 20-30 ans, pour atteindre des performances équivalentes et 1,7 % des sujets de plus de 75 ans exigent un contraste 8 fois plus élevé. Pratiquement, plusieurs facteurs modulent l'incapacité due à l'éblouissement, évidemment la quantité de lumière envoyée dans l'œil par la source elle-même, mais aussi la proximité – proche ou lointaine – de la source éblouissante ainsi que l'âge de l'observateur.

Soit $E_p$ l'éclairement (en lux) produit par la source dans le plan de la pupille du sujet, $\theta$ l'angle visuel (en degrés), la formule empirique, obtenue à partir des résultats expérimentaux de Holladay (Holladay, 1926) et Stiles (Stiles, 1929-1935), indique que la valeur de la luminance de voile $L_{eq}$ est proportionnelle à l'éclairement obtenu à la surface de la pupille et inversement proportionnelle au carré de la distance angulaire entre la source et la cible regardée.

<footnote n="50">⁵⁰ Relevance of glare sensitivity and impairment of visual function among European drivers. EU project: SUB-B27020B-E3-GLARE-2002-S07.18091.</footnote>
$$L_{eq} = 10E_{p}\theta^{-2}$$

La composition spectrale de la lumière ne modifie pas le phénomène d'éblouissement. En revanche, comme la diffusion des milieux oculaires augmente avec l'âge, le voile apparent augmente avec l'âge. La formule suivante, exhaustive, s'applique à des sources ponctuelles isolées, éloignées de la cible de 0,1 degré à 100 degrés. Elle inclut l'effet de l'âge A et un facteur p pour la pigmentation de l'œil (CIE, 2002) :

$$\frac{L_{eq}}{E_{gl}} = \frac{10}{\theta^3} + \{1 + [A/62.5]^4\} \cdot \left[ \frac{5}{\theta^2} + \frac{0.1 \cdot p}{\theta} \right] + 2.5 \cdot 10^{-3} \cdot p.$$

### 3.7.1.2.2.2 Post-images et scotome transitoire

L'observation soutenue d'une source très intense peut créer un petit scotome maculaire, responsable d'une baisse d'acuité et de sensibilité au contraste passagère, avec perception d'une post-image. Les pigments visuels, saturés, doivent se reconstituer, et les cellules bipolaires reprendre leur activité normale. On mesure la résistance à ce type d'éblouissement par la vitesse de récupération des fonctions visuelles dans des conditions normalisées. Les tests sont calibrés pour mesurer un temps nécessaire à la récupération de l'acuité chez un sujet normal de l'ordre de plusieurs secondes ou dizaines de secondes. La variation de la susceptibilité individuelle à l'éblouissement est grande et l'âge est un facteur aggravant. (Risse, 1999)

### 3.7.1.2.2.3 Cas de la conduite routière et rôle du contraste

Plusieurs paramètres entrent en ligne de compte pour définir les conditions d'éclairage optimisées pour la conduite automobile de nuit.

La variable clé est le contraste. Deux paramètres conditionnent le niveau d'adaptation : une situation statique (celle du piéton) ou une situation dynamique (conduite sur route ou autoroute).

La visibilité en conduite automobile s'appuie sur plusieurs composants :

* l'éclairage du véhicule qui permet essentiellement de percevoir les obstacles verticaux mais qui, en contrepartie, est susceptible d'éblouir les conducteurs en sens inverse ;

* l'éclairage public issu des lampadaires qui fournit la lumière sur la chaussée et modifie l'arrière-plan des signaux et panneaux lumineux qui doivent être déchiffrables à distance (Boyce, p. 425).

L'indice TI (pour « threshold increment ») est un indice d'éblouissement d'incapacité, spécifique à la conduite routière. Il découle du rapport entre la luminance de voile $L_v$ et la luminance moyenne L de la chaussée (IESNA, 2005, in : Boyce, 2014).

$$TI = 65 \left( \frac{L_{eq}}{L^{0,8}} \right)$$

Sa forme générale, où les constantes $\alpha$ et $\beta$ dépendent de la luminance d'adaptation, s'écrit comme suit (IESNA, 2005) :

$$TI = \beta \left( \frac{L_{eq}}{L^{\alpha}} \right)$$

### 3.7.1.2.3 Aggravation de l'éblouissement avec le vieillissement

Toutes les performances visuelles déclinent exponentiellement avec l'âge, toutefois l'âge auquel s'amorce le déclin est propre à chaque fonction visuelle et l'amplitude du déclin varie considérablement selon les individus (étude menée par Haegerstrom-Portnoy & Schneck, 1999, chez une population normale incluant 900 sujets sains ou avec une pathologie courante).
Les résultats suivants ont été obtenus chez 900 adultes de tous âges, sains ou avec une pathologie courante, représentatifs d'une population normale.

L'éblouissement perturbateur, mesuré par la perte d'acuité au voisinage d'une source éblouissante, est, en valeur médiane, 4 fois plus notable chez les sujets de plus de 85 ans que chez ceux de 60 ans. La perte d'acuité se fait par pas de 0,1 logMAR/décade.

Le MAR, pour *Minimum Angle of Resolution*, est l'unité qui définit le pouvoir séparateur de l'œil. L'unité logMAR en est la valeur logarithmique de base 10.

Le Tableau 7 et la Figure 58 présentent respectivement l'expression de l'acuité visuelle en différentes unités ainsi que sa variation en fonction de l'âge.

<table><caption>Tableau 7 : expression de l'acuité visuelle en différentes unités</caption><thead><tr><td>Acuité visuelle, exprimée en dixièmes</td><td>Pouvoir séparateur, exprimé en minute d'arc</td><td>Acuité exprimée, En logMAR</td></tr></thead><tbody><tr><td>10/10</td><td>1</td><td>0</td></tr><tr><td>5/10</td><td>2</td><td>0.3</td></tr><tr><td>1/10</td><td>10</td><td>1</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_65.png" /><figcaption>Figure 58 : variation, selon l'âge, de l'acuité en présence d'une source éblouissante circulaire de 3300 cd/m²</figcaption></figure>

Source : Haegerstrom-Portnoy & Schneck, 1999

Le temps de récupération de la sensibilité à l'obscurité après 1 min d'exposition à une source très intense (3 300 cd/m²) augmente considérablement avec l'âge (cf. Figure 59). Même en ajustant la taille du test pour tenir compte de la grande variation de l'acuité avec l'âge, la durée de réadaptation (sa valeur médiane) est multipliée par un facteur 8 en moyenne au-delà de 85 ans, par rapport aux sujets de 60 ans.
<figure><img src="image_66.png" /><figcaption>Figure 59 : variation, selon l'âge, du temps de récupération de l'acuité à l'obscurité, après un éblouissement par une source de 3 300 cd/m²</figcaption></figure>

Source : Haegerstrom-Portnoy & Schneck, 1999

### 3.7.1.3 Éblouissement inconfortable lié à la scène et gêne visuel

L'éblouissement d'inconfort produit une sensation désagréable, sans nécessairement troubler la vision des objets. Cet éblouissement est provoqué par la vision d'une scène dont le contraste est trop élevé, compte tenu de l'état d'adaptation à la lumière de l'observateur.

Le degré d'éblouissement inconfortable est évalué sur une échelle subjective. La plus courante est l'échelle de Boer. (détaillée dans l'Annexe 3), comprenant 9 échelons :

1 = *Unbearable* ou insupportable ; 3 = *Disturbing* ou perturbant ; 5 = *Just permissible* ou juste acceptable ; 7 = *Satisfactory* ou satisfaisant ; 9 = *Just noticeable* ou négligeable (Assist, 2011). Les sujets réussissent assez bien à se situer, mais il peut être utile de diminuer le nombre d'échelons, d'inclure une notation 0 = absence d'éblouissement, ou de proposer un nombre pair de notes pour éviter un choix moyen (Fotios, 2015). Dans tous les cas, il convient d'assortir une définition verbale à chaque échelon.

D'une manière générale, le sujet ressent comme inconfortable une situation qu'il juge inconsciemment éloignée des conditions naturelles dans lesquelles il a évolué. Si la sensation d'inconfort lié aux sources augmente avec leur intensité et avec la durée d'exposition, elle provient aussi d'un mauvais équilibrage des luminances dans le panorama, tant par leur répartition dans l'espace, que par leurs variations dans le temps ou du fait des irrégularités de leur spectre.

#### 3.7.1.3.1 Effet de l'inhomogénéité spatiale de la scène

Les nombreuses tentatives de modélisation convergent vers le constat que ce sont les contrastes de luminance trop élevés qui provoquent l'éblouissement et que, dans l'ensemble, il convient de limiter à une valeur comprise entre 5 et 10, le rapport de la luminance la plus élevée à la luminance moyenne du champ visuel (Le Grand, 1972).

Dans la pratique, les professionnels ont recours à divers indices pour évaluer l'éblouissement inconfortable généré par des sources dans le champ de vision.

##### 3.7.1.3.1.1 UGR et autres indices

L'indice d'éblouissement d'inconfort UGR (*Unified Glare Rating* – Taux d'éblouissement unifié) décrit l'effet combiné de la luminance, de la position du point de vue du sujet et de la
taille de la source, ainsi que de la luminance de l'arrière-plan. Il est évalué en utilisant la méthode préconisée par la Commission internationale de l'éclairage [CIE 117, 1995] :

$$ UGR = 8 \log_{10} \left( \frac{0.25}{L_f} \sum_{i=1}^{n} \frac{L_i^2 \omega_i}{p_i^2} \right) $$

Avec :

$L_f$: luminance de l'arrière-plan exprimée en cd/m², calculée comme étant le rapport $\frac{E_{ind}}{\pi}$, où $E_{ind}$ est l'éclairement vertical indirect au niveau de l'œil de l'observateur ;

$L_i$: luminance des parties lumineuses de chaque luminaire i dans la direction de l'œil de l'observateur en cd/m² ;

$\omega_i$: angle solide (stéradian) des parties lumineuses de chaque luminaire i au niveau de l'œil de l'observateur ;

$p_i$: indice de position de Guth pour chaque luminaire i se rapportant à la position du luminaire par rapport à l'axe visuel. Variant entre 1 pour la direction face au sujet et 16 pour l'extérieur du champ visuel, l'indice de position de Guth restreint l'influence de l'éblouissement d'inconfort au champ visuel [0°, 40°], Vérifier [0°, 40°] ou [0°, 53°] ;

Le degré d'inconfort varie entre 7 (non ressenti) et 31 (insupportable). L'Association française de l'éclairage (AFE) rappelle quelques valeurs préconisées par la norme d'éclairage intérieur NF EN 12 464-1 (cf. Tableau 8) :

<table><caption>Tableau 8 : quelques niveaux d'UGR selon les situations</caption><thead><tr><td>UGR</td><td>Exemples de type de tâche à exécuter</td></tr></thead><tbody><tr><td>&lt;16</td><td>Travail de précision, salle de soin</td></tr><tr><td>16&lt;...&lt;19</td><td>Bureau classique</td></tr><tr><td>19&lt;...&lt;22</td><td>Salle de repos, cantine</td></tr><tr><td>22&lt;...&lt;25</td><td>Vestiaire, salle de bain, local technique, magasin</td></tr><tr><td>25&lt;...&lt;28</td><td>Zone de circulation et couloirs</td></tr><tr><td>&gt;28</td><td>Dangereux, non utilisable</td></tr></tbody></table>

En Amérique du Nord, on utilise l'indice VCP (Visual Comfort Probability) qui prédit le pourcentage de personnes qui jugeraient la sensation d'éblouissement acceptable (IES lighting Handbook, 2000 ; Boyce, 2004). La corrélation entre les deux systèmes est donnée dans le tableau suivant :

<table><caption>Tableau 9 : équivalence entre l'UGR et le VCP (Visual Comfort Probability)</caption><thead><tr><td>UGR</td><td>VCP Equivalent</td></tr></thead><tbody><tr><td>11,6</td><td>90 %</td></tr><tr><td>16</td><td>80 %</td></tr><tr><td>19</td><td>70 %</td></tr><tr><td>21,6</td><td>60 %</td></tr><tr><td>24</td><td>50 %</td></tr></tbody></table>
Outre la formule classique de l'UGR, la Commission internationale de l'éclairage (CIE, 2002) a ajouté un indice spécifique aux « petites sources », UGRsmall, qui s'applique aux sources inférieures à 0,005 m² comme les lampes fluocompactes. Le produit de la luminance et de l'angle solide sous lequel est vue la source est remplacé par une fonction de l'intensité, de la surface et de la distance de la source.

Comme l'arcade sourcilière protège l'œil de la lumière issue du haut, l'indice UGR de la Commission internationale de l'éclairage ne s'applique pas aux sources situées au-delà de l'angle d'élévation 53 deg, hors du champ de vision. Et pourtant, des sources situées au-dessus de nos têtes peuvent s'avérer gênantes. Elles provoquent sans doute une certaine distraction, variable selon la morphologie du visage. Boyce fixe à 16 500 cd/m² la limite au-delà de laquelle une source au plafond provoque l'éblouissement de type « overhead glare » (Boyce, 2014).

<table><caption>Tableau 10 : tableau comparatif des indices d'éblouissement inconfortable les plus usités</caption><thead><tr><th>Degree of glare sensation</th><th>BGI</th><th>VCP</th><th>CGI</th><th>DGI</th><th>UGR</th></tr></thead><tbody><tr><td>Intolerable</td><td>31</td><td>12</td><td>34</td><td>30</td><td>34</td></tr><tr><td>Just intolerable</td><td>28</td><td>20</td><td>31</td><td>28</td><td>31</td></tr><tr><td>Uncomfortable</td><td>25</td><td>28</td><td>28</td><td>26</td><td>28</td></tr><tr><td>Just uncomfortable</td><td>22</td><td>36</td><td>25</td><td>24</td><td>25</td></tr><tr><td>Unacceptable</td><td>19</td><td>43</td><td>22</td><td>22</td><td>22</td></tr><tr><td>Just acceptable</td><td>16</td><td>50</td><td>19</td><td>20</td><td>19</td></tr><tr><td>Perceptible</td><td>13</td><td>59</td><td>16</td><td>18</td><td>16</td></tr><tr><td>Just perceptible</td><td>10</td><td>67</td><td>13</td><td>16</td><td>13</td></tr><tr><td>Imperceptible</td><td>7</td><td>75</td><td>10</td><td>14</td><td>10</td></tr></tbody></table>

Source : Carlucci et al., 2015

Citons aussi l'indice GR, spécifique aux terrains de sport, qui prend en compte la luminance de voile d'un luminaire ponctuel et de l'environnement, compris entre 10 et 90 (Tashiro et al., 2015).

3.7.1.3.1.2 Cas de la conduite routière et effet du mouvement du véhicule ou du piéton
L'effet d'un véhicule venant à contresens, ou la situation d'un piéton approchant d'un lampadaire est complexe.

