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Qu'est-ce qu'un guide de lumière ?
Définition d'un guide de lumière
Un guide de lumière — parfois appelé « tube de lumière » — est un dispositif qui achemine la lumière d'une source lumineuse (généralement une LED) vers l'endroit où elle est nécessaire.
Les guides de lumière sont généralement fabriqués en verre ou en plastique, avec un indice de réfraction avoisinant généralement 1,5. La lumière injectée dans le guide de lumière selon un angle compris dans la plage appropriée est piégée à l'intérieur du guide par un phénomène appelé réflexion interne totale (RIT). Une fois piégée, la lumière reste à l'intérieur du guide jusqu'à ce qu'elle soit extraite par un dispositif d'extraction, qu'elle soit entièrement absorbée par le matériau ou qu'elle rencontre une surface à un angle inférieur à l'angle critique.
Dans certains cas, l'objectif est de faire passer la lumière d'une extrémité du guide à l'autre. Dans d'autres cas, l'objectif est d'extraire la lumière sur toute la longueur du guide et de la diriger dans une direction précise. C'est ce qui donne au guide l'apparence d'être éclairé. Cette extraction est obtenue en ajoutant au dispositif des éléments tels que des points de peinture ou des textures (petites bosses ou petits trous) qui modifient la façon dont la lumière est réfléchie, rompant ainsi la condition de réflexion interne totale et provoquant la sortie de la lumière du guide.
D'autres types de guides de lumière homogénéisent la lumière émise par une ou plusieurs sources lumineuses. En laissant la lumière se propager sur toute la longueur du guide tout en se réfléchissant sur ses parois, celle-ci est « mélangée », et la lumière qui sort à l'extrémité du guide de lumière est uniforme tant sur le plan spatial qu'angulaire.
Figure 1. Le guide de lumière présenté ici est une tige de mélange que l'on trouve couramment dans les projecteurs. Il homogénéise la lumière provenant d'une source lumineuse et d'un réflecteur classiques. Du côté de l'entrée, la lumière atteint un pic intense au centre ; du côté de la sortie, elle est uniformément répartie sur toute la surface de sortie du guide, qui présente un format 16:9.
Table des matières
Qu'est-ce que l'indice de réfraction ?
Pour les matériaux qui laissent passer la lumière, tels que le verre, l'eau ou l'air, l'indice de réfraction indique la vitesse à laquelle la lumière se propage à travers le matériau. Plus l'indice est élevé, plus la lumière se propage lentement à travers le matériau. Cette équation permet de calculer l'indice d'un matériau :
Où n est l'indice de réfraction, c est la vitesse de la lumière dans le vide, et v est la vitesse de phase de la lumière dans le matériau. Le vide, bien qu'il ne s'agisse pas à proprement parler d'un matériau, a un indice de 1. L'eau a un indice de 1,3333. Le verre et les plastiques généralement utilisés pour les guides de lumière ont un indice compris entre environ 1,45 et 1,6 pour la lumière visible.
Lorsque la lumière rencontre une interface entre deux matériaux ayant des indices de réfraction différents, la lumière qui traverse cette interface est déviée, ce qui modifie sa direction. Ce phénomène s'appelle la réfraction et obéit à la loi de Snell.
Qu'est-ce que la loi de Snell ?
La loi de Snell stipule que l'angle sous lequel la lumière émerge dépend à la fois de l'angle d'incidence de la lumière sur la surface de séparation et de la différence d'indice de réfraction entre les deux matériaux. Plus la différence d'indice est importante et plus l'angle d'incidence est grand, plus la déviation est importante. La loi de Snell régit la réfraction, où n est l'indice de réfraction et θ l'angle d'incidence de la lumière dans le matériau 1 ou le matériau 2 :
Figure 2. Équation de la loi de Snell .
