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.

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

En réfraction/transmission

– 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.

* 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

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.

En réfraction/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.

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

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

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mise à jour : 7 octobre 2019