L'éblouissement du point de vue d'un conducteur et l'éblouissement du point de vue d'un piéton diffèrent à plusieurs égards (Miller et Gowan, 2015). Leur activité ne nécessite pas la même performance, le premier doit réagir rapidement, le second dispose généralement de plus de temps. Leur zone d'intérêt n'est pas la même, le premier se focalise sur la route, le second explore plus largement son environnement immédiat. En conséquence, leur domaine d'adaptation et leur dynamique d'adaptation ne sont pas les mêmes. Plusieurs modèles analytiques empiriques ont été proposés depuis une cinquantaine d'années pour évaluer l'éblouissement inconfortable en extérieur. Tous sont fondés sur l'estimation d'inconfort selon une notation subjective (échelle de de Boer, voir l'Annexe 3 sur les échelles d'éblouissement inconfortable) et prennent en compte la luminance de la source, la luminance du fond
d'adaptation, l'éclairement dans le plan de l'œil, l'excentricité de la source par rapport à la
direction du regard et l'étendue angulaire de la source.

3.7.1.3.2 Effets du décours temporel sur l'inconfort

La réponse pupillaire, corrélée à la vergence et à l'accommodation, conditionne une bonne vision.

3.7.1.3.2.1 La réponse pupillaire

Les cellules ganglionnaires à mélanopsine (CGM), leur organisation et leur fonction, ont été présentées dans la section 3.3.1.1.2 ce rapport. La Commission internationale de l'éclairage (CIE) a publié une note technique proposant une fonction d'efficacité lumineuse relative spectrale du système photorécepteur mélanopique (CIE TN 003:2015).

Quand l'œil est exposé à un incrément de lumière, la pupille se contracte transitoirement, en moins d'une seconde, sous l'effet des signaux de cônes et/ou de bâtonnets, puis récupère incomplètement jusqu'à se stabiliser, par l'effet des signaux issus des cônes, des bâtonnets et des CGM. À l'extinction de la lumière, la contraction de la pupille se maintient encore pendant plusieurs secondes, jusqu'à atteindre un diamètre légèrement inférieur à sa valeur d'avant la phase lumineuse (cf. Figure 60). Ce réflexe pupillaire post stimulus (PIPR, pour *post illumination pupil reflex*) reflète spécifiquement l'action des CGM dont la réponse se met en route lentement et entretient l'ouverture de la pupille (Gamlin *et al.*, 2007 ; Kankipati *et al.*, 2010).

<figure><img src="image_67.png" /><figcaption>Figure 60 : décours de la réponse pupillaire à un stimulus photopique</figcaption></figure>

Diamètre pupillaire en mm. Éclairement rétinien 14,2 log photons.cm⁻².s⁻¹ (supérieur au seuil de réponse des cônes et des CGM), 493 nm (tracé bleu) et 613 nm (tracé rouge, durée du stimulus 10 secondes. Le PIPR, pour post illumination pupil reflex, survient après l'extinction du stimulus.

Source : Gamlin et al., 2007

3.7.1.3.2.2 Papillotement et phénomènes stroboscopiques

Le papillotement, au-dessous de la fréquence critique de fusion (CFF) – de l’ordre de 60 Hz en vision photopique – est très inconfortable et peut même provoquer des crises ou des convulsions chez certains sujets. Au-dessus de la fréquence de fusion, le papillotement n’est plus apparent, ce qui n’exclut pas qu’il puisse avoir des effets perceptibles dans certaines configurations spatio-temporelles. Ainsi, un objet en mouvement peut apparaître comme une succession d’images en différentes positions ; il s’agit d’un effet stroboscopique. Un objet immobile peut aussi donner des images fantômes quand l’œil effectue une saccade ; habituellement, le déplacement de l’image sur la rétine n’est pas perçu parce que l’œil est insensible aux mouvements trop rapides d’une cible et parce qu’un mécanisme de
suppression du signal visuel se met naturellement en place ; mais si l'image ne se déplace plus continûment sur la rétine, la suppression peut se relâcher, laissant apparaître de multiples images. De telles interférences sont possibles entre les mouvements oculaires et les fréquences de la lumière nettement supérieures à la fréquence de fusion et être à l'origine de maux de tête.

Ce thème, essentiel pour le confort de l'éclairage par LED, est traité dans la section 3.5 de ce rapport.

### 3.7.1.3.2.3 Ajouts sur le temporel

En vision photopique, les cellules à mélanopsine et les cônes sont actifs. C'est par ces deux types de photorécepteurs que la pupille est contrôlée. Chez 16 sujets, dans des conditions expérimentales permettant d'isoler la réponse de chaque famille de photorécepteurs, il a été observé que les signaux des cellules à mélanopsine induisent sa contraction, les cônes S (cônes bleus), sa dilatation. Les deux mécanismes sont toniques (lents). Etant antagonistes, ils peuvent paradoxalement entrainer la dilatation de la pupille en lumière bleue, ce qui pourrait avoir une certaine importance sur la sensibilité individuelle à la lumière bleue (Spitschan et al., 2014).

### 3.7.1.3.3 Effets du spectre et de la couleur sur l'inconfort

Bien que fortement liés l'un à l'autre, le spectre et la couleur n'appartiennent pas au même domaine. Le spectre spécifie un rayonnement dans le domaine physique : la répartition spectrale d'énergie décrit l'ensemble des composantes monochromatiques qui le composent. (IEV ref 845-01-08, e-ILV 17-1238). La couleur spécifie un stimulus dans le domaine visuel, d'après la sensation qu'il génère dans le système visuel humain. Notons alors que la couleur est tridimensionnelle tandis que la répartition spectrale d'énergie possède autant de dimensions que de radiations monochromatiques mesurables. De ce fait, il est toujours possible de convertir un spectre en couleur, mais la conversion de la couleur vers le spectre est indéterminée. Par exemple, la connaissance du spectre d'une source LED permet immédiatement de connaître sa couleur : blanche, bleue, verte ... Mais l'inverse n'est pas vrai.

#### 3.7.1.3.3.1 Choix de la température de couleur et rendu des couleurs

Il s'agit de deux notions bien différentes. La température de couleur est une échelle qui spécifie la couleur de la lumière émise par une source, lumière communément qualifiée de « blanche », sans autre précision sur son spectre. Notons que les écarts apparents de couleur ne s'échelonnent pas régulièrement sur toute la gamme des températures de couleur ; une différence de température de couleur donnée est plus visible aux températures de couleur basses qu'aux températures de couleur élevées.

En 1942, Kruithof, ingénieur chez Philips, avait mené des travaux dans des conditions très particulières, pour montrer que la lumière des tubes fluorescents de l'époque pouvaient être jugée « agréable », « non artificielle ». Un graphique illustrait, pour chaque température de couleur, les niveaux d'éclairement ressentis les plus agréables. Il en ressortait un agrément entre les lumières de couleur chaude aux faibles éclairements et la lumière du jour aux éclairements élevés. Pendant des années, la règle a été interprétée de manière pragmatique et « naturelle », pour conseiller l'usage de lumières de température de couleur basse aux faibles éclairements et de lumières de température de couleur élevée aux forts éclairements. Depuis les années 1990, toutes les révisions de la règle empirique déduite des travaux que Kruithof (1942) avait mené dans ces conditions assez singulières, alertent sur l'absence d'accord sérieux entre la préférence pour une température de couleur d'une source et le niveau d'éclairement requis. (Fotios, 2016). Malheureusement, les spectres des sources testées ne sont souvent pas de même profil et les conditions expérimentales ne sont pas toujours ne s'apparentent pas toujours à des situations habituelles.
Le rendu des couleurs exprime la capacité de la lumière à restituer aux objets une couleur attendue. Bien qu'évalué indirectement par la perception que l'on a des objets, le rendu des couleurs est directement dépendant du spectre de la lumière. La révision de l'indice de rendu des couleurs R<sub>a</sub> recommandé par la Commission internationale de l'éclairage (CIE, 1995), est en cours de discussion. Celle-ci vient de publier un nouvel indice général de fidélité des couleurs R<sub>f</sub> (CIE, 2017), identique à l'indice TM-30 développé par *l'Illuminating Engineering Society* (IES TM-30-2015). Ce nouvel indice traduit l'information sur la fidélité de la reproduction des couleurs de surface par une source de lumière, en comparaison avec la source de référence de température de couleur identique. Dénué des faiblesses de l'ancien indice, il permettra de comparer honnêtement le rendu de fidélité des couleurs des LEDs à celui des sources traditionnelles (David *et al.*, 2015). Pour l'instant, les deux indices R<sub>a</sub> et R<sub>f</sub> co-existent. Hormis ces indices, de nombreux indices rendent compte de la qualité de la lumière, mettant en valeur différents points de vue (voir la revue de Carlucci *et al.*, 2015) : le *Color Quality Scale* (CQS), le *Flattery Index*, le *Color Preference Index*, le *Feeling of Contrast Index*, le *Color Rendering Capacity*.

Pratiquement, les mélanges de trois LEDs de couleur rouge-vert-bleu ont un rendu des couleurs très médiocre.

Il est prouvé qu'en améliorant le rendu des couleurs, il est possible de diminuer les niveaux lumineux sans entraîner de désagrément. En outre, bien qu'il ne soit pas directement perceptible par le sujet, un mauvais rendu des couleurs pourrait être source d'inconfort visuel. (Papamichaela, et al., 2015)

### 3.7.1.3.3.2 Effets du spectre sur l'inconfort

Alors que la couleur et la répartition spectrale de luminance n'affectent pas l'éblouissement perturbateur, il apparaît que ces deux facteurs affectent l'éblouissement d'inconfort. Il semble que les cônes bleus ont, plus que les autres familles, une forte sensibilité aux rayonnements de courtes longueurs d'onde et que cette sensibilité augmente notablement avec l'excentricité rétinienne (Bullough, 2009) (cf. Figure 61). Ainsi, la sensibilité spectrale à l'éblouissement inconfortable $V_{DG}(\lambda)$ peut être modélisée par la combinaison de la fonction d'efficacité lumineuse photopique $V_{10}(\lambda)$ et de la sensibilité spectrale des cônes bleus $S(\lambda)$.

$$V_{DG}(\lambda) = V_{10}(\lambda) + kS(\lambda)$$

<figure><img src="image_68.png" /><figcaption>Figure 2. Optimum luminous efficiency functions $V_{DG}(\lambda)$ for the 5° extrafoveal stimuli.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_69.png" /><figcaption>Figure 3. Optimum luminous efficiency function $V_{DG}(\lambda)$ for the 10° extrafoveal stimuli.</figcaption></figure>

**Figure 61 :** fonctions d'efficacité lumineuse révélant la sensibilité à l'éblouissement inconfortable, déterminées expérimentalement en vision extra-foveal : à 5° et à 10° d'excentricité

Source : Bullough, 2009

### 3.7.1.4 Migraines et fatigue visuelle

#### 3.7.1.4.1 Migraines

Une étude américaine évalue le taux de prévalence des migraines à 5,6 % chez les hommes et 17,1 % chez les femmes (Stewart *et al.*, 2013). Il s'agit de migraines selon un critère de
prévalence : 15 crises sévères dans le mois, définies selon le Headache Classification Subcommittee of the International Headache Society

On sait, par les réponses aux questionnaires et par l'enregistrement de signaux corticaux, que l'organisation de la scène visuelle a des répercussions sur le confort. Or, les scènes visuelles naturelles sont caractérisées par une distribution régulière de fréquences spatiales<fnref n="51" /> ($f_x$, $f_y$), décroissante en $1/f$, une sélection de couleurs assez peu saturées (avec peu de couleurs vives), une gamme de vitesses assez réduites, un champ visuel de l'ordre de 180°, des variations de luminosité dominées par les alternances circadiennes et climatiques. Le fonctionnement du système visuel serait optimisé pour les scènes naturelles. Les scènes naturelles mobiliseraient, à un moment donné, un minimum de neurones répartis dans l'ensemble du cerveau tandis que la majorité des neurones voisins resteraient silencieux. Dans un environnement artificiel où les scènes sont construites à partir d'une distribution anormale de fréquences spatiales, les sujets manifestent un inconfort d'autant plus gênant que la distribution s'écarte de $1/f$, que l'énergie aux alentours de 3 cycles par degré – la fréquence moyenne à laquelle le système visuel est le plus sensible – est élevée, et que ces anomalies couvrent une grande étendue du champ visuel. Les images et les scènes inconfortables sont celles qui exigent une réponse hémodynamique accrue du cerveau, signe d'une charge mentale accrue. Cet excès d'activité neuronale a été constaté par imagerie fonctionnelle cérébrale (iRMf) ou par oxymétrie cérébrale (Near-Infrared Spectroscopy ou NIRS). Il est particulièrement présent chez les sujets migraineux ou photophobes. L'inconfort et l'activité cérébrale sont aussi accentués par des contrastes chromatiques élevés. Comme ceux-ci sont modifiés par le spectre de l'éclairage, certaines manipulations du spectre sont susceptibles d'exacerber les symptômes migraineux ou, au contraire, de les atténuer (Wilkins, 2016).

Il est reconnu que la photophobie accompagne la plupart des formes de maux de tête, et particulièrement les migraines. La longueur d'onde de la lumière affecte inégalement la photophobie. Main et al. (2000) ont trouvé que la lumière de courtes longueurs d'onde, et dans une moindre mesure de grandes longueurs d'onde, est plus inconfortable chez les migraineux (21 sujets) que chez ceux qui souffrent de céphalées de tension (19 sujets) ou chez des sujets témoins (21 sujets), tous testés entre des crises. Chez 20 enfants migraineux, Good et al. (1991) ont trouvé que l'activité cérébrale bêta induite était supprimée par le port de lunettes roses, associée à une réduction de la fréquence des maux de tête, ce qu'ils n'observaient pas avec le port de lunettes bleues, montrant que les deux longueurs d'onde ont des effets différents sur l'activité corticale (Digre et al. 2012).

Récemment, un nouveau circuit détectant la lumière, indépendant du nerf optique, a été identifié dans le nerf trijumeau et pourrait influencer le comportement à une lumière forte (Matynia et al., 2016). Chez la souris, comme chez l'Homme (4 individus décédés âgés), environ 3 % des neurones des ganglions trijumeaux contenant des nocicepteurs (récepteurs de la douleur) contiennent aussi de la mélanopsine. Ils sont plutôt situés dans la branche ophtalmique du nerf trijumeau. Ces neurones sont intrinsèquement sensibles à la lumière. En effet, lorsqu'ils sont isolés, ils répondent à une lumière intense de 480 nm, avec des retards à l'allumage et à l'extinction analogues aux retards mesurés dans les CGM.

De la mélanopsine est aussi présente dans quelques cellules de la cornée et de la choroïde de la souris, mais est absente du cristallin. La mélanopsine est souvent co-localisée avec le CGRP, un peptide impliqué dans la migraine, tant dans les CGM que dans les neurones des ganglions trijumeaux. Chez la souris, le réflexe d'aversion à la lumière est maintenu après dégénération exclusive des fibres du nerf optique, voire amplifié par l'administration de triglycérine, connue pour susciter des migraines. Seule la lumière intense déclenche la

<footnote n="51">⁵¹ La fréquence spatiale informe sur le nombre d'éléments comptés dans la scène. Elle est mesurée en cycles par degré (cpd).</footnote>
réponse des neurones des ganglions trijumeaux, vraisemblablement en atteignant leurs extrémités dendritiques proches de la surface comme dans la cornée. L'identification d'un circuit détectant la lumière dans le nerf trijumeau ouvre la voie à une exploration de la migraine.