Figure 3. Un rayon lumineux se réfractant à travers une surface plane, subissant ainsi une déviation. La ligne pointillée représente la normale à la limite entre les deux matériaux, et les grandeurs utilisées dans la loi de Snell sont indiquées sur la figure.
Qu'est-ce que l'angle critique ?
En appliquant la loi de Snell, on obtient l'angle de sortie de la lumière :
Dans le cas particulier où la lumière prend naissance à l'intérieur du matériau présentant le plus grand des deux indices de réfraction, on constate qu'il existe un angle θ1 au-delà duquel l'équation ne peut être résolue. Cela se produit lorsque l'expression entre crochets est supérieure à 1. La valeur de θ1 pour laquelle l'expression entre crochets vaut exactement 1, appelée angle critique, est donnée par l'équation suivante :
À titre d'exemple, pour un matériau dont l'indice de réfraction dans l'air est de 1,5 (indice 1), on obtient un angle critique de 41,81º. La lumière qui frappe la surface sous un angle supérieur à cet angle critique ne peut pas se réfracter ; elle est donc réfléchie à 100 % vers l'intérieur du matériau, ce qui provoque une réflexion interne totale.
Qu'est-ce que la réflexion interne totale ?
La réflexion interne totale se produit lorsque la lumière présente à l'intérieur d'un matériau tel que le verre ou le plastique rencontre une interface avec un matériau ayant un indice de réfraction inférieur (généralement l'air) sous un angle supérieur à l'angle critique.
Pour certaines formes, telles que les plaques ou les tubes rectangulaires, les cylindres ou les sphères, la lumière peut rester piégée à l'intérieur du guide jusqu'à ce qu'elle atteigne les bords ou l'extrémité de celui-ci. C'est ce qui permet à la lumière d'être acheminée depuis la source lumineuse d'origine le long du guide jusqu'à l'autre extrémité avec un minimum de pertes.
Figure 4. Ce faisceau de rayons lumineux prend naissance à l'intérieur d'un guide de lumière plat aux limites parallèles. Chaque rayon émerge du point de départ et frappe la limite verre-air. Certains rayons se réfractent (et sortent), mais ceux qui frappent la limite sous un angle supérieur à l'angle critique de réflexion interne totale (TIR) se réfléchissent et retournent dans le guide de lumière. Les rayons qui subissent une réflexion interne totale continuent à se propager par réflexion interne totale sur toute la longueur du guide.
Figure 5. Un guide de lumière cylindrique très simple, muni d'une petite source lumineuse à LED sur la gauche. La lumière pénètre dans le guide de lumière par la face frontale du cylindre ; elle est alors entièrement guidée par réflexion interne totale (TIR) et piégée à l'intérieur du guide, avant d'être transmise jusqu'à l'extrémité opposée, d'où elle sort.
Extraction de la lumière sur toute la longueur d'un guide de lumière
Si l'objectif du guide de lumière est d'extraire la lumière sur toute sa longueur, le concepteur peut intégrer des éléments d'extraction tout au long du guide. Ces éléments peuvent prendre diverses formes, mais parmi les plus courants, on trouve des points de peinture et de petites structures en forme de prisme gravées dans le guide (souvent appelées « textures »), comme le montre la figure 6.
Ces éléments d'extraction modifient la direction de la lumière qui les frappe, rompant ainsi le cycle de réflexion interne totale et permettant d'extraire la lumière du guide. En faisant varier la densité ou la taille de ces éléments d'extraction, il est possible d'obtenir un flux lumineux uniforme, voire un motif souhaité, à la sortie du guide de lumière. Avec certaines textures, il est également possible de contrôler la direction de la lumière qui sort du guide de lumière.
Sur la figure 6, une partie de la lumière précédemment piégée dans le guide est désormais extraite, et la quantité de lumière piégée dans le guide diminue à mesure que l'on s'éloigne de la source lumineuse. On remarque qu'une partie de la lumière est également extraite dans la direction opposée à celle de l'observateur, ce qui n'est généralement pas souhaitable. Il est possible de remédier à cela en ajoutant une surface réfléchissante sur la face texturée du guide de lumière afin de renvoyer la lumière à l'intérieur du guide.
