Optique : matière et type de système optique

Introduction

Comme il a été vu dans la partie théorique, deux types de comportement des rayons vis à vis de la matière sont intéressants à traiter dans la conception/fabrication des luminaires :
– quand les rayons se réfléchissent sur une matière opaque
– quand les rayons traversent une matière transparente ou opale, avec des rayons réfléchis d’un côté (souvent négligés) et réfractés puis transmis de l’autre.

Les matières et systèmes optiques utilisés dans les luminaires seront étudiés à partir de ce prisme.

Les matières utilisées dans les systèmes optiques

En réflexion

Matériau non spécifique

Une matière non spécifique (brute ou ayant subi un traitement de surface comme la peinture, l’anodisation, la galvanisation….) est bien souvent un élément constitutif d’un luminaire : la source lumineuse peut se réfléchir sur un tel matériau qui compose la structure du luminaire. Il peut s’agir d’acier, d’inox, d’aluminium non optique (extrudé, injecté…) ou de zamac par exemple pour le métal, mais également de plastique opaque comme le PMMA et le polycarbonate, ou tout autre matériau opaque (plâtre, bois, tissu….). C’est le cas par exemple lorsque l’efficacité énergétique ou la répartition du flux lumineux n’est pas la priorité, comme pour les luminaires très fonctionnels (de type réglette ou des luminaires étanches utilisés sur les chantiers) ou design.

Matériau « optique »

Par contre, si la fonction du luminaire nécessite un bon rendement optique ou s’il est important de bien diriger le flux lumineux (où une surface spéculaire est souvent obligatoire), l’utilisation d’une matière ayant subi un traitement optique spécifique est indispensable. Cela est réalisé classiquement grâce à un aluminium très pur traité spécifiquement en surface pour avoir d’excellentes propriétés optiques.

A noter

Il existe également maintenant des plastiques opaques diffus à haut coefficient de réflexion (jusqu’à 98%).

Les nombreuses variétés d’aluminium optique dépendent notamment :
– du coefficient de réflexion total (les meilleurs aluminiums spéculaires proposent 98%, les diffus 97%) : le choix est effectué suivant le niveau de gamme du luminaire car plus le coefficient de réflexion est élevé, plus l’aluminium est cher
– de la répartition entre la réflexion spéculaire et la réflexion diffuse : le choix est effectué suivant les besoins du système optique
– des effets directionnels (car le sens de laminage ou les traitements de surface impliquent souvent une anisotropie de la réflexion) : le choix est effectué suivant les besoins du système optique
– de spécificités mécaniques comme la rigidité apportée par l’aluminium dit « martelé » : le choix est effectué suivant l’architecture du luminaire

Important

De manière générale, plus un aluminium est brillant, plus il est spéculaire, plus il est mat, plus il est diffus.

En réfraction/transmission

A noter

Comme il a été vu dans la partie théorique, la matière peut être dans ce cas soit transparente soit opale. Ceci est valable pour toutes les matières présentées ci-dessous et est lié avec le type de système optique. L’ensemble est résumé dans le tableau en bas de page.

– Le verre est une matière très utilisée dans l’industrie du luminaire pour sa noblesse, ses propriétés écologiques (recyclage) mais bien sûr et avant tout pour sa transparence et son bon coefficient de transmission.
– Le polycarbonate est très utilisé dans l’industrie du luminaire pour ses excellentes propriétés mécaniques et son bon coefficient de transmission. Il est toutefois très sensible aux agressions chimiques et des tests en situation doivent être effectués systématiquement pour éviter tout problème.
– Le PMMA (PolyMethylMethAcrylate) est appelé également plexiglas ou altuglas®. Cette matière est également très utilisée d’un point de vue optique car moins chère que le polycarbonate et possédant un meilleur coefficient de transmission (→ voir tableau ci-dessous). Elle est plus cassante que ce dernier mais résiste mieux aux agressions chimiques (même si elle y reste sensible).

Synthèse

Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques théoriques : en pratique, les matériaux opaques ont des propriétés optiques contenant une partie diffuse et une partie spéculaire (précisées sur les documentations techniques des matériaux) et il existe également des variations infinies dans les degrés d’opalescence du verre ou des plastiques.

A noter

Dans le cas d’une surface en plastique ou verre complètement transparente et d’épaisseur homogène (en général pour assurer une protection mécanique et/ou une étanchéité du luminaire) le chemin des rayons reste inchangé, ce qui n’a donc pas d’intérêt d’un point de vue optique. Toute la lumière ne traverse pas pour autant la matière qui absorbe et réfléchit en partie les rayons incidents, → voir les coefficients de transmission des matières transparentes ci-dessous.

   Type Matériau

Performance
optique*

Utilisation Forme du système optique
Réflexion Spéculaire Aluminium optique Jusqu’à 98% Optique performante
dirigée
Travaillée
Diffus Aluminium optique
Plastique spécifique blanc
Jusqu’à 97%
Jusqu’à 98%
Optique performante
non dirigée
Quelconque
Matière non spécifique De 0 à 80% Optique indirecte,
basique ou primaire
Quelconque
Réfraction
Transmission
Clair
(prismatique,
diamantée…)
Verre**  92% Optique performante
dirigée
Eviter l’éblouissement
Travaillée
PMMA  92%
Polycarbonate  88%
Opale
(donc diffus)
Verre  Très variable*** Diffusion uniforme
Eviter l’éblouissement
Quelconque
PMMA  Jusqu’à 81%
Polycarbonate  Jusqu’à 75%