### 3.7.1.4.2 Fatigue visuelle

La fatigue visuelle, manifestée par un certain nombre de symptômes subjectifs, est à distinguer de la baisse de performance visuelle, mesurable objectivement. D'après l'Institut national de recherche et de sécurité (INRS) (Cail, 2012), il s'agit d'un « effet physiologique réversible résultant de sollicitations excessives des muscles oculaires et de la rétine, pour tenter de conserver une image nette par des ajustements inefficaces. Elle s'accompagne d'une réduction de la capacité nécessaire à la réalisation d'une tâche visuelle et d'une modification de la stratégie d'accomplissement de cette tâche ; elle constitue un signal d'alarme ». Les modifications fonctionnelles concernent l'ouverture pupillaire, l'accommodation, sa dynamique et ses fluctuations, les mouvements oculaires, la fréquence anormale des clignements, l'amplitude de vergence, les phories (déviation des axes du regard), la fréquence critique de fusion, l'acuité visuelle et la sensibilité au contraste. La fatigue visuelle est multifactorielle et son évaluation est complexe. Elle a été particulièrement étudiée dans le cadre du travail sur écran, du fait de nombreuses plaintes exprimées par les usagers (Caill, 2014).

### 3.7.1.5 Conclusion générale sur l'éblouissement et l'inconfort

Cette revue des connaissances sur l'éblouissement et l'inconfort montre qu'il existe des outils et des critères pour évaluer l'effet des sources d'éclairage sur la santé humaine. Dans ce cadre, on se préoccupe de l'éblouissement perturbateur (ou d'incapacité) quand les recherches tendent à développer l'usage des sources, ou de l'éblouissement d'inconfort quand les recherches tendent à améliorer le bien-être des individus.

## 3.7.2 Analyse de la littérature scientifique disponible

La disponibilité commerciale des produits LED a entraîné de nouveaux travaux sur l'éblouissement et l'inconfort perçus par les usagers : l'éblouissement amenant une baisse de performance tandis que l'inconfort est du domaine du ressenti. Nous commencerons par décrire certains travaux menés en laboratoire, de portée générale. Ensuite, nous citerons d'autres travaux, ayant un champ d'application bien identifié : les performances des éclairages à LED évalués en extérieur, de nuit, et l'éblouissement d'inconfort, évalué en intérieur, de jour.

### 3.7.2.1 Modélisation et études de l'éclairage LED en laboratoire

#### 3.7.2.1.1 Voile de luminance généré par les LED

Une simulation numérique de la « luminance équivalente » produite par 3 types de luminaires d'éclairage public à LED a été effectuée pour identifier le moins éblouissant dans différentes conditions (Sun et al., 2014). Le calcul de la luminance de voile est basé sur la formule CIE d'éblouissement d'incapacité. L'étude conclut qu'en visée horizontale et intermédiaire, les 3 configurations donnent le même éblouissement (cf. Figure 62) ; la taille de la matrice LED ne joue pas ; l'âge a un effet important : à 60 ans, la luminance équivalente est 1,5 fois plus grande qu'à 40 ans. En visée directe du luminaire, la luminance équivalente dépend de la taille de la matrice ; elle atteint son minimum à partir d'une matrice 3x3 et ne change que peu avec l'augmentation de la densité numérique des LED ; la luminance directe est tellement élevée que la contribution de la luminance de voile et donc de l'âge, est négligeable (Sun et al., 2014).
<figure><img src="image_70.png" /><figcaption>Fig. 1. (Color online) The three major types of optical design for LED street lamps: (a) CSL type, (b) ALA type, and (c) TA type.</figcaption></figure>

Figure 62 : motifs des luminaires à LED étudiés par Sun et al, 2014

3.7.2.1.2 Inhomogénéité spatiale, le point sur les sources à matrice de LED

La technologie LED permet de diversifier l'emplacement des sources. Par exemple, les LED apparaissent en éclairage d'accentuation, dans des plafonniers, encastrées dans le plancher ou dans du mobilier.

Un point sur l'impact des sources non-uniformes sur l'éblouissement d'inconfort a été fourni par Geerdinck et ses collaborateurs (Geerdinck et al., 2016).

Après avoir passé en revue 43 articles publiés essentiellement durant les 4 dernières années, les auteurs ont dégagé les paramètres les plus pertinents pour caractériser une source non-uniforme d'après son impact sur la sensation d'éblouissement (cf. Figure 63).

<figure><img src="image_71.png" /><figcaption>Figure 63 : paramètres d'arrangement des LED, influençant la perception de l'éblouissement</figcaption></figure>

Source : Geerdinck, 2016

Toutes les études (sauf une) s'accordent à montrer que les sources non-uniformes sont plus éblouissantes que les sources uniformes, et que plus le contraste entre la luminance maximum du luminaire et sa luminance moyenne est élevé, plus la sensation d'inconfort est grande. Précisément :

* à luminance moyenne identique, la sensation d'éblouissement augmente quand la dimension des LED diminue ou quand le nombre de LED par unité de surface diminue (Yang et al., 2015) ;

* l'espacement des LED a un effet plus complexe. En vision directe, un espacement angulaire proche de l'acuité visuelle augmente l'inconfort ;

* c'est en vision fovéale que l'impact des sources non-uniformes est le plus différent de l'impact des sources uniformes. À 30 degrés d'excentricité, il n'y a plus qu'une faible différence, sauf si la source gênante attire le regard du sujet ;
* pour les quelques études qui mentionnent l'effet de l'arrière-plan, toutes conviennent que l'éblouissement d'inconfort diminue quand la luminance du fond augmente (Tashiro et al., 2015 ; Yang et al., 2015) ;

* les effets de tous les paramètres ne sont pas indépendants les uns des autres.

Les études ont pu être réalisées en laboratoire ou dans des maquettes de bureau, rarement sur site. La photométrie de la source non-uniforme ne fait pas encore l'objet de recommandations. On met en garde les utilisateurs de video-luminancemètres dont la résolution ne serait pas assez fine. La plupart des études interrogent les sujets sur leur ressenti d'inconfort en utilisant une échelle sémantique subjective ; seules quelques-unes mesurent la fatigue ou la visibilité. Les résultats restent applicables aux conditions propres à chaque étude. On ne dispose pas encore d'une synthèse.

Quatre approches sont proposées pour améliorer la formule de l'UGR :

* corriger l'indice de position ;

* remplacer la luminance de la source par une « luminance effective » prenant essentiellement en compte et pondérant les pixels les plus lumineux (Tashiro et al., 2015) ;

* réviser la dimension angulaire de la source en appliquant un seuil de luminance ;

* revoir catégoriquement la définition de la non-uniformité (Yang et al., 2016).

De nouvelles propositions émergent, fondées sur des modèles physiologiques de la sensibilité au contraste de luminance. La CIE devrait publier de nouvelles recommandations en 2018.

Dans deux séries d'expériences, 20 puis 13 observateurs, âgés de 20 à 39 ans, ont évalué, sur une échelle à 7 points, dans le noir et à deux positions, l'éblouissement exercé par 3 panneaux à LED : à LED bleues (435, 455 ou 477 nm, plus ou moins intenses), à LED blanches au pic bleu plus ou moins promoncé, et en LED trichromes pour différentes températures de couleur (cf. Figure 64) (Luo et al., 2017).

<figure><img src="image_72.png" /><figcaption>Figure 64 : répartition spectrale relative d'énergie des sources utilisées par Yang et al., 2016 et Yang et al. 2017, synthétisées par Luo et al., 2017</figcaption></figure>

L'augmentation de l'éblouissement d'inconfort lié à la présence de rayonnements bleus dans le spectre est confirmée. Comme proposé par Bullough (2011), la fonction d'efficacité lumineuse photopique $V_{DG}(\lambda)$ inclut la sensibilité des cellules à mélanopsine et des cônes sensibles au bleu, avec des contributions variables selon la localisation rétinienne (cf. Figure 65).
<figure><img src="image_73.png" /><figcaption>Figure 65 : fonctions d'efficacité lumineuse relative pour l'éblouissement d'inconfort</figcaption></figure>

### 3.7.2.1.3 Tolérance des panneaux d'affichage publicitaire extérieurs

Des expériences reproduisant les conditions géométriques de la vision des panneaux d'affichage publicitaire, la nuit, ont été menées en laboratoire (panneau de LED à 466,73, 517,97 et 630,38 nm, affichage blanc à 10 052 K, 160 × 128 pixels RGB couvrant 1,60 m × 1,28 m, observé à 5 m, cf. Figure 66) (Lin et al., 2014).

<figure><img src="image_74.png" /><figcaption>Figure 66 : caractéristiques physiques de l'affichage des pixels d'un panneau publicitaire</figcaption></figure>

Source : Lin et al., 2014

Les auteurs ont joué sur quatre facteurs : le niveau de lumière ambiant (arrière-plan 5 ou 25 lx), la fréquence de papillotement (0 à 32 Hz), la luminance du panneau (505 à 5 063 cd/m²), l'angle d'observation (9,1° à 18,2°). Les participants (dont le nombre n'est pas indiqué) ont jugé le confort vis-à-vis du papillotement et le confort global. Le niveau de lumière ambiant est resté sans effet sur les résultats. Les luminances élevées et les observations sur de grands angles apportent le plus d'inconfort. C'est la fréquence de 15 Hz qui génère le plus d'inconfort. Au vu de ces résultats, les auteurs affirment que seule la combinaison de la luminance la plus faible (500 cd/m²) d'une fréquence inférieure à 6 Hz ou supérieure à 24 Hz peut procurer un niveau de confort admissible de 5 points sur l'échelle de De Boer (Lin et al., 2014).
Le nombre de sujets n'est pas indiqué ; les auteurs ont procédé à des comparaisons intra-individuelles, les écarts entre individus étant très importants.

#### 3.7.2.1.4 Effets du spectre et de la couleur sur l'inconfort

Les sources LED colorées, bleues (459 nm) et rouges (628 nm) entre autres, paraissent plus lumineuses que les sources blanches de luminance identique. Kimura-Minoda et Ayama (Kimura et al., 2010) ont montré une corrélation positive entre la sensibilité du sujet à la luminosité (voir l'Annexe 3 sur la luminance et la luminosité) et la sensibilité à l'éblouissement inconfortable (Kimura-Minoda et al., 2010).

Trois expériences menées sur 6 à 10 sujets ont confirmé que la présence d'un fond lumineux coloré réduit notablement l'inconfort d'une matrice 3x3 de LED blanches éblouissantes. Toutefois, le fond bleu le fait avec moins d'efficacité qu'un fond jaune. (Chromaticité des LED blanches : x = 0,28, y = 0,32, et des fonds (dimensions de la matrice de LED : 2 degrés, et du fond coloré : 4 degrés). Éclairement à l'entrée de l'œil : 4, 6, 8, 10, et 12 lx en provenance des LED blanches, 3 lx en provenance du fond) (Sweater-Hickcox et al., 2013).

Les expériences confirment l'influence de la répartition spectrale de la source sur le niveau d'éblouissement inconfortable (discomfort glare DG). La sensibilité $V_{DG}(\lambda)$ de l'observateur pouvant être convenablement modélisée en combinant la fonction d'efficacité lumineuse $V_{10}(\lambda)$ et le spectre d'action des cônes S (improprement nommés cônes bleus) (Sweater-Hickcox et al., 2012) (cf. Figure 67).

<figure><img src="image_75.png" /><figcaption>Figure 3. Mean de Boer ratings (± standard error of the mean) for the different experimental conditions.</figcaption></figure>

<caption>**Figure 67 : réduction de l'inconfort par un fond coloré**</caption>

Source : Sweater-Hickcox et al., 2012

Fondé sur les données spectroradiométriques de terrain de 5 sources LED, 5 lampes au sodium à haute pression et 27 lampes fluorescentes, et la modélisation de 25 illuminants D de la CIE, dont les températures de couleur se situent entre 2 000 K et 17 500 K, le calcul montre que les sources artificielles excitent nettement moins la mélanopsine que la lumière naturelle (cf. Figure 68). Cette conclusion est valable quelle que soit la température de couleur à laquelle on effectue la comparaison (Cao, Barrionuevo, 2015).
<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>**Figure 68 : calcul de l'excitation de la mélanopsine pour différentes technologies d'éclairage**</figcaption></figure>

Source : Cao et Barrionuevo, 2015

Le choix des sources a été fait sur la base de la distribution des illuminants étudiés par les mêmes auteurs (Cao et Barrionuevo, 2014). Toute la gamme des températures de couleur usuelles a pu être étudiée (cf. Figure 69).

<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>**Figure 69 : distribution des illuminants étudiés par Cao et Barrionuevo, 2014.**</figcaption></figure>

### 3.7.2.1.5 Effet de l'éclairage à LED sur l'ouverture pupillaire

Le paradoxe suivant a été relevé dans une étude sur la relation de l'appréciation de l'éclairage en fonction de la température de couleur et du niveau lumineux : lorsque la température de couleur s'élève, les sujets jugent l'éclairage plus lumineux alors que leur pupille se contracte, c'est-à-dire que moins de lumière parvient à leur rétine (Viénot, Durand, Mahler, 2009).
Un dispositif multi-LED (615 nm, 525 nm, 500 nm et 470 nm) permet de générer des lumières stimulant indépendamment et exclusivement les cônes ou la mélanopsine, les autres photorécepteurs restant « silencieux ». En opérant à un niveau photopique pour que les bâtonnets soient saturés, les auteurs ont mesuré des changements conséquents du diamètre pupillaire quand – seule – la mélanopsine est excitée (Tsujimura et al., 2010).

Un système d'éclairage à sept diodes de couleur était exploité pour produire de véritables éclairages métamères (même couleur, même éclairement, mais spectres différents), afin de stimuler plus ou moins, mais dans le même sens, les CGM exprimant la mélanopsine et les bâtonnets (cf. Figure 70). Il a été vérifié que le diamètre de la pupille augmente significativement lorsque l'excitation des cellules exprimant la mélanopsine et des bâtonnets est à un minimum. Pour 14 observateurs, l'augmentation moyenne du diamètre pupillaire a été de 12 % (Viénot et al., 2012). Il faut toutefois noter que les éclairages LED de cette étude ont un spectre très éloigné de celui des LED commerciales.