Figure 6. Cette illustration montre le même guide de lumière que celui de la figure 5, mais cette fois-ci, des éléments d'extraction ont été ajoutés sur le côté du guide de lumière opposé à la direction d'observation.
Les guides de lumière se déclinent en une multitude de formes et de tailles
Les guides de lumière ne doivent pas nécessairement être longs et droits. Ils peuvent également présenter des formes courbes. Ils peuvent se rétrécir, s'évaser ou modifier la forme de leur section transversale selon les besoins. Ils peuvent prendre des formes très complexes, souvent utilisées pour éclairer les tableaux de bord automobiles, les éclairages extérieurs de véhicules et les claviers des appareils portables.
Figure 7. Ce guide de lumière présente une forme complexe qui pourrait être utilisée dans des applications destinées à l'intérieur ou à l'extérieur des véhicules. À droite, vous pouvez voir un gros plan des éléments d'extraction.
Parmi les guides de lumière les plus importants, on trouve les feuilles plates utilisées pour éclairer les écrans plats des téléviseurs, des moniteurs, des montres et bien d’autres appareils. Ces guides de lumière se présentent sous la forme de fines feuilles de matériau dont une face est moulée avec des éléments d’extraction. La lumière est injectée dans le guide de lumière par un ou plusieurs bords, généralement à l'aide de LED. Le motif de sortie souhaité, qui est généralement uniforme, est obtenu en répartissant soigneusement les éléments d'extraction. En raison de la complexité du système, un logiciel de conception d'éclairage est nécessaire pour optimiser le placement des textures afin d'obtenir la distribution de lumière souhaitée.
Figure 8. Cette figure présente un guide de lumière de type écran plat destiné à un petit appareil portable. Trois LED injectent de la lumière dans le guide de lumière par le bas, où les éléments d'extraction ne sont placés qu'aux endroits où le concepteur souhaite extraire la lumière pour éclairer les commandes. L'image de droite montre le motif lumineux obtenu.
Les guides de lumière peuvent également prendre la forme de fibres optiques. Les fibres optiques sont des « fils » de verre très fins et souples, composés d'un cœur central à indice élevé et d'une gaine à indice plus faible. Elles sont très utiles pour transmettre la lumière sur de longues distances et sont largement utilisées dans diverses applications telles que les télécommunications, l'imagerie médicale et la chirurgie au laser.
Quel est l'effet de la forme sur le guide de lumière ?
Si les guides de lumière peuvent présenter des courbes et prendre des formes plus complexes, c'est précisément au niveau de ces courbes que se produisent la plupart des fuites de lumière. À un coude, une partie de la lumière piégée par la réflexion interne totale (TIR) peut atteindre la limite du guide sous un angle inférieur à l'angle critique et s'échapper du guide de lumière. Ce phénomène doit être soigneusement pris en compte lors de la conception et de la simulation à l'aide d'un logiciel.
Figure 9. Ce guide de lumière cylindrique présente un coude à 65 degrés et perd environ 10 % de la lumière. Plus le coude est serré, plus la lumière s'échappe du guide de lumière au niveau du coude.
Le fait de rétrécir progressivement un guide de lumière peut également entraîner des fuites. En général, l'augmentation de la section transversale à mesure que l'on s'éloigne de la source lumineuse ne pose pas de problème, mais la diminution de cette section entraîne généralement des pertes, soit par fuite, soit par réflexion de la lumière à l'intérieur du guide, qui est alors renvoyée vers la source lumineuse. Cela est particulièrement vrai lorsque la lumière injectée dans le guide de lumière couvre un large angle.
