Optique : théorie

Dans l’éclairage, l’optique qui nous intéresse est l’optique géométrique, qui part du principe que la lumière se propage sous forme de rayons lumineux qui se déplacent en ligne droite, se réfléchissent ou se réfractent sur les différentes matières.

Quels sont les autres modèles physiques en optique ?
L’approche géométrique est la plus ancienne, la plus commune et très efficace en ce qui concerne l’éclairage.

Par contre, elle s’est révélée insuffisante pour expliquer des phénomènes comme les interférences ou la diffraction, ce qui a permis de développer le modèle de l’optique ondulatoire (la lumière est considérée comme une onde).

Puis, de manière plus récente, s’est développée l’optique quantique qui d’une part a réconcilié l’onde et le corpuscule (photon en l’occurrence pour la lumière) et d’autre part propose une approche probabiliste, voir également la page sur la théorie de la lumière.

 

Introduction : le rayon lumineux

Le rayon lumineux se propage en ligne droite, se réfléchit en surface, pénètre à l’intérieur d’une matière, est absorbé et éventuellement retransmis pour les matières non opaques.

Voici les appellations des différents rayons :

optique-rayons

Théorie et réalité

La théorie de l’optique géométrique est très puissance mais ne s’applique dans sa forme simple (voir schéma ci-dessus) que dans les deux cas très particuliers :
–  du miroir pour la réflexion
–  d’une matière complètement transparente dans le cas de la réfraction/transmission
En effet, dans la pratique, un rayon qui rencontre une matière ou une surface génère dans le cas général plusieurs rayons, voir schéma ci-dessous :

optique-rayons_diffus

Transparence et opalescence

La propriété est bien connue : un verre ou un plastique peut être transparent ou opale. Ceci est courant au niveau des lampes incandescentes ou les lampes à décharge de forte puissance : elles peuvent être soit transparentes (donc éblouissantes mais avec une efficacité maximum), soit opales (moins éblouissantes mais avec une efficacité moindre). Le principe est de diffuser la lumière, c’est-à-dire de l’envoyer dans toutes les directions (ce qui a pour conséquence d’augmenter généralement la surface éclairante), ce qui permet de diminuer la luminance et donc l’éblouissement, voir également la notion d’UGR.

Voici un schéma explicatif :

optique-transparent_opale

Dans la pratique, les variations sont infinies entre les matières complètement transparentes (mais qui absorbent toutefois des rayons), les matières opales jusqu’aux matières opaques.

Forme des optiques »

Il n’y a que peu d’intérêt à travailler la forme d’un système optique opale, les rayons étant diffusés dans toutes les directions. Autrement dit, les plastiques ou les verres travaillés optiquement sont systématiquement transparents ou légèrement opales.

 

Opalescence

De manière générale, une matière transparente aura une meilleure transmission optique qu’une matière opale. Autrement dit, pour élaborer un bon système optique, il est nécessaire de trouver un équilibre pour le degré d’opalescence d’une matière afin :
– d’une part éviter l’éblouissement et diriger le flux lumineux
– d’autre part avoir un bon rendement optique.

Spécularité et diffusion

De la même manière sur une surface, un rayon incident peut générer un unique rayon réfléchi – c’est le cas d’un miroir parfait, il s’agit alors d’une surface dite spéculaire – mais généralement un rayon produit des rayons réfléchis dans différentes directions : il s’agit d’une surface diffuse.

Voici un schéma explicatif :

optique-specularite_diffusion

Une façon simple de s’en rendre compte est d’observer à quel point une surface produit des reflets type « miroir » : il sera impossible d’en voir sur une surface complètement diffuse et une surface spéculaire produira un reflet parfait (comme un miroir). Dans la pratique, des variations infinies existent entre ces deux modèles théoriques.

Forme des optiques

Comme pour la réfraction/transmission ci-dessus, il n’y a d’intérêt à travailler la forme d’un réflecteur que dans le cas d’une surface spéculaire. Autrement dit, si la surface est diffuse, la forme importe peu.

Spécularité

De manière générale, une surface spéculaire aura un meilleur rendement optique qu’une surface diffuse. Autrement dit, pour élaborer un bon système optique, il est nécessaire de trouver un équilibre pour le degré de spécularité d’une surface afin :
– d’une part éviter l’éblouissement et bien diriger le flux lumineux
– d’autre part avoir un bon rendement optique.

Mat, satiné et brillant

Les termes largement utilisés de « mat », « satiné » et « brillant » renvoient à cette notion de spécularité/diffusion :
– « mat » désigne une surface majoritairement diffuse
– « satiné » désigne une surface peu diffuse et peu spéculaire
– « brillant » désigne une surface majoritairement spéculaire.

La spécularité d'un point de vue microscopique
Le caractère spéculaire ou diffus d’une surface s’explique très facilement d’un point de vue microscopique, voir le schéma ci-dessous :

optique-specularite_micro

Diriger la lumière

Il peut être nécessaire de diriger le flux lumineux et des solutions théoriques existent d’une part en réflexion et d’autre part en réfraction/transmission.

Dans la pratique, de nombreuses techniques et matières sont utilisées, voir la page pratique.

Energie

Toute modification du rayon lumineux (réflexion, réfraction, transmission) consomme de l’énergie : il est donc important de minimiser ces transformations pour conserver une bonne efficacité énergétique. Une vitre transparente ne transmet pas toute la lumière, comme un miroir ne réfléchit pas non plus tout le flux lumineux.

En réflexion

La parabole est la forme géométrique qui peut guider les rayons, ce qui explique son emploi particulièrement courant (grille double parabole, réflecteur cylindro parabolique…). A noter d’ailleurs que la grille double parabole utilisée très couramment dans les bureaux avec des tubes fluorescents n’est pas formée de vraies paraboles qui seraient trop intensives et conduiraient à une mauvaise uniformité au sol.

Il est indispensable dans ce cas d’avoir une surface spéculaire, en pratique de l’aluminium optique brillant.

En voici le principe :

optique-parabole

En réfraction/transmission

Une lentille type de Fresnel permet également de concentrer la lumière en réfraction/transmission. Cette technique peut être utilisée dans les collimateurs par exemple. De très beaux exemples ont été également construits pour les phares maritimes. Il est indispensable ici d’avoir une matière entièrement transparente (non opale) pour ne pas diffuser la lumière.

Voilà le fonctionnement :

optique-lentille_fresnel

Conclusion

Important

Il n’existe donc que deux manières théorique de diriger rigoureusement la lumière : en réflexion avec une parabole spéculaire et en réfraction/transmission par une lentille transparente type Fresnel.

Synthèse

Bien noter que ce tableau présente les caractéristiques limites des matières et des surfaces : en pratique, toutes les propriétés intermédiaires existent.

  Opacité Optique
géométrique
Appelation Système optique Forme typique
du système optique
Matière typique
Un rayon incident
génère un unique rayon
Matière opaque Réflexion Spéculaire Précis Parabole Alumiminum optique
Matière non opaque Réfraction
Transmission
Transparent Précis Lentille type Fresnel,
Prisme ou diamant
Verre ou plastique (PMMA et Polycarbonate) transparent
Un rayon incident
génère plusieurs rayons
Matière opaque Réflexion Diffus Peut être grossier Peu d’influence de la forme Métaux peints ou bruts non spécifiques, plastique, bois, tissu…
Matière non opaque Réfraction
Transmission
Opale Peut être grossier Peu d’influence de la forme Verre ou plastique (PMMA et Polycarbonate) opale

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