<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>Figure 70 : répartition spectrale de la lumière obtenue par association de 7 LED de couleur pour maximiser (en bleu) ou minimiser (en rose) l'excitation mélanopique</figcaption></figure>

Source : Viénot et al., 2012

L'effet de cinq éclairages (deux sources LED commerciales, « blanc chaud » à 2 970 K et « blanc froid » à 5 720 K, et trois lumières métamères à 2 400 K ± 20 K à 100 lx ou 2 560 K ± 20 K à 210 lx, (précisément deux lumières multi-LED et une lumière incandescente) a été évalué pour une comparaison. La réponse visuelle a été mesurée, d'une part objectivement, sur des séquences filmées de la pupille et, d'autre part subjectivement, à l'aide de questionnaires. L'étude a porté sur 9 sujets agés de 24 à 65 ans. Les résultats confirment la contraction de la pupille avec l'élévation du niveau lumineux (réduction de surface de 29 % entre 100 et 210 lx) et de la température de couleur (réduction de surface de 14 % en moyenne entre l'incandescence et la LED « blanc froid »). Grâce à l'introduction de lumières métamères (même couleur, même éclairement, mais spectres différents), il apparaît que le spectre de la lumière agit aussi sur le diamètre pupillaire. Particulièrement, la lumière de la LED commerciale « blanc chaud » dilate davantage la pupille qu'attendu, compte tenu de sa température de couleur. Ainsi, l'énergie disponible autour de 480 nm est mieux corrélée avec l'ouverture pupillaire que ne l'est la température de couleur. La variation de surface pupillaire est supérieure à 3 %. Interrogés sur leur ressenti, tous les observateurs ont noté l'apparence éblouissante de la lumière de la LED commerciale « blanc froid », attribuable à sa température de couleur élevée, mais ils n'ont pas exprimé de gêne notable avec les différents spectres. À noter que les variations de répartition spectrale des lumières multi-LED ont été exacerbées (maximisées) pour explorer
l'effet du spectre sur l'ouverture pupillaire et ne devraient pas être rencontrées en éclairage domestique (Le Rohellec et Viénot, 2012).

Une comparaison de l'effet d'une source fluorescente à 5 000 K et de deux sources LED à 3 000 K a porté sur la sécrétion de mélatonine, le temps de montée de la mélatonine et le diamètre pupillaire. L'étude a été effectuée de nuit sur 8 sujets masculins. Tandis que les résultats montrent un surplus significatif de la secrétion de mélatonine avec les LED, il n'a pas été observé de différence significative sur le diamètre pupillaire. Les spectres des sources étaient représentatifs des éclairages retrouvés sur le marché ; ceux des LED ressemblaient à un spectre de LED blanches classique additionné d'une composante rouge (cf. Figure 71) (Lu et al., 2016).

<figure><img src="image_79.png" /></figure>

Fig. 5 The experiment 2 trial spectral compositions for three different correlated color temperatures: LED 3021 K, FL 3257 K and FL 4802 K

<caption>**Figure 71 : répartition spectrale d'énergie des sources LED et de la source fluorescente comparées dans l'étude de nuit de Lu et al., 2016**</caption>

Avec l'âge, le cristallin jaunit et s'opacifie, et la surface pupillaire diminue. Une comparaison des surfaces pupillaires a porté sur 60 sujets jeunes (21-30 ans), 54 sujets normaux (≥50 ans), 107 sujets (≥50 ans) avec cataracte modérée, 18 sujets (≥50 ans) avec cataracte sévère. Alors que la quantité de lumière bleue atteignant la rétine est plus sévèrement réduite par le jaunissement du cristallin que la quantité de lumière rouge, les auteurs ont constaté une réduction de surface pupillaire équivalente en bleu (469 nm) et en rouge (631 nm). Un tel résultat laisse penser à l'existence d'un mécanisme compensatoire à l'appauvrissement de l'éclairement rétinien en lumière bleue (Rukmini et al., 2017).

#### 3.7.2.1.6 Exploitation de réponses physiologiques à l'exposition à des éclairages à LED

La fatigue visuelle et la concentration procurée par 12 luminaires à LED différents (4 000 K, 6 000 K ; longueur d'onde dominante de la lumière bleue : 420 nm, 460 nm, 480 nm ; 400 lx, 700 lx) ont fait l'objet de mesures objectives. Six jeunes hommes et six jeunes femmes ont passé des examens physiologiques, avant et après une heure de travail de lecture sur papier ou sur écran (caractérisation manquante). Les enregistrements de l'électroencéphalogramme, du rythme cardiaque et des clignements des yeux sont des indicateurs de l'activité des systèmes nerveux sympathique (préparant à l'action) et parasympathique (correspondant à la relaxation). Associés à la mesure de la fréquence critique de fusion, les enregistrements sont révélateurs de fatigue visuelle ou de baisse de
concentration. L'intérêt de l'étude tient à la possibilité d'évaluations subjectives qu'elle offre mais les résultats sont imprécis et confus. (Wu *et al.*, 2017).

Contrairement aux métriques empiriques classiques, un modèle physiologique incorporant le mécanisme des champs récepteurs<fnref n="52" /> à antagonisme centre pourtour, avec la réponse pupillaire et la position de la source en paramètres, est proposé pour évaluer l'inconfort. Le test par des observateurs (dont le nombre n'est pas mentionné) indique que les matrices de luminaires, sont inconfortables, particulièrement lorsque les sources sont espacées entre 6 et 9,3 cycles par degré (Scheir *et al.*, 2017).

Alors qu'il est reconnu que la migraine est exceptionnellement exacerbée par la lumière, l'exposition à la lumière verte exacerbera la migraine significativement moins que l'exposition à la lumière blanche, bleue, ambre ou rouge chez des patients ayant une vision normale. Les chercheurs ont évalué chez 69 patients migraineux l'intensité du symptôme, les palpitations et l'étendue sur le scalp du mal de crâne. Les lumières étaient présentées à 1, 5, 20, 50 et 100 cd/m² dans une coupole Ganzfeld. À 100 cd/m², 80 % des patients ont éprouvé une intensification de la migraine. Il a été trouvé que la lumière verte (520 - 540 nm) exacerbera la migraine significativement moins que les lumières blanches, bleues (447 ± 10 nm), ambrées (590 ± 10 nm), ou rouges (627 ± 10 nm). Chez 43 patients, l'électrorétinogramme en vert ne diffère pas de l'ERG en blanc, ambre ou rouge. L'amplitude de l'ERG *flicker* est significativement plus faible en vert que pour les autres couleurs. Chez 28 patients, l'amplitude des potentiels évoqués visuels<fnref n="53" /> est moindre en vert que dans les autres couleurs. Les résultats suggèrent que les mécanismes de la migraine ophtalmique pourraient avoir leur origine dans la voie retino-thalamique et plutôt leur siège dans le cortex. Les enregistrements unicellulaires chez le rat semblent aller dans le même sens (Noseda *et al.*, 2016).

La lumière verte a le pouvoir de soulager la douleur chez des rats sains et chez des rats atteints d'un traumatisme médullaire chronique (*spinal nerve ligation*, SNL). La lumière verte, agissant par l'intermédiaire du système visuel, aurait pour effet de relâcher des opioïdes endogènes dans le cerveau. Les rats, placés dans des cages transparentes, ont été exposés durant 8 heures, pendant 5 jours consécutifs, à la lumière de différents types de LED de couleur, et aussi à la lumière naturelle et à la lumière fluorescente. Avec la LED de 525 nm, le temps de latence du retrait de la patte d'une surface chaude a augmenté de 25 %. La LED bleue (472 nm) avait un effet moindre, mais encore significatif. Un éclairement de 4 lx est suffisant (Ibrahim *et al.*, 2017).

### 3.7.2.1.7 Variabilité individuelle et conséquences du vieillissement sur la perception du confort

Des différences d'appréciation de la lumière, ethniques ou culturelles, ont été relevées. Des observateurs coréens et caucasiens (une trentaine pour chaque session expérimentale) ont été appelés à évaluer la température de couleur et l'éclairement optimaux de divers scénarios d'éclairage à LED, dans des bureaux ou dans des locaux domestiques. Les jugements s'appuyaient sur l'aptitude de la lumière à faciliter la concentration, favoriser l'activité, apporter de l'agrément, occasionner de la fatigue visuelle. Les caucasiens ont choisi un éclairement plus élevé que les coréens, et une température de couleur moins froide pour se concentrer, lire et écrire. Pour le travail informatique, les caucasiens ne se sont

<footnote n="52">52 On définit le champ récepteur par la région de la rétine sur laquelle un stimulus déclenche la réponse du neurone. Fonctionnellement, le centre du champ récepteur répond directement au stimulus, le pourtour répond avec le signe opposé.</footnote>

<footnote n="53">53 Le potentiel évoqué visuel (PEV) est la réponse électrique du cortex qui est provoquée par une stimulation visuelle. Les PEV résultent de l'enregistrement des variations de potentiels générés par l'activité bio-ionique du cortex occipital consécutif à un stimulus visuel dont un paramètre varie dans le temps.</footnote>
préoccupés que de la fatigue visuelle, alors que les coréens ont également optimisé la luminosité. (Ko et al., 2017)

L'effet de l'âge se fait sentir sur la limite entre le confort et l'inconfort (Borderline between Comfort and Discomfort : BCD), mais de manière très disparate. Une comparaison de l'éblouissement d'inconfort ressenti chez 6 sujets jeunes (22-23 ans) et 18 sujets agés (65-79 ans) a été menée en laboratoire, avec une source étendue (5,6×10⁻¹ sr) ou petite (6,3×10⁻⁴ sr) dont la luminance variait de 700 cd/m² à 20 000 cd/m². En moyenne, pour la source étendue, la limite BCD augmente quand l'éclairement sur la rétine augmente, mais l'effet s'inverse pour les petites pupilles. Alors que, pour la petite source, la limite BCD diminue au fur et à mesure que l'éclairement sur la rétine augmente (cf. Figure 72). Ceci indiquerait qu'en vieillissant, les sujets sentiraient relativement moins d'inconfort si les sources devenant éblouissantes sont petites. Les auteurs n'indiquent pas la nature et les caractéristiques de la source (Akashi et al., 2017).

<figure><img src="image_80.png" /><figcaption>Figure 72 : valeur limite BCD en fonction de la surface effective (cristallin transparent) de la pupille</figcaption></figure>

18 sujets agés - à droite : petites sources ; à gauche : sources étendues. Source : Akashi et al., 2017

### 3.7.2.1.8 Une perception particulière de la lumière relayée par les cellules à mélanopsine

Aux niveaux photopiques élevés, et en vision périphérique, la discrimination des couleurs ne peut plus s'expliquer uniquement par des réponses de cônes. L'hypothèse la plus vraisemblable serait que les cellules à mélanopsine contribuent aussi à la vision des couleurs (Horiguchi et al., 2012).

Dans une expérience psychophysique, six sujets ont perçu une augmentation de la luminosité au fur et à mesure que l'excitation de la mélanopsine, seule, augmentait (Brown et al., 2012).

Une étude en IRM fonctionnelle chez 14 sujets a révélé des régions corticales activées spécifiquement par la mélanopsine. Il a été possible de créer une stimulation différentielle des CGM, à l'aide de 7 LED colorées, sans modifier le signal des cônes et des bâtonnets. Cette possibilité est donnée par la substitution de stimuli métamères, inexploitable par les cônes. Quatorze participants ont subi un examen d'IRM fonctionnelle, regardant alternativement une lumière excitant au maximum (lumière HM : high melanopic) la mélanopsine et une lumière l'excitant au minimum (lumière LM : low melanopic), présentée sur tout le champ visuel, la région foveale exceptée. L'expérience s'est trouvée compliquée du fait que chaque observateur présentait de légères variations de vision des couleurs et percevait des différences de couleur entre HM et LM. Des tests psychophysiques supplémentaires ont permis de personnaliser HM et LM. Des expériences complémentaires ont permis d'exclure toute participation des cônes (cf. Figure 73).
<figure><img src="image_81.png" /><figcaption>Figure 73 : répartition spectrale de la paire de lumières blanches métamères excitant au maximum la mélanopsine (lumière HM, High_mel) et une lumière LM (Low_Mel) excitant au minimum la mélanopsine</figcaption></figure>

Source : Hung et al., 2017

Le signal BOLD (blood-oxygen-level dependent) de l'IRM fait apparaître une suractivité dans le champ oculomoteur frontal binoculaire, en présence du stimulus excitant au maximum la mélanopsine (lumière HM). En outre, une activité bilatérale a aussi été trouvée au niveau du gyrus temporal inférieur et du noyau caudé. Pour la première fois, cet article montre que la lumière captée par les CGM déclenche des signaux qui engagent des régions corticales identifiées et reconnues pour leur rôle dans l'attention et les mouvements des yeux (au fur et à mesure que l'excitation de la mélanopsine, seule, augmentait (Hung et al., 2017).

La stimulation de la mélanopsine est perceptible par l'humain. En intervertissant momentanément (pendant 3 s) deux lumières orange dont les spectres ont été spécialement conçus pour exacerber la stimulation de la mélanopsine, les auteurs ont enregistré une réponse caractéristique dans l'aire visuelle primaire V1, par IRM fonctionnelle, chez 4 sujets. Les cônes ne pouvaient pas détecter l'impulsion parce que la couleur ne changeait pas, ou trop peu. Un contrôle pupillométrique était effectué pour s'assurer que le signal provenait des cellules ganglionnaires à mélanopsine. Ensuite, les mêmes impulsions ont été montrées à 20 observateurs qui les ont jugées déplaisantes, floues et faiblement lumineuses (Spitschan et al., 2017).
<figure><img src="image_82.png" /><figcaption>Figure 74 : répartition spectrale d'énergie de lumières orange métamères présentées alternativement comme stimulus pendant 3 s ou comme lumière de fond</figcaption></figure>

Source : Spitschan et al., 2017

### 3.7.2.2 Performances visuelles de nuit obtenues avec des éclairages à LEDs

Les études sont nombreuses, notamment en éclairage public et en conduite routière.

#### 3.7.2.2.1 Conduite automobile et éclairage routier

Différentes technologies de feux de route ont été comparées en regard d'indicateurs objectifs de performance en conduite automobile et de l'appréciation subjective des conducteurs. Cinq véhicules instrumentés ont été équipés d'ampoules halogène-tungstène, de lampes à décharge, ou d'ampoules à LED de température de couleur proximale $T_{cp}$ 4 500 K, 5 500 K ou 6 500 K. Vingt-cinq sujets ont conduit successivement les cinq véhicules, en début de nuit, sur un parcours de 21,5 km ouvert à la circulation, traversant des secteurs urbains ou routiers, comportant des lignes droites et des courbes, des montées et du plat. Les mesures objectives de performance de conduite – contrôle de la vitesse, maintien dans la file et charge du travail déduite de la tenue du volant – varient considérablement selon le tronçon routier, mais ne donnent pas de résultats différents entre les cinq types de lampes. Les appréciations subjectives présentent de fortes disparités selon la technologie – les lampes halogène-tungstène, et parfois les lampes à décharge étant moins appréciées – avec une légère tendance vers un jugement plus positif pour les T<sub>cp</sub> plus élevées. Précisément, les sujets âgés préfèrent les T<sub>cp</sub> élevées et les jeunes les T<sub>cp</sub> basses. Mais tous ces effets n'ont rien de comparable aux variations constatées selon le type de route. On peut regretter l'absence de mesures comparatives sur la visibilité des obstacles ou des piétons, et sur l'éblouissement provoqué par les différentes technologies de feux de route chez un conducteur approchant de face (Flannagan et al., 2014).