Figure 10. Ce guide de lumière cylindrique a été effilé afin d'augmenter la section transversale vers l'extrémité opposée à la source lumineuse. Dans ce cas, 100 % de la lumière est transmise à travers le guide jusqu'à la surface de sortie.
Figure 11. Il s'agit du même guide de lumière que celui de la figure 10, mais le cône est inversé afin de réduire la section transversale du guide. Dans ce cas, d'importantes fuites de lumière font qu'environ 6 % seulement de la lumière atteint la surface de sortie.
Pourquoi les guides de lumière sont-ils importants ?
Un guide de lumière permet d'acheminer la lumière vers des endroits où il est difficile, voire impossible, de placer la source lumineuse elle-même. Par exemple, vous pouvez utiliser un guide de lumière pour isoler une source lumineuse d'un environnement extrême, ou pour placer la source et ses composants électroniques dans un emplacement plus pratique. Vous pouvez utiliser des guides de lumière à extraction pour remplacer l'éclairage fluorescent dans les congélateurs, ce qui vous permet de placer la source lumineuse à l'extérieur du congélateur afin d'améliorer l'efficacité énergétique. Un autre exemple consiste à créer un éclairage pour un environnement chirurgical sans placer de composants électroniques à proximité du patient.
Grâce à des techniques d'extraction de la lumière appropriées, les guides de lumière peuvent prendre diverses formes, offrant une plus grande liberté stylistique qui les rend particulièrement populaires pour les conceptions modernes de phares avant et de feux arrière. De nombreux constructeurs utilisent des conceptions d'éclairage extérieur aux formes uniques comme élément distinctif de l'image de marque de leurs voitures. Parmi les autres applications automobiles des guides de lumière, on peut citer l'éclairage des instruments et du tableau de bord, ainsi que les liseuses et les éclairages d'ambiance dans tout l'habitacle.
Figure 12. Guides de lumière utilisés dans un feu arrière automobile. Les guides de lumière servent à la fois de dispositif de signalisation et d'élément stylistique.
Les guides de lumière sont couramment utilisés pour répartir la lumière de manière homogène sur une grande surface. Leurs applications sont très variées, allant de l'affichage d'informations à l'éclairage de contrôle, en passant par l'éclairage d'accentuation. Grâce à cette capacité de diffusion de la lumière, un ingénieur en éclairage peut se contenter d'un nombre réduit de sources lumineuses de forte puissance, ce qui simplifie le système et permet de réaliser des économies. Et comme il fonctionne avec des LED à faible consommation d'énergie, un guide de lumière peut constituer une solution efficace et économique dans de nombreux cas de figure d'éclairage.
Comment concevoir un guide de lumière ?
Bien que les guides de lumière soient des dispositifs passifs relativement simples, la manière dont la lumière interagit avec eux est complexe. La conception d'un guide de lumière qui fonctionne correctement et présente l'aspect lumineux souhaité nécessite une ingénierie minutieuse. Les outils de simulation d'éclairage tels que LightTools et LucidShape fournissent aux ingénieurs en éclairage les outils nécessaires pour concevoir, optimiser et analyser les performances d'une combinaison guide de lumière/source lumineuse avant qu'ils ne consacrent du temps, de l'argent et des efforts à la production d'un prototype. Une fois satisfait des performances du modèle dans le logiciel, l'ingénieur peut réaliser un prototype et comparer les résultats de la simulation aux mesures réelles.
La conception des guides de lumière à extraction est encore plus complexe. Les ingénieurs doivent positionner correctement les textures afin d'obtenir le résultat souhaité au niveau de la sortie du guide de lumière. Ils doivent également vérifier la direction dans laquelle la lumière extraite se propage, ce qui influe sur la luminosité et l'aspect du guide de lumière éclairé. Pour mener à bien cette tâche et gérer les formes complexes requises par de nombreux guides de lumière, il est nécessaire de recourir à un outil spécialisé tel que LightTools ou LucidShape.
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