* Coefficient de réflexion pour les métaux et le plastique spécifique blanc et coefficient de transmission pour le verre et les plastiques (PMMA et polycarbonate).
** Ordre de grandeur, de très grandes grandes variétés de verre existent pour des applications spécifiques, se renseigner auprès des fabricants.
*** Opaliser le verre peut être réalisé dans la masse ou en surface par divers process donnant des résultats sensiblement différents, se renseigner auprès fabricants

Les différents types de systèmes optiques spécifiques

En réflexion

optique-principe_reflecteurs

Voici quelques systèmes optiques classiques utilisés dans les luminaires :
– Les réflecteurs : dispositif optique servant à diriger le flux lumineux, ils peuvent être symétriques, asymétriques ou cylindroparaboliques, intensifs ou extensifs et sont généralement en aluminium « optique »
– Les grilles type antidéfilement : le but de ces grilles est de « défiler » la source lumineuse (par exemple un tube fluorescent T5), c’est-à-dire de la cacher à la vue sous un certain angle (→ voir la page traitant du confort optique pour plus de détails). Elles sont en général en aluminium « optique ». Le flux lumineux n’est pas (ou peu) dirigé.
– Les grilles double parabole : l’objet est ici de diriger les rayons lumineux (comme à chaque fois que la parabole est présente). La fonction antidéfilement est assurée également. Ces grilles sont généralement en aluminium « optique » spéculaire.
– Une optique indirecte comme cela est le cas dans nombre de luminaires, ce qui permet de produire une lumière « douce » à un coût intéressant et est réalisé bien souvent avec une matière non spécifique comme une tôle d’acier peinte en blanc.
– Comme il est souvent difficile et coûteux d’englober tous les rayons produits par la source dans le système optique principal réalisé avec de l’aluminium optique par exemple, un complément (système optique secondaire) est formé par des matériaux non spécifiques. Un bon exemple est le fond des grilles double parabole souvent laissé en tôle peinte pour des raisons économiques.

→ Voir la synthèse en base de page.

Quelques illustrations

optique-reflecteurs

Important

Il est important de noter que l’apparition des LED a changé le travail optique par rapport aux lampes fluorescentes :
– d’une part les LED ont une très forte luminance contrairement aux sources fluorescentes (qui appartiennent à la famille des lampes à décharge basse pression, donc à fort encombrement). Suivant les cas, ce rapport de luminance entre les deux technologies peut largement dépasser 100
– d’autre part les rayons sont déjà en partie dirigés (environ sur 120°) et il n’y a pas à réaliser le délicat travail d’extraction des rayons « arrières ».

En réfraction/transmission

optique-principe_diffusion_transmission

– Les diffuseurs opales : très utilisés dans l’industrie du luminaire, ils permettent d’avoir une plus grande surface éclairante (ce qui diminue la luminance et évite bien souvent l’éblouissement, → voir UGR) à un coût intéressant. L’éclairage est ainsi plus homogène et moins agressif, → voir également le confort optique. Le degré d’opalescence est à définir en fonction de l’architecture de chaque luminaire.
– Les systèmes transparents de formes spécifiques tels que les lentilles type Fresnel et les plaques prismatiques ou diamantées : ces systèmes optiques sont également très courants et permettent soit de diriger précisément les rayons lumineux (type lentille) soit de former un compromis en éblouissement/rendement/design entre une matière transparente et homogène et une matière opale, → voir le tableau ci-dessous.

Quelques illustrations

optique-exemple_diffuseur

  Type Éblouissement Rendement
optique
Spécificités
Matière transparente 
Épaisseur homogène + + Forme et texture évidente
Epaisseur non homogène :
prismatique, diamanté…
+ Forme précise à concevoir,
texture évidente,
esthétique particulière
Matière opale – –  – Degré d’opalescence à définir

A noter

A noter que plus une matière est opale plus elle est diffuse et moins son coefficient de transmission est bon. Autrement dit, choisir le degré d’opalescence d’une matière opale est un compromis entre homogénéité de la surface éclairante et rendement optique. La distance des sources par rapport au diffuseur est également un paramètre optique capital.

Synthèse

Voici un tableau synthétique compilant les principaux systèmes optiques vus ci-dessus, à relier aux notions d’ergonomie et de confort, de performance optique et la norme d’éclairage intérieur NF EN 12 464-1.

  Matériau Système optique Schéma Utilisation
réflexion
optique-reflection
Aluminium optique Réflecteur symétrique optique-reflecteur_symetrique Pour intensifier le flux
Réflecteur asymétrique optique-reflecteur_asymetrique Pour intensifier le flux
sur des luminaires n’ayant
pas le bon degré de rotation
Réflecteur cylindro parabolique  optique-reflexion_parabole Très directif (voie ferrée par exemple)
Grille de défilement optique-grille_de_defilement Empêche de voir la source
(typiquement tube fluo)
Grille double parabole  optique-grille_double_parabole Empêche de voir la source et
diriger le flux « vers le bas » (bureau*)
Matière non spécifique Optique indirecte optique-indirect Lumière douce non dirigée,
rendement mauvais
Système optique secondaire  optique-second A éviter
réfraction/
transmission
optique-transmission
Matière opale Surface homogène
(plane ou 3D)
 optique-opale Lumière douce non dirigée,
rendement mauvais,
doit éviter l’éblouissement
Matière transparente
de forme spécifique
Collimateur, lentille  optique-lentille Diriger précisément le flux*
Plaque prismatique ou diamantée optique-prismatique Diriger le flux
et/ou éviter l’éblouissement

*→ Voir norme d’éclairage intérieur NF EN 12 464-1

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