Une étude de cas compare quatre installations d'éclairage public à LED réalisées en Finlande pour remplacer une installation HPS (sodium haute pression). Les calculs reposent sur le modèle de photométrie mésopique établi par la CIE (CIE, 2010) sur la base de la performance de détection visuelle. Les quantités photométriques mésopiques favorisent les courtes longueurs d'onde pour les faibles niveaux lumineux car elles prennent en compte la sensibilité spectrale scotopique, décalée vers les courtes longueurs d'onde par rapport à la sensibilité spectrale photopique, plus précisément le rapport S/P de l'efficacité lumineuse scotopique S sur l'efficacité lumineuse photopique P. Ce dernier est égal à 1,16 pour les LED à 3 220 K et à 2,18 pour les LED à 6 660 K. En matière routière, la perte de visibilité est évaluée par l'indice TI (« threshold increment ») qui se calcule à partir d'un rapport entre la luminance de voile et la luminance moyenne de la chaussée. La luminance de voile est additive pour plusieurs luminaires. TI exprime le pourcentage de contraste supplémentaire à produire pour qu'un objet devienne juste visible en présence de luminance de voile. Les mesures collectées pendant l'expérience menée grandeur nature, montrent que les indices TI mesurés sont tous plus grands (défavorables) que les indices TI calculés. La différence
provient du fait que plusieurs paramètres sont mal pris en compte comme l'espacement des
luminaires, le tracé de la route, la réflectance de la chaussée. L'éblouissement en éclairage
routier et public mérite davantage de recherche (Ylinen et al., 2011).

Des solutions innovantes, fondées sur le rapport S/P et jouant sur le rapport cyclique de la technologie PWM, sont proposées pour optimiser la couleur et le niveau lumineux de l'éclairage automobile, mais pas encore validées (Wu et al., 2017).

La réglementation actuelle des feux de signalisation (EN 12368 2006) fixe des limites d'intensité à respecter de jour et de nuit. En technologie classique, des limites d'intensité sont facilement transposables en limites de luminance. Ce n'est plus le cas avec la technologie à LED constituée de points lumineux que l'on commence à distinguer à l'approche du feu. La luminance maximum réelle d'un feu en technologie LED est toujours supérieure à la luminance moyenne. Dans un exemple particulier, elle est 25 fois supérieure à la luminance moyenne ; elle dépasse 15 fois la luminance maximum à respecter (Ixtaina et al., 2015).

Les deux technologies ont ensuite été comparées.

La sensation d'inconfort a été évaluée par 30 observateurs en situation de laboratoire simulant une situation de circulation, le feu présenté à 5 m sur un arrière-plan d'adaptation à 1,5 cd/m². Un des feux est constitué d'une matrice de LED (LED rouges ou vertes de 5 mm espacées de 9 mm). L'autre est un feu classique couvert d'un disque coloré, rouge ou vert, uniformisant la source. Les deux feux sont équivalents du point de vue de la distribution géométrique de luminance. En moyenne, le groupe d'observateurs juge les sources à LED visibles significativement plus éblouissantes que les sources uniformes : « *Disturbing* » vs « *Just admissible* ». Ni le calcul de la luminance de voile, ni l'indice TI ne prédisent une telle dégradation. L'indice G (*Glare Constant*) est plus adapté. La limite acceptable d'inconfort pour l'indice G se situe à 150, pour une petite source, avec $L_s$ la luminance de la source, $L_f$ la luminance du fond et W l'angle solide de la source :

$$G = \frac{L_s W}{L_f}$$

D'après la Figure 75 ci-dessous, une luminance acceptable de jour peut être inacceptable de nuit (Ixtaina et al., 2015).

<figure><img src="image_83.png" /><figcaption>Figure 75 : valeur de l'indice d'éblouissement G (*Glare Constant*), de nuit et de jour</figcaption></figure>

Source : Ixtaina et al., 2015
La visibilité d'un piéton a été mesurée, dans une rue éclairée ou non, en présence ou en l'absence des feux d'un véhicule à contre sens. Vingt-trois conducteurs, roulant à 35-40 km/h dans des voitures équipées de phares xénon-HID (xenon Hight Intensity Discharge) ont participé à l'expérience. Dans la rue non éclairée, la distance à laquelle le piéton est vu avec les phares d'en face allumés est moitié de ce qu'elle est avec les phares éteints. Quand la rue est éclairée, les distances sont deux fois plus grandes. Les distances de visibilité sont les mêmes avec des sources à LED (4 000 K, 1,7 lx) ou des sources aux halogénures métalliques (4 200 K, 2,6 lx), toutes deux donnant de meilleurs résultats que les sources à sodium haute pression (2 500 K, 2,9 K). Sur les courbes donnant l'éclairement vertical du piéton à différentes distances d'un lampadaire, on remarque que l'éclairement est plus régulier (en fonction de la distance) avec l'éclairage à LED. On conclut que les LED donnent des résultats très satisfaisants. Il serait possible de réduire les niveaux d'éclairement en aménageant les séparateurs de voies (2 x 2voies) afin de limiter la vision des phares. La présence de ces séparateurs pourrait être prise en compte pour la détermination des niveaux d'éclairement à atteindre (Saraiji et al., 2016).

<figure><img src="image_84.png" /><figcaption>Figure 76 : éclairement vertical d'un piéton à différentes distances d'un lampadaire</figcaption></figure>

Source : Saraiji et al., 2016

Soixante-huit conducteurs de taxis, questionnés sur leurs symptômes d'inconfort causés par les sources LED ou autres en conduite de nuit, mentionnent que l'éblouissement constitue leur plus grand souci, et que les feux de freinage rouges sont pires que les lumières blanches entourant les phares. Les sujets migraineux rencontrent les plus grands problèmes, entre autres l'inconfort, la douleur, la gêne, le papillotement, le dédoublement des images et le déclenchement de maux de tête (Salviaia et al., 2014).

Une expérience a été menée sur route pour tester la visibilité d'un plot à 4 LED ambre placé sur la chaussée. Quarante-deux participants ont été répartis en 7 groupes distincts par les conditions atmosphériques. Le plot était allumé 4 secondes, entre 0 et 2,2 cd. Pour ces intensités, le plot n'est jamais éblouissant. Il s'avère que l'éclairement horizontal, la position relative du soleil et leur interaction impactent la visibilité. De ce fait, pour cette application routière, il serait souhaitable d'ajuster l'intensité du plot aux conditions externes d'utilisation. L'éblouissement créé par le même plot en condition nocturne a été testé en laboratoire, simulant une chaussée recevant un éclairement de 1 lx. Sur une échelle à 4 paliers, l'intensité la plus confortable se situe entre 0,10 cd et 0,31 cd (Villa et al., 2015).

Vingt-neuf sujets jeunes ont testé la lisibilité de panneaux à messages variables à LED, et leur confort. La distance d'observation variait entre 9,8 m et 57 m ; l'ambiance lumineuse correspondait à une journée ensoleillée : 30 000 lx, ou à un jour couvert : 5 000 lx ou à la nuit : 10 lx. Lorsque les messages sont affichés sur fond noir, l'évaluation subjective n'est pas différente de près ou de loin, tandis que lorsqu'ils sont affichés sur un fond lumineux, plus ils sont loin, plus ils sont lisibles. Comme on peut s'y attendre, l'éblouissement est moins étendu de jour que de nuit, et c'est le contraste 3 :1 (Lmax = 3 100 cd/m²,
$L_{\text{fond}} = 1\,033 \text{ cd/m}^2$ qui est le moins inconfortable et le moins éblouissant (Wu, Liou et Lin, 2012).

La plupart des modèles d'éblouissement d'inconfort développés pour l'extérieur sont limités à l'éblouissement généré par des sources situées à moins de 20 degrés de la ligne de visée. Des tests avec piétons ont été menés dans une rue longue d'environ 100 m, éclairée par des luminaires à LED de 4 m de haut et séparés de 13,3 m ou 26,6 m pour recevoir un éclairement de 10 à 15 lx. Il a été constaté que ces modèles ne sont pas adaptables à l'inconfort éprouvé par un piéton (Villa et al., 2017a). Expérimentant en situation urbaine réelle, le long d'une rue bordée de lampadaires à LED (4 000 K, $R_a=75$, 10 à 15 lx sur la chaussée), la même équipe a montré que le logarithme de l'indice CBE (Cumulative Brightness Evaluation) est représentatif de l'inconfort éprouvé par les piétons (33 piétons), au contraire de l'UGR qui est inadapté (Villa et al., 2017b).

### 3.7.2.2.2 Modernisation de l'éclairage résidentiel

Des piétons ont été interrogés sur leur ressenti dans les allées d'un parc de la ville de Belgrade. Qu'ils aient été conscients ou non vis-à-vis de la technologie de lumière, les 112 sujets qui ont répondu ont nettement préféré l'usage des lampes aux halogénures métalliques à celui des LED, contredisant ainsi les affirmations des fabricants (Kostic et Djokic, 2014).

Un test comparatif a été effectué dans deux résidences. Dans l'une, l'éclairage à sodium haute pression (2 100 K) avec des lampes fluocompactes dans les entrées (2 700 K), se déclenchant à 100 lx, a été remplacé par un éclairage à LED. Dans l'autre, l'éclairage à vapeur de mercure (2 700 K), se déclenchant à 230 lx, a été remplacé par un éclairage à LED (3 000 K). Soixante résidents ont répondu à des questionnaires, en hiver, après la tombée de la nuit. Les réponses ont montré que l'installation des LED avait augmenté la luminosité et la douceur, le naturel des couleurs, et dans une certaine mesure l'accessibilité visuelle, la perception de dangerosité étant demeurée basse. (Kuhn et al., 2013).

<figure><img src="image_85.png" /><figcaption>Figure 77 : répartition spectrale d'énergie des sources dans le test comparatif de deux résidences</figcaption></figure>

Source : Kuhn et al., 2013

### 3.7.2.2.3 Conclusion partielle sur les performances visuelles de nuit obtenues avec des éclairages à LED

Il n'est pas clair que les LED soient mieux ou moins bien évaluées que les autres sources. Si la quantité de lumière émise et l'uniformité restent des critères décisifs pour l'acceptabilité des LED, l'effet de l'âge des sujets est variable. Les mesures sur site sont intéressantes. La possibilité d'ajuster l'intensité des LED pour éviter l'éblouissement de nuit, tout en garantissant une bonne visibilité de jour mérite d'être exploitée.

### 3.7.2.3 Performances visuelles de jour obtenues avec des éclairages à LED

#### 3.7.2.3.1 Éclairage intérieur

Pour l'éclairage de bureau, les préférences des personnes ont été comparées pour trois types de luminaires : panneau LED carré, plafonnier LED spot, panneau tubes fluorescent
T5. Quarante sujets jeunes, en situation réelle bien maitrisée, ont évalué l'éblouissement, entre autres (l'agrément, l'éblouissement, la facilité de lecture, l'aspect naturel des couleurs, la discrimination de détails au mur, la satisfaction du niveau d'éclairement, le caractère naturel des ombres, l'apparence des luminaires), grâce à un questionnaire. Très peu d'éblouissement a été perçu lors des tests. La lecture a été aussi facile à 600 lx qu'à 1 000 lx, même si cette dernière valeur a été jugée un peu plus éblouissante ; la lecture et la discrimination des détails sont moins faciles et moins agréables à 300 lx. Ainsi, l'éclairement à 600 lx est optimal, comparé à 300 lx ou 1 000 lx. L'éblouissement est similaire à 3 000, 4 500 ou 6 000 K ; la température de couleur préférée se situe autour de 4 150 K. Mais il y a de larges écarts constatés dans les préférences individuelles, non expliquées par l'âge. Les évaluations subjectives sont faiblement corrélées à l'indice UGR (Viitanen et al., 2013).

En matière de performance de lecture et de discrimination des couleurs, l'éclairage à LED (4 870 K, 1 267 lx), testé dans une réplique de la station orbitale internationale construite à terre, est aussi performant que la lumière du jour indirecte (221 lx) ou le plafonnier fluorescent (4 870 K, 531 lx). En ce qui concerne l'éclairage par LED et le déroulé après/avant lumière de chaque nuit, la suppression de la sécrétion de mélatonine par la lumière progresse comme attendu par l'augmentation de l'éclairement donné par les LED. L'expérience a été menée avec 8 astronautes en bonne santé, âgés d'une quarantaine (39,7 ± 2,8) d'années (Brainard et al. 2013).

L'effet de non-uniformité de la source ne disparait pas aux grands angles. L'inconfort apporté par un plafonnier à matrice de LED 7×7 a été jugé par 17 sujets chinois âgés de 25 à 45 ans, effectuant une tâche sur écran à 70 cd/m² sur un plan de travail recevant 180 lx. La limite d'inconfort se situe à 8 300 cd/m² à 55 deg (valeur plus faible que la limite de Boyce à 16 500 cd/m² à 53 deg). Les luminaires non-uniformes génèrent plus d'éblouissement « overhead » que les luminaires uniformes. Toutefois, la température de couleur du luminaire n'est pas indiquée. Le luminaire ne provoque pas d'éblouissement d'incapacité, car les performances de lecture restent les mêmes. La corrélation est très bonne entre l'inconfort subjectif et l'angle de position du luminaire, de 55 à 90 degrés, mais les valeurs absolues de l'UGR ne sont pas correctes. L'UGR calculé à partir de la luminance moyenne donne des valeurs trop basses. L'UGR calculé à partir des petites sources (formule additive avec l'intensité) donnent des valeurs trop élevées, (Xia et al., 2011).

Selon Ryckaert et al., les premiers tubes à LED destinés au remplacement des tubes fluorescents ont bien validé l'économie d'énergie attendue, de l'ordre de 70 %, mais ont montré des défauts en matière d'appréciation subjective. Ainsi, une évaluation de trois types de tubes du commerce (LED blanches à un phosphore), réalisée par 44 jeunes observateurs, a montré que le ressenti en matière de luminosité ambiante, de confort, de rendu des couleurs, d'uniformité, et d'éblouissement direct ou indirect était significativement réduit en regard de la qualité d'un tube fluorescent classique. (Ryckaert et al., 2012). Toutefois, il faut regretter que la comparaison n'ait pas été menée à éclairement et température de couleur identiques, d'autant plus que la technologie des tubes LED a considérablement évolué depuis lors.

La facilité de lecture a été comparée sous un éclairage à LED (6 500 K) et sous un éclairage à lampes fluocompactes (2 700 K). Quarante-quatre étudiants, ayant une acuité de 10/10, ont passé une épreuve de vision des couleurs (Ishihara) qu'ils ont mieux réussie – moins d'erreurs et plus de rapidité – sous l'éclairage à LED. L'épreuve de lecture consistait à lire à haute voix une série de textes différant par leur contraste : noir/blanc, bleu/jaune, bleu/rouge, rouge/orange, et par la taille de leur police : 10, 12, 14, 16. La facilité de lecture, déterminée par le nombre de mots lus par seconde, est légèrement en faveur des LED. Outre l'effet possible de la différence de température de couleur entre les sources et celui de l'ordre de passage des tests qui n'a pas été contrebalancé, on peut regretter l'absence de données d'écart-type pour déterminer la puissance statistique des tests (Sathya & Natarajan, 2016).

La préférence des utilisateurs pour un spectre de LED blanche de type simple phosphore d'intensité réglable, enrichi d'une quantité fixe de lumière rouge (636 nm) ou bleue (453 nm),
a été testée auprès de 26 jeunes coréens, à 4 niveaux d'éclairement entre 278 lx et 716 lx. Installés dans une salle de test, les sujets devaient effectuer des tâches de lecture/écriture – sur leurs genoux – et répondre à des questionnaires de satisfaction. La préférence a été donnée au spectre enrichi en rouge. Un éclairement de 440 lx donne satisfaction en blanc additionné de rouge et il conviendrait de l'extrapoler à 828 lx pour atteindre le même degré de satisfaction en blanc additionné de bleu. L'éclairage teinté de rouge tend à paraître plus lumineux et plus confortable. Aucune variation significative de performance selon la source ou le niveau de l'éclairement n'est constatée. Les deux éclairages permettent des économies d'énergie, et le spectre enrichi en bleu nécessite moins de climatisation (Yun et al., 2013).

### 3.7.2.3.2 Éclairage des écrans

L'impact des écrans à LED sur le sommeil et la vigilance est exposé à la section 3.4 de ce rapport.

L'usage prolongé du smartphone induit une fatigue qui a été étudiée par une équipe du ministère taiwanais de l'industrie (Wu et al., 2016). Les chercheurs ont comparé deux technologies : la technologie TFT-LCD (thin film transistor-liquid crystal display) et la technologie AMOLED (active matrix organic light-emitting diode). Ils ont mesuré les micro-fluctuations d'accommodation (hautes fréquences), pour objectiver la fatigue oculaire, la durée maximum de tolérance à l'usage du smartphone, quand le sujet met fin à l'activité et la performance visuelle : nombre de mots lus et score au jeu.

Chez 19 sujets jeunes, les auteurs ont montré une différence significative entre le moment où les micro-fluctuations dépassent le seuil de fatigue, de l'ordre d'une heure, et le moment où les sujets la ressentent, après plus de deux heures. La fatigue survient plus tôt avec l'écran AMOLED qu'avec l'écran TFT-LCD. Les sujets trouvent l'écran AMOLED plus éclatant. Quelques-uns souffrent de migraine. La tâche de lecture génère une fatigue plus précoce que l'activité de jeu, sans doute parce qu'elle demande plus d'effort, mais l'une et l'autre sont également tolérées. La performance visuelle ne permet de tirer aucune conclusion. Constatant que les sujets ne sont pas conscients de la fatigue oculaire qui s'installe avec l'usage du smartphone, les auteurs recommandent d'alerter l'utilisateur lorsqu'il dépasse le seuil de fatigue (Wu et al., 2016).

Les contraintes énergétiques impliquent que l'affichage sur un écran OLED soit adaptatif : l'affichage dépend du contenu de l'image, variant environ comme l'inverse du carré de la surface affichée en blanc. Une équipe d'un constructeur de téléphones mobiles a fait confirmer par 20 sujets que l'affichage optimum, pour une vidéo visionnée dans des conditions d'éclairage domestique, correspondait à une luminance maximum d'écran de 400-450 cd/m², pour une luminance plein écran de 150 cd/m² (Lee et al., 2012).

### 3.7.2.3.3 Les OLED comme source de lumière en intérieur

La technologie OLED concurrence les panneaux lumineux à éclairage latéral par LED. Une étude préliminaire avec 5 sujets n'a montré aucune différence significative entre un panneau OLED à 3 000 K et un panneau à éclairage latéral à 4 000 K (Mou et al., 2017) (cf. Figure 78). Les deux technologies génèrent un éblouissement d'inconfort vers 5 000 cd/m² et au-delà. Les auteurs donnent une préférence au modèle OSP d'éblouissement d'inconfort qu'ils promeuvent sur le modèle UGR de la CIE pour prédire leurs résultats.
<figure><img src="image_86.png" /><figcaption>Figure 78 : répartition spectrale d'énergie d'un panneau OLED et d'un panneau à éclairage latéral par LED</figcaption></figure>

Source : Mou et al., 2017

Dans une étude conduite par Dumortier et al., trente sujets japonais et 30 sujets français ont eu à comparer des éclairages à LED et à OLED, à 3 000 K et à 5 000 K (cf. Figure 79). Les sujets sont revenus 4 fois dans les mêmes environnements de bureau. Aucune différence de performance n'a été notée, ni de variation de rythme cardiaque. En revanche, tous ont préféré les éclairages LED ou OLED à 3 000 K, pour lire ou jouer.

<figure><img src="image_87.png" /><figcaption>Figure 79 : répartition spectrale d'énergie des OLED et des LED</figcaption></figure>

Les indices de rendu de couleur ne sont pas indiqués, mais on peut noter sur les graphiques que les spectres sont plus étendus à 3 000 K.

#### 3.7.2.3.4 Introduction de LED dans de nouveaux équipements

Un prototype à base de LED a été construit pour étudier l'effet perturbateur d'une source éblouissante en vision de nuit. Il s'agit d'un réseau rayonnant de sources LED calibrées, dont la LED centrale est une LED blanche extrêmement intense, et les LED disposées en périphérie sont plus petites. La LED centrale est éblouissante, créant un halo et un motif entoptique en étoile. Les 240 LED périphériques réparties le long de 24 rayons sont individuellement ajustées jusqu'à être tout juste perceptibles (Linhares et al., 2013). Ce dispositif réaliste constitué de véritables sources physiques permet de tester rapidement les effets réels de l'éblouissement et de sonder précisément l'étendue de la zone de perturbation. La luminance de la source éblouissante peut se régler entre 0 et 3 000 cd/m² et
la luminance des lumières à détecter entre 0 et 150 cd/m². Les lumières tests s'allument séquentiellement à partir du centre, jusqu'à ce qu'elles soient détectées. Vingt sujets en bonne santé ont participé à l'évaluation et différents paramètres sont étudiés. Pour les observateurs, et contre toute attente, que le diamètre pupillaire soit de 3 mm ou 6 mm, cela ne change rien à la perturbation. En outre, l'augmentation de la luminance de la source éblouissante n'est pas compensée par la contraction pupillaire (myosis) qu'elle devrait induire. Notons qu'il s'agit bien de la détection d'une cible lumineuse et non de sa reconnaissance (Ferreira-Neves et al., 2015).

### 3.7.2.3.5 Conclusion partielle sur les performances visuelles de jour obtenues avec des éclairages à LED

L'UGR est inadapté pour les sources non-uniformes. L'évaluation de l'appréciation des sources est légèrement en faveur des LED. On note une large variabilité inter-individuelle de l'appréciation des sources. Des signes de fatigue visuelle peuvent apparaître bien plus tôt que le ressenti d'inconfort.

## 3.7.3 Conclusions sur les effets de l'exposition aux LED sur le confort et les performances visuelles

On distingue la perturbation de la vision de l'inconfort visuel résultant d'un éblouissement. L'origine et l'évaluation de l'éblouissement d'inconfort sont difficiles à caractériser.

### Effet des LED sur les performances visuelles

Une source ponctuelle de luminance élevée présente dans un champ obscur (inhomogénéité spatiale) provoque un phénomène d'éblouissement, dit « éblouissement d'incapacité », ou « éblouissement perturbateur » (disability glare, en anglais) comme si la source répandait un voile lumineux sur l'ensemble du champ de vision. Ce voile perturbe la vision et provoque une baisse transitoire des performances visuelles. Cette situation se retrouve lorsque les LED nues sont visibles par le sujet. L'âge est un facteur aggravant. Les effets à long terme de la répétition de ces éblouissements ne sont pas connus.

Des signes de fatigue visuelle (micro-fluctuations d'accommodation) peuvent apparaître bien plus tôt que le ressenti d'inconfort (une étude expérimentale).

### Effet des LED sur le confort visuel

Toutes les études s'accordent à montrer que les sources non-uniformes sont plus éblouissantes que les sources uniformes de même luminance moyenne, et que plus le contraste est élevé, plus la sensation d'inconfort est grande.

Il apparaît que la multiplicité des sources ponctuelles (LED) visibles dans les luminaires aggrave notablement l'inconfort.

Les études disponibles, en revanche, ne permettent pas de conclure sur un effet spécifique des LED sur le confort la nuit.

Tant pour les sources à LED que pour les sources traditionnelles, il n'apparaît pas clairement que la température de couleur soit un facteur déterminant pour le confort ou l'inconfort et l'éblouissement. En revanche, et bien que le spectre des LED se soit notablement amélioré depuis 2010 (IRC augmenté), ce qui d'ailleurs brouille un peu les résultats des études sur l'impact des LED, le spectre des LED, riche en rayonnement bleu-violet (source probable d'inconfort), et pauvre aux alentours de 490 nm (limitant alors le réflexe pupillaire), reste déséquilibré. Il a des conséquences probables sur l'inconfort visuel.

L'effet de l'appauvrissement du spectre aux alentours de 490 nm sur la contraction pupillaire est mesurable mais de faible amplitude chez l'Homme.

Les sujets migraineux pourraient être spécialement sensibles au contenu spectral de la lumière (Wilkins, 2016).
## Populations sensibles

Il existe une large variabilité individuelle dans la population générale, quant à l'appréciation des situations éblouissantes.

L'âge est certainement un facteur aggravant de l'éblouissement, de jour comme de nuit, quelle que soit son origine. La dégradation de l'acuité visuelle s'accélère au-delà de 60 ans, plus ou moins gravement selon les individus. Le voile de luminance généré autour des sources augmente considérablement avec l'âge, abaissant le contraste des objets et, de ce fait, les performances visuelles.

Quelques études incluent des sujets migraineux mais ceux-ci semblent être spécifiquement sensibles à l'éblouissement causé par certaines irrégularités de la répartition spectrale d'énergie de la lumière, les feux de freinage rouges à LED notamment, ou encore les écrans AMOLED.

## Questions en suspens

En dépit du faible nombre de résultats recueillis, on note que les résultats des différents laboratoires sont souvent concordants. Il existe souvent une grande variabilité dans les résultats des individus.

Même s'ils ne perçoivent pas formellement la nature de l'inconfort, les sujets peuvent ressentir quelque-chose d'indéfinissable. Leurs performances visuelles peuvent être maintenues mais l'apparition de modification des micro-fluctuations d'accommodation démontre que des signes de fatigue ont pu être objectivés.

L'installation de dispositifs à intensité réglable permettrait d'améliorer le confort individuel.

Notons que les études sur le confort ressenti dans un local domestique sont généralement réalisées de jour et ne tiennent pas compte de l'heure de la journée ou de la nuit à laquelle l'individu est soumis à un type d'éclairage ou à un autre.

## 3.8 Effet des LED sur les pathologies cutanées

### 3.8.1 Généralités sur l'interaction de la lumière avec la peau

#### 3.8.1.1 Anatomie de la peau et caractéristiques optiques

La peau, qui constitue l'enveloppe du corps, est le plus grand organe chez l'humain, avec une surface d'environ 2 m². La peau est formée de deux couches cellulaires : le derme (couche profonde) et l'épiderme, couche fine et superficielle. L'ensemble peau et phanères (ongles, cheveux, poils) se nomme le tégument. Le tégument mesure entre 1 et 4 mm d'épaisseur selon les zones du corps (Prost-Squarcioni, 2006).

L'épiderme, couche superficielle de la peau, est à son tour composée de trois couches, la plus externe ou *stratum corneum* est composée de cellules kératinisées qui desquament. La couche intermédiaire est constituée d'empilements de 5 à 10 cellules et la couche basale présente des cellules qui se divisent activement pour régénérer la peau. Cette couche contient aussi les mélanocytes, cellules produisant la mélanine, pigment responsable de la couleur de la peau (Prost-Squarcioni, 2006).

Le derme est constitué d'un tissu conjonctif (tissus de soutien), à la fois flexible et résistant. Il est riche en récepteurs sensoriels, vaisseaux sanguins et lymphatiques.

La peau a quatre lignes de défense :

* la couche cornée est responsable de l'imperméabilité cutanée. Elle empêche la pénétration des substances et évite l'évaporation (Madison, 2003) ;

* la pigmentation protège les cellules contre la lumière et plus particulièrement contre les UV (Miyamura et al., 2007) ;
* les cellules de Langerhans situées sous la couche cornée et venant de la moelle osseuse capturent les substances étrangères afin d'alerter le système immunitaire (Valladeau, 2006) ;

* le derme et ses réseaux de collagène et d'élastine qui constituent une barrière mécanique (Dubertret, 2000).

### 3.8.1.2 Caractéristiques optiques de la peau

Le rayonnement incident sur la peau subit des réflexions, des diffusions et une absorption à son passage à travers ses différentes structures. De ce fait, la pénétration du rayonnement reçu dépend de son intensité mais aussi de sa longueur d'onde, comme illustré dans la Figure 80.

<figure><img src="image_88.png" /><figcaption>Figure 80 : pénétration des différentes longueurs d'onde dans la peau</figcaption></figure>

Source : Anses, 2010.

### 3.8.1.3 Lésion et cicatrisation

L'ampleur des dommages infligés à la peau à la suite d'une blessure dépend, entre autres, de la profondeur de cette blessure. La blessure est classifiée en trois degrés d'atteinte : les plaies de premier degré qui ne touchent que l'épiderme, les plaies de second degré qui endommagent les terminaisons nerveuses du derme et les plaies de troisième degré qui présentent une destruction complète de l'épiderme et du derme.

La peau endommagée peut guérir par un processus connu sous le nom de cicatrisation (Reinke et Sorg, 2012 ; Gurtner et al., 2008). Il s'agit d'un ensemble de mécanismes qui conduisent à la fermeture de la brèche et à la récupération fonctionnelle de la peau. Le processus de cicatrisation est différent entre l'épiderme et le derme. En effet, l'épiderme guérit par régénération, ce qui rétablit la structure du tissu, tandis que le derme guérit par réparation : les tissus d'origine sont remplacés par un tissu conjonctif non spécifique qui entraîne une cicatrice non fonctionnelle. Le processus de cicatrication peut être affecté par une exposition à la lumière.

Dans le cadre de la cicatrisation d'une plaie, plusieurs étapes se succèdent (cf. Figure 81 ci-dessous) :

* inflammation : hémostase suivie de colonisation par des cellules inflammatoires ;
* organisation de l'exsudat inflammatoire : réépithélialisation et formation du tissu de granulation ;

* remodelage : remodelage matriciel avec réduction de la vascularisation et de la densité cellulaire.

<figure><img src="image_89.png" /><figcaption>Figure 81 : étapes de la cicatrisation.</figcaption></figure>

L'hémorragie déclenchée par la blessure entraîne la formation d'un caillot dont la fonction est d'arrêter cette hémorragie (a). Le tissu qui entoure le caillot se nécrose et est remplacé par des cellules épithéliales (b) qui vont réétablir la continuité de l'épithélium (c). Une fois la brèche comblée le caillot et les vestiges de peau dégénérée desquament et sont éliminés (d).

### 3.8.1.4 La peau de l'enfant

La peau de l'enfant a une structure similaire à celle des adultes, avec certaines variations. Pour commencer, la couche cornée est plus fine. La couche basale de l'épiderme, qui est plus ou moins ondulée selon l'âge et la localisation dans le corps, est particulièrement ondulée chez l'enfant, ce qui explique l'exposition plus intense des couches basales au sommet des crêtes épidermiques (West et al., 2008). La jonction dermo-epithéliale est aussi moins adhérente que chez l'adulte. De ce fait, les réactions inflammatoires qui se traduisent par la formation de collections séreuses (les ampoules par exemple) sont plus fréquentes et intenses chez les jeunes enfants.

## 3.8.2 Lumière et pathologies cutanées

### 3.8.2.1 Les photodermatoses

Les photodermatoses constituent des affections dans lesquelles il y a une réaction cutanée à des longueurs d'onde spécifiques dans le domaine de l'ultraviolet ou dans le spectre visible. Cliniquement, elles peuvent se présenter comme des urticaires, des eczémas ou même des lésions de lupiques<fnref n="54" /> (Millard et Hawk, 2002) La dermatose la plus fréquente est l'éruption polymorphe induite par la lumière (Epil), suivie par l'urticaire solaire et la dermatite actinique.

<footnote n="54">⁵⁴ Lésions de lupus érythémateux aigu.</footnote>
L'Epil, aussi appelée allergie au soleil, se présente plus fréquemment chez les jeunes femmes à peau claire mais elle peut se retrouver à n'importe quelle âge et sur n'importe quel couleur de peau. Dans ce cas, il n'y a pas de changements histologiques patognomiques. Ceci la distingue de l'urticaire solaire pour laquelle la dermatose est médiée par une hypersensibilité induite par les IgE (immunoglobuline E, classe d'anticorps) et qui répond, en conséquence, aux anti-histaminiques. L'urticaire solaire est due à l'exposition aux UV mais aussi, moins fréquemment, à la lumière visible (Komarow et al., 2015).

### 3.8.2.2 Les photo-génodermatoses

On désigne comme génodermatose une affection cutanée d'origine génétique. Des gènes concernant différents tissus peuvent être affectés, comme ceux de l'épiderme (comme dans les keratodermites congénitales), du tissu conjonctif (syndrome de Werner), de la crête neurale qui subit des malformations pendant l'embryogenèse (neurofibromatose). Des altérations métaboliques peuvent également survenir comme dans le cas de la phenylcétonurie (Bergman, 2008) Les photo-génodermatoses se caractérisent par le fait qu'elles conduisent à une hypersensibilité à l'exposition lumineuse. Tel est le cas du Xeroderma pigmentosum où les défauts de la réparation de l'ADN induisent une dermatose allant jusqu'à l'apparition, très fréquente, de cancers de la peau (Hasan et Saeed, 2015).

### 3.8.2.3 Les porphyries

Ces maladies génétiques concernent les enzymes de synthèse du groupe hème<fnref n="55" />, qui est important pour la synthèse d'hémoglobine et d'autres enzymes du métabolisme (Christiansen, et al., 2016). Les porphyries génèrent une accumulation de porphyrines (précurseur de synthèse du groupe hème) ou de ses précurseurs dans le foie ou la moelle osseuse. Les porphyries chroniques induisent des lésions cutanées bulleuses ou des sensations douloureuses de la peau exposée au soleil (photo-algie). Des cératines porphyries aiguës (porphyrie variegata et coproporphyrie héréditaire) peuvent également induire une photosensibilité cutanée.

### 3.8.2.4 Le lupus érythémateux

Le lupus érythémateux disséminé est une maladie auto-immune qui affecte essentiellement le tissu conjonctif. Il survient le plus fréquemment chez la femme en période d'activité ovarienne. Ses manifestations cliniques sont très polymorphes, elles évoluent par poussées. Biologiquement, on trouve des anticorps antinucléaires, particulièrement anti-ADN natif. Au niveau de la peau, on dénote le caractère photosensible de l'éruption lupique. Le lupus subaigu est une forme particulière de lupus érythémateux. Dans cette forme, la photosensibilité est constante. Par ailleurs, la photosensibilité est une des caractéristiques les plus marquantes du lupus néonatal (Goffin et al., 2005).

### 3.8.2.5 La photosensibilité induite

La photosensibilisation se définit comme un processus délétère qui apparaît suite à l'exposition à un rayonnement électromagnétique normalement inoffensive ; elle est due à l'introduction d'un élément absorbant de la dite radiation (l'agent de photosensibilisation). L'UVA est impliqué dans la plupart des réactions photo-allergéniques car il pénètre plus profondément dans la peau.

<footnote n="55">⁵⁵ L'hémoglobine est constituée de deux sous-unités d'alpha-globine et de deux sous-unités de bêta-globine. Chaque unité globine est associée à un groupe hème, qui contient un atome de fer capable de s'associer à l'oxygène.</footnote>
### 3.8.2.6 Photosensibilité aux produits chimiques et aux médicaments

#### 3.8.2.6.1 Médicaments

Les médicaments photosensibilisants sont des composés cycliques contenant un noyau isoprène. Ils absorbent dans le visible ou l'ultraviolet (Monteiro et al., 2016).

Les photosensibilisants absorbent l'énergie du photon, la transforment en énergie chimique et maintiennent la molécule affectée dans un état excité. Elle peut alors se transformer en un métabolite, le photo-produit, transférer l'énergie à une molécule biologique, une protéine, par exemple, ou le disperser sous forme de lumière ou de chaleur. L'action d'un grand nombre de photosensibilisants dépend de l'oxygène disponible dans son entourage par l'intermédiaire duquel les réactions d'oxydation sur les biomolécules ont lieu.

Plusieurs médicaments sont considérés comme des photosensibilisants. À titre d'exemples, on trouve des antibiotiques (quinolones tétracyclines, entre autres, des anti-histamine (cetirizine, lorantidine), des anti-inflammatoires (ibuprofen, piroxican), des anti-malaria (chloroquine, sulfadoxine), des médicaments pour le système cardiovasculaire (amiodarone, furosemide, diltiazem) ou encore des médicaments agissant sur le système nerveux central (chorpromazine, phenothizides). Certains d'entre eux peuvent être inducteurs d'un lupus érythémateux. L'hydrochlorothiazide, la griséofulvine, certaines cyclines et inhibiteurs de l'enzyme de conversion de l'angiotensine ainsi que certains anti-inflammatoires non stéroïdiens en sont des exemples.

La photosensibilisation peut se manifester au niveau de la peau (sous forme de rougeurs, d'eczéma, ...) mais également des phanères avec des épisodes d'onycolyse (destruction des ongles). D'ailleurs, l'onycolyse peut être la seule manifestation de phototoxicité chez les personnes de forte pigmentation (Zammit, 2010).

#### 3.8.2.6.2 Substances d'application topique

En dehors des médicaments, d'autres agents tels que certaines crèmes et savons ou des huiles essentielles (bergamote, lime, citron) peuvent être photosensibilisants (Zammit, 2010). Même des plantes et fleurs (céléri, moutarde, chrisantèmes) peuvent avoir des effets similaires.

### 3.8.2.7 Les dermatoses photo-aggravées

L'exposition solaire joue un rôle important dans les interactions de l'herpes simplex virus (HSV) avec l'organisme. Une réactivation du virus HSV dans le ganglion serait possible via des éléments régulateurs du génome viral sensibles aux UV (Brown, 2017). Le virus migre alors le long de l'axone et se réplique dans l'épiderme. De même, certains papillomavirus (HPV) cutanés sont susceptibles d'interagir avec les UV et d'induire des lésions et même une carcinogenèse de l'épiderme chez des patients immunodéprimés (greffés, patients atteints d'une épidermodysplasie verruciforme) (Kranjec et Doorbar, 2016). Le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), pourrait aussi être influencé par l'exposition au soleil (Goffin et al., 2005).

### 3.8.2.8 Les cancers cutanés

L'augmentation des expositions au soleil liées aux phénomènes de mode et à l'allongement de la durée de la vie a entraîné un doublement du nombre de cancers de la peau tous les dix ans depuis 1940. Ainsi, un enfant né en 2000 aura un risque sur 7 de développer un cancer basocellulaire et un sur 75 d'être atteint d'un mélanome malin au cours de sa vie (Apalla et al., 2017). L'exposition cumulative aux UV est responsable du vieillissement accéléré de la peau et des carcinomes basocellulaires et spinocellulaires. Les mélanomes malins, première cause de mortalité par cancer des adultes jeunes, sont la conséquence des expositions aiguës et chroniques pendant l'enfance et l'adolescence (Apalla et al., 2017).

Il est important de signaler l'importance de la dose. À petites doses, le soleil permet à la peau de synthétiser la vitamine D, d'améliorer ses capacités de barrière et de mieux résister
aux expositions aiguës. Le débit de la dose a aussi son importance. La même dose délivrée de façon aiguë ou chronique aboutit à des effets différents (Savoye et al., 2016). Les données physiques ont aussi leur importance. La découverte relativement récente de la toxicité des UVA remet en cause toute la pédagogie utilisée jusqu'à présent pour les produits solaires qui filtrent essentiellement l'UVB. L'Anses a déjà statué sur l'exposition aux UV artificiels, en recommandant l'arrêt de l'utilisation de cabines de bronzage (saisine 2012-SA-0263).

## 3.8.3 LED et peau

### 3.8.3.1 Utilisation des LED en dermatologie

Malgré le manque d'information sur les effets des rayonnements visibles sur la peau, les photothérapies pour traiter les affections cutanées prolifèrent. En plus d'être utilisées pour les traitements de la rhinite, l'arthrite, la jaunisse, etc., les LED sont utilisées pour le soulagement du stress, les troubles affectifs saisonniers et les troubles de l'horloge biologique. Les LED sont aussi en plein essor dans le domaine du photo-rajeunissement. La photothérapie dynamique à base de LED a même été étendue pour le traitement du cancer. À titre d'illustration, un certain nombre d'applications sont listées ci-dessous, sans jugement de leur efficacité.

#### 3.8.3.1.1 Dermatite radio-induite

Des dispositifs ont été conçus pour le traitement de la peau brulée par la radiothérapie. Les arguments scientifiques mis en avant soulignent que l'exposition aux LED augmente la cicatrisation et la synthèse de collagène et diminue la synthèse de cytokines pro-inflammatoires et l'expression de métalloprotéases *in vitro*. Le mécanisme proposé pour expliquer ces effets implique l'absorption des cytochromes cellulaires entre 520 et 600 nm. Les effets des LEDs sur les radio-dermatites sont variables selon leur spectre. Certains auteurs suggèrent que les LEDs à 590 nm pourraient avoir un effet négatif sur la cicatrisation, sauf quand la dermatite est très importante(Fife et al., 2010). En revanche, dans un papier récent, Strouthos et al. mettent en évidence dans le cadre d'une étude clinique que le traitement par une exposition à une grille de LED de longueurs d'onde comprises entre 660 et 850 nm, avant la radiothérapie, réduit les réactions de la peau à la radiothérapie (Strouthos et al., 2017).

#### 3.8.3.1.2 Acné

Les patients avec une acné dont l'origine est Propionibacterium acnes sont difficiles à traiter, car la souche est résistante à la plupart des antibiotiques. Les lésions d'acné se produisent par une hyperplasie des kératinocytes folliculaires qui bouchent le pore et déclenchent l'infection et la puissante réaction inflammatoire qui se suit. Les symptômes présentés par ces patients sont réduits en été. L'explication est que l'UV et la lumière bleue du soleil modifient les prophyrines bactériennes en causant leur mort.

Gold et al. ont utilisé des dispositifs émettant de la lumière bleue sur un échantillon de 30 patients et ont montré une efficacité limitée de ces traitements avec un temps de guérison estimé à 99 h pour les patients traités contre 122 pour le groupe contrôle (Gold et al., 2011).

#### 3.8.3.1.3 Rides

Le vieillissement de la peau induit par les UV implique l'inhibition de la synthèse des collagènes 1a et B. Le niveau de ces protéines est également régulé par les metalloproteinases qui, elles, sont suractivées. Les LED sont utilisées pour la réjuvénation car elles produisent une augmentation de la synthèse de collagène, une réduction de la pigmentation et une réduction des rides. Le mécanisme de cette action est encore inconnu, mais des hypothèses suggèrent qu'il passerait par une augmentation de la synthèse d'ATP par la cellule. De précédentes études avaient montré que l'éclairage de la peau avec des LED émettant une lumière dont la longueur d'onde est comprise entre 590 et 660 nm la
rajeunit (études *in vitro* et *in vivo*). Kim *et al.* montrent que l'exposition d'explants de peau à des LED de longueurs d'onde 633 nm n'est pas toxique, ni pour le fibroblaste, ni pour les kératinocytes de la peau et ne provoque pas de réaction allergique. De plus les modifications sur les metalloproteases (2 d'entre elles diminuent leur expression) suggèrent que ce traitement peut être bénéfique pour lutter contre les rides (Kim *et al.*, 2015). L'illumination des fibroblastes avec une lumière monochromatique augmente la synthèse de procollagène par ces cellules et diminue celle de la metalloproteinase ou de la collagénase, enzymes proteolytiques qui interviennent dans le vieillissement de la peau (Gold, 2011).

#### 3.8.3.1.4 Hyperbilirubinémie

Lors de la jaunisse pathologique du bébé (kenicterus), un traitement consiste à exposer les enfants à la lumière du soleil, car la bilirubine (responsable de la jaunisse) se transforme alors en photobilirubine et en lumirubin, facilement éliminables sans la participation du foie. Depuis un certain temps, ceci se fait en hôpital en utilisant des tubes fluorescents, des halogènes, des fibres optiques ou des LED. Certaines études avaient montré que la dégradation de la bilirubine était plus importante avec des LED bleues. La longueur d'onde optimale était de 460 +/- 10 nm (Reddy et Prasad, 2014). Une étude multicentrique randomisée comprenant 272 nouveaux nés (contre 60 dans l'étude précédente) a comparé l'efficacité de la photothérapie selon que l'on utilise des LFC ou des LED. Ils ne trouvent pas de différence d'efficacité entre les deux dispositifs (Kumar *et al.*, 2010).

#### 3.8.3.1.5 Analgésie

La thérapie par la lumière a été utilisée pour induire la guérison des altérations neurales. Cidral-Filho *et al.* ont utilisé à cet effet un modèle expérimental murin qui consiste à comprimer le nerf sciatique de l'animal. Sept jours après l'intervention, les pattes des animaux sont exposées à des LED de longueur d'onde 950 nm (2,5 J/cm²) pendant 15 jours. Les animaux traités présentent une diminution des cytokines pro inflammatoires au niveau du nerf sciatique et de la moelle épinière. Les auteurs constatent une diminution de l'hypersensibilité mécanique de la patte de l'animal. En revanche, la sensibilité au froid, la récupération motrice et histologique ne se voient pas affectées (Cidral-Filho *et al.*, 2013). Une autre étude chez le rat a montré un effet antinociceptif des LED de longueur d'onde 940 nm (infrarouge) sur les brûlures superficielles. Cet effet est le résultat de la diminution de facteurs intervenant dans l'inflammation et la douleur tels que COX-2, la prostaglandine E2 ou l'interleukine pro-inflammatoire IL-6 (Chia *et al.*, 2017).

#### 3.8.3.1.6 Asepsie

Des dispositifs utilisant des LED bleues sont utilisés pour leurs propriétés bactéricides et fongicides. Des longueurs d'onde à 470 nm sont efficaces sans photosensibilisation préalable. Une bonne partie d'agents pathogènes sont sensibles à la lumière bleue, car ils possèdent des photo sensibilisateurs naturels tels que les porphyrines et les flavines (Lubart *et al.*, 2011).

#### 3.8.3.1.7 Photothérapie dynamique

La photothérapie dynamique s'opère par la combinaison d'agents photosensibilisants non toxiques qui, par action de la lumière visible, produisent des espèces réactives de l'oxygène (Ormond et Freeman, 2013). L'efficacité de ce traitement a été bien démontrée *in situ* dans le traitement de carcinomes basocellulaires superficiels, de kératoses actiniques et de carcinomes épidermoïdes en dehors de maladie génétique prédisposante. Les agents photosensibilisants sont multiples : porphyrines, l'acide 5-aminolévulinique (5-ALA), la méthyl aminolévulinate (MAL), la méso-tétrahydroxyphénylchlorine ou le dérivé mono-acide de la benzoporphyne (BPD-MA) (Visudyne) dont la principale utilisation reste le traitement de la dégénérescence maculaire liée à l'âge ou DMLA (Wolf-Schnurrbusch *et al.*, 2011).
### 3.8.3.2 Effets constatés

#### 3.8.3.2.1 Sur les cellules de la peau

Des expériences menées sur des monocouches de myoblastes C2C12, de fibroblastes NIH/3T3 et de kératinocytes BICR10 ayant subi des lésions mécaniques, ont montré que l'éclairage a un effet significatif sur la cicatrisation (Teuschl et al., 2015; Knels et al., 2016). Par contre, l'exposition à une lumière bleue (470 nm) diminue fortement la prolifération et augmente l'apoptose des trois types cellulaires. Elle produit, en sus, la nécrose des C2CA2 et des NIH/3T3. La diminution de la survie cellulaire suite à une exposition à la lumière bleue a aussi été constatée par LEE et al. (Lee et al., 2016). En revanche, la lumière rouge (630 nm) n'induit l'apoptose d'aucun des types cellulaires, mais stimule leur prolifération et diminue le temps de fermeture de la lésion.

Les effets de la lumière bleue sur les fibroblastes dermiques a été beaucoup étudiée par le groupe de Suscheck. Ils ont investigué les effets de LED à 410, 420, 453 et 480 nm et à différentes doses. Ils ont montré que les longueurs d'onde les plus grandes (480 nm) n'ont pas d'effet sur les cellules tandis qu'à 410, 420 et 453 nm ils observent une diminution de la capacité antioxydante des cellules et, à doses non toxiques, une diminution de la prolifération de fibroplastes (Opländer et al., 2011). Au dessus d'un éclairement de 60 J/cm², on observe une cytotoxicité aux longueurs d'onde de 410 et 420 nm. Il est intéressant de remarquer que ces effets sont minorés par l'ajout d'azide de sodium (qui diminue la concentrations d'espèces réactives de l'oxygène) et augmentés par le deuterium qui augmente la vie moyenne de ces molécules (Opländer et al., 2011). Le travail de Mamalis et al., sur la prolifération et la migration des fibroblastes de peau humaine in vitro sont en accord avec ces données car ils montrent une diminution de la migration cellulaire lorsque les cultures sont exposées à une lumière à 415 nm (dose de 5-80 J/cm²) (Mamalis et al., 2015). Ils montrent également une protection par le Resvaratrol, ce qui leur permet d'impliquer le stress oxydant dans cet effet (Mamalis et al., 2016).

Les effets de la lumière ont aussi été étudiés sur les keratinocytes, en particulier en utilisant la lignée HaCat. Dans ces cellules, la lumière verte induit une importante augmentation de la leptine, IL-8 et VEGF, des facteurs activés pendant la cicatrisation, connus pour stimuler la croissance des cellules endothéliales et des keratinocytes (Fushimi et al., 2012). Liebmann et al. (Liebmann et al., 2010), travaillant également sur les keratinocytes montrent que l'exposition de ces cellules à des longueurs d'onde de 632-940 nm n'est pas toxique quelle que soit la dose. Par contre, l'exposition à 412-426 nm provoque des effets toxiques dès 500 J/cm². Il est intéressant de remarquer qu'entre 5 J/cm² et 66 J/cm², la lumière bleue réduit la prolifération et favorise la différenciation par un mécanisme d'oxyde d'azote dépendant (Liebmann et al., 2010).

Sur les mélanocytes, cellules capables de produire la mélanine, responsable de la couleur de la peau, l'exposition à des rayonnements de longueur d'onde 660 nm produit une inhibition de la synthèse de mélanine à cause d'une diminution de l'activité de la tyrosinase dont la synthèse dépend de l'activité de ERK. Ces résultats, qui ont été confirmés chez la souris pigmentaire hairless HRM-2, suggèrent que ces longueurs d'ondes pourraient être utilisées pour le traitement des affections pigmentaires de la peau telles que l'hyperpigmentation post inflammatoire ou les tâches de rousseur (Oh et al. 2017),. L'exposition à la lumière rouge permet aussi de réguler la synthèse de collagène qui conduit à la production de fibres plus épaisses et permet une amélioration la cicatrisation (Nogueira et al., 2016).

#### 3.8.3.2.2 Sur la peau in vivo

* Production de monoxyde d'azote

La peau contient des dérivés azotés qui, sous l'effet des UV-A, peuvent se décomposer en libérant de l'oxyde d'azote (NO). Celui-ci a, entre autres, des propriétés antibactériennes et vasodilatatrices pour les vaisseaux du derme superficiel. L'équipe de Suschek a montré
qu'un effet similaire peut être obtenu en utilisant de la lumière bleue (420-453 nm) (Opländer, 2013). Chez le volontaire sain, le NO produit augmente de 17 fois par rapport au contrôle non exposé ou aux individus exposés à d'autres longueurs d'onde (vert, 524 nm ; rouge, 689 nm, ; infrarouge, 834 nm). Au niveau de l'épiderme, le NO ainsi produit peut migrer vers les tissus sous-jacents et avoir un effet vasodilatateur au niveau des vaisseaux dermiques. Les auteurs n'ont pas détecté de toxicité en utilisant la technique *Tunel* comme marqueur d'induction de mort cellulaire.

* Effets sur la peau de l'adulte

Les LED sont utilisées pour de multiples applications. Les patients souffrant de cancer du sein et traités par radiothérapie présentent une dermatite. L'utilisation d'une « photomodulation » par LED a été préconisée, c'est-à-dire une exposition de la peau à de la lumière visible, dans la gamme du rouge. En effet, il a été montré qu'à ces longueurs d'onde, la cicatrisation est meilleure. Ceci est attribué à une augmentation de la synthèse de collagène et une diminution de la synthèse de cytokines pro-inflammatoires et des métalloprotéases (Silveira et al., 2016) Le mécanisme proposé pour expliquer ces effets implique de l'absorption des cytochromes cellulaires entre 520 et 600 nm (Fife et al., 2010) D'autres travaux investiguent les effets de LED de différentes couleurs sur la cicatrisation de la peau chez la souris. Ils montrent que la cicatrisation est accélérée par les LED rouges et vertes (Fushimi et al., 2012). En revanche, d'autres auteurs soutiennent le contraire. En effet, le travail de Adamskaya et al. montre une augmentation de la cicatrisation avec la lumière bleue à 470 nm comparée à la cicatrisation à 630 nm (Adamskaya et al., 2011). Ce résultat est quand même en opposition aux études des effets d'exposition à la lumière rouge (photomodulation) qui montrent les effets bénéfiques des longueurs d'ondes comprises entre 600 et 700 nm. En particulier, une étude parue en 2005 et regroupant 300 patients, montre une amélioration de l'élasticité de la peau et une diminution des rides lorsque les patients sont exposés à des LED à 590 nm (Weiss et al., 2005). Il y a aussi une amélioration de la cicatrisation des plaies au niveau de la peau (Li et al., 2016) ou des gencives (Chang et al., 2013) et une diminution de la fibrose pathologique (Mamalis et al., 2016 a ; Mamalis et al., 2016 b).

Récemment, Nakashima et al. (Nakashima et al., 2017) ont investigué les effets de la lumière bleue sur la peau in vivo. Les études ont porté sur des modèles animaux (souris) et humain. Concernant le modèle souris, les auteurs ont utilisé des souris transgéniques sur fond C57BL6, c'est-à-dire des souris pigmentées. Ces souris présentent la caractéristique d'être sans poil (par croissement sélectif avec des souris « hairless ») et d'exprimer un transgène, celui de la GFP (*green fluorescent protein*) sensible à la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) (roGFP). De ce fait, lorsqu'une région de la peau de la souris produit des ROS, elle fluoresce. Sur ce schéma commun, deux sites de GFP ont été observés : la GFP exprimée dans le cytoplasme cellulaire et la GFP exprimée dans la mitochondrie. Les souris ont par la suite été exposées à une dose énergétique de 44 mW/cm⁻² avec des LED de différentes longueurs d'onde : UVA à 365 nm, bleue à 460 nm, vert à 523 nm, rouge à 623 nm et infrarouge à 740 nm et 850 nm. Les souris exprimant la roGFP dans le cytosol ont présenté une augmentation des ROS seulement sous UVA. Par contre, les souris exprimant la construction mitochondriale présentent une production de ROS autour de 460 nm (même si elle est un peu plus faible), longueur d'onde la plus proche des UVA. Il est intéressant de noter qu'à 470 nm la fluorescence émise par la roGFP est détectable à partir de seulement 4 min d'exposition. Les auteurs ont comparé l'efficacité de la lumière à 470 nm à produire des ROS avec celle des UVA. Ils ont couclu à une efficacité de 68%. C'est-à-dire que si une dose donné de UVA porduit une quantite donné de ROS, la même dose de lumière bleue à 470 nm produira seulement un peu plus de la moitié. C'est moins, mais ce n'est pas une quantité nulle comme on pouvait l'espérer.

Plus intéressant encore, les auteurs travaillent avec des volontaires humains pour investiguer la question de la réponse de la peau à la lumière bleue. L'échantillon présente un petit nombre de patients (5) mais le résultat obtenu va dans le même sens que les résultats obtenus chez la souris. Chez l'humain, la démarche a été un peu différente. Les auteurs se
sont ici concentrés sur la diminution de la fluorescence produite par les flavines comme signe indicateur de la production de ROS. Les patients ont été illuminés au niveau de la peau du dos de la main pendant 10 min à une irradiance de 11 mW/cm². Ils constatent une diminution significative de la fluorescence des flavines débutant seulement 2 minutes après exposition.

Finalement, les auteurs utilisent des modèles cellulaires *in vitro* pour essayer d'expliquer la différence des résultats obtenus chez les souris exprimant les deux constructions de la GFP et montrent que les UVA ont tendance à produire de l'oxygène singulet tandis que la lumière bleue induit la production de superoxyde.

Récemment, Lee *et al.* ont étudié les médiateurs de l'inflammation cutanée chez les souris RLMS. Ce sont des souris qui ont une affection de la peau similaire à la rosace et qui présentent une diminution des molécules inflammatoires lorsqu'elles sont traitées par des LED à 850 et 940 nm (Lee *et al.*, 2016). Figurova *et al.* ont étudié, sur un modèle de porc, l'effet d'une combinaison de lumière bleu et rouge (470 et 695 nm) sur la cicatrisation cutanée. Leurs résultats sont en accord avec les résultats précédents. Ils constatent une meilleure cicatrisation des plaies avec cette combinaison. Les effets moléculaires de chaque longueur d'onde ne sont pas analysés dans ce travail (Figurová *et al.*, 2016).

* Effets sur la peau de l'enfant

Des études précédentes avaient montré que la dégradation de la bilirubine était plus importante avec des LED bleus. La longueur d'onde optimale a été fixée à 460 +/- 10 nm. *In vitro*, les LED bleues semblent également plus efficaces (Addi *et al.*, 2006). Ceci dit, une étude multicentrique sur 272 néonates dont 142 seront exposés aux LED et 130 au CFL avec des conditions d'inclusion strictes ne trouvent pas de différence entre les deux dispositifs *in vivo* (Kumar *et al.*, 2010).

Il existe des évidences indiquant que la peau du nouveau-né reste immature pendant ses deux premières années de vie et que les modifications induites par les UV peuvent débuter dès le premier été, puisque la production de mélanine est limitée chez le jeune enfant. Compte tenu de l'incidence accrue du mélanome ces dernières années, les experts ont commencé à remettre en question l'effet de la photothérapie à la lumière bleue sur la peau néonatale. De ce fait, cinq études ont évalué le risque de développer des lésions mélanocytaires bénines ou malignes après la photothérapie néonatale à la lumière bleue. Les résultats sont contradictoires. Trois de ces cinq études ont montré un nombre accru de nevi (grains de beauté) commun ou atypique chez les enfants qui ont été exposés à une photothérapie néonatale, avec une prévalence significativement plus élevée de lésions mélanocytaires cutanées et uvéales (Paller *et al.*, 2011).

* La photosensibilisation

Les spécialistes de la santé au travail constatent souvent, chez les travailleurs photosensibilisés, les effets nocifs de l'exposition professionnelle aux UV. Les réactions sont autant photo-allergique (réaction allergique de la peau) que phototoxique (irritation de la peau) après l'exposition aux UV d'origine solaire ou industrielle (les réactions de photosensibilisation sont également courantes en cas d'utilisation de matériel de bronzage). La photosensibilisation aux UV découle de l'utilisation de certains médicaments (médicaments pris par voie buccale ou par injection) ou de l'application topique de certains produits (parfums, lotions hydratantes, crèmes, pommades) ou encore de l'utilisation d'inhalateurs sur prescription médicale.

Les produits les mieux connus sont les psoralènes (Almutawa *et al.*, 2015). Ils sont utilisés dans le traitement du psoriasis, ou le vitiligo où la stimulation des mélanocytes est recherchée. Cependant, en absence de mélanocytes, on obtient des brûlures au lieu d'un brunissement. Les psoralènes s'intercalent dans l'ADN. Sous l'effet de la lumière ils sont activés, même en absence d'oxygène, et établissent des liaisons covalentes donnant lieu à des adduits. En présence d'oxygène, il y a en plus formation de radicaux superoxydes qui altèrent L'ADN. Généralement, une lumière ultraviolette (entre 320 et 380 nm) est utilisée