Optique : rendement et confort d'un système optique

A noter que ce chapitre d’optique est étroitement lié à celui de la photométrie et de l’éclairagisme, le premier concernant le travail de conception du luminaire d’un point de vue optique et le second la mesure du résultat produit par le système conçu, soit du luminaire seul mais de manière plus pertinente du luminaire dans son environnement.

Dit autrement et de manière caricaturale, l’optique concerne l’intérieur du luminaire et la photométrie l’extérieur. Mais, bien évidemment, de nombreux phénomènes se jouent à la frontière.

Efficacité d’un système optique d’un luminaire

Définition : rendement optique

Le rendement d’un système optique d’un luminaire (ou rendement optique d’un luminaire) est le ratio entre le flux lumineux sortant du luminaire par celui produit par les sources prises isolément. Typiquement, si 4 sources lumineuses produisent chacune 1250lm et que 4700lm sortent du luminaire intégrant ces sources, le ratio sera de 

Par définition, le rendement optique est donc une grandeur sans unité inférieure à 1. En effet, comme toute réflexion ou réfraction consomme de l’énergie, le luminaire ne peut pas sortir plus de lumière que l’ensemble des sources qui sont à l’intérieur.

Des logiciels de calcul optique permettent de modéliser en amont les réflexions/réfractions des rayons et ainsi de bien concevoir les systèmes optiques des luminaires.

Influence de la température : rendement en service

Cette définition théorique doit pourtant être précisée car dans la réalité la température joue un rôle prépondérant. Le passage entre la théorie et la pratique peut être vu comme le passage du rendement optique (sans influence de la température) au rendement en service (mesuré en conditions réelles avec notamment l’influence de la température).

Ainsi, la norme NF EN 13032 (Mesure et présentation des données photométriques des lampes et des luminaires) précise que, dans un premier temps, le flux des sources fluorescentes doit être mesuré à 25°C et que, dans un deuxième temps, le flux du luminaire doit également être mesuré à 25°C. Or, toute source de lumière émet de la chaleur qui entraînera une hausse de la température à l’intérieur du luminaire (d’autant plus importante d’ailleurs si le luminaire est étanche). Et si par exemple l’architecture du luminaire est pensée pour qu’un tube T5 soit à une température de 35°C à l’intérieur du luminaire, il sera alors à son maximum d’efficacité alors que le flux de référence sera à 25°C où il produira environ 12% de flux en moins.

Dans le cas où la partie optique a un excellent rendement, il sera donc possible – en suivant la norme NF EN 13032 – d’avoir des rendements en service supérieurs à 1.

A noter que ce phénomène est bien moins sensible avec les LED car ces dernières ont une sensibilité moins grande de leur efficacité à la température, mais surtout car la complexité du marché de la LED (multiplication des modules et des optiques primaires, secondaires, tertiaires…) rend caduque cette notion au profit d’une efficacité globale du luminaire exprimée en lm/W, voir la page dédiée. Autrement dit, cette notion n’a de sens qu’avec un système de source limité et bien défini comme la fluorescence et ne permet pas les comparaisons entre les luminaires fluorescents et les luminaires LED. D’ailleurs, la norme PR NF EN 13032-4 qui précise les mesures à effectuer pour les luminaires à LED n’exige que des mesures du luminaire dans son entier (et non des sources séparément).

Mesure

Les goniophotomètres

La mesure photométrique d’un luminaire est régie par la norme NF EN 13032 et doit être effectuée dans une salle dédiée et climatisée par un appareil appelé photogoniomètre (littéralement « mesure de l’angle de la lumière », de photo, « lumière », gonio « angle » et mètre « mesure »).

A noter que le modèle théorique adopté est ponctuel, c’est-à-dire que les mesures doivent être effectuées à une distance suffisamment grande pour être considérée à l’infini. Ces distances de mesures à respecter dépendent de la taille du luminaire étudié.

Quelques paramètres importants sont à prendre en compte dans le choix d’un goniophotomètre :
– la taille des luminaires à mesurer
– la construction d’une salle dédiée avec maîtrise de la température et la vitesse de l’air
– la précision mécanique de la mesure angulaire
– la précision des capteurs (luxmètre et luminancemètre)
– le logiciel spécifique….

A noter qu’il existe également des photogoniomètres dit « surfaciques » (en opposition aux mesures ponctuelles ci-dessus) qui donnent des résultats moins précis et ne sont pas acceptés par la norme.

Présentation des résultats

Les mesures réalisées par les goniophotomètres peuvent s’exprimer de différentes manières, comme par des fichiers textes spécifiques (par exemple en .ldt) compilant toutes les informations qui sont en général à disposition sur le site Internet des fabricants pour être exploitées ensuite par les personnes chargées du projet d’éclairage.

La répartition du flux lumineux quant à elle est généralement présentée dans les catalogues des fabricants d’une part par la classe photométrique et d’autre part des courbes photométriques.

Comment concevoir un système optique efficace ?

Les grands principes pour concevoir un système efficace sont :
– utiliser des matériaux performants d’un point de vue optique, c’est-à-dire par exemple pour les surfaces réfléchissantes de se baser sur la norme NF EN 16268 (performance des surfaces réfléchissantes pour luminaire). Il est donc important d’avoir un bon coefficient de réflexion pour les matériaux opaques et un bon coefficient de transmission pour les matériaux non opaques, voir la page sur les caractéristiques optiques des matériaux.
– concevoir le système optique pour l’ensemble des rayons lumineux (sans oublier par exemple les rayons produits à l’arrière d’un tube fluorescent)
– se méfier du phénomène d’évolution exponentielle : un rayon se réfléchissant plusieurs fois sur une surface sera très rapidement atténué et son évolution dépendra très fortement du nombre de réflexions et du coefficient de réflexion de la surface, voir le tableau ci-dessous :

Le tout peut être modélisé aisément grâce à un logiciel optique spécifique.

Confort

L’efficacité d’un luminaire est une notion importante mais elle n’a pas de sens si le luminaire n’a pas été étudié dans une perspective de confort pour l’utilisateur, pour éviter l’éblouissement par exemple (voir UGR).

Eviter l’éblouissement

Voici les principales techniques utilisées pour éviter l’éblouissement, voir les détails et schémas sur la page concernant les différents systèmes optiques :
– Cacher la source : soit totalement, il s’agit d’un éclairage indirect, soit uniquement sous un certain angle, il s’agit alors de défilement. Le principe est de cacher les sources par un système comme un réflecteur ou une grille (généralement en aluminium) sous un certain angle correspondant à l’angle d’observation « normal » dans lequel le luminaire est vu.
– Diffuser la lumière avec une matière opale telle que du verre, du PMMA ou du polycarbonate : le principe est ici de disperser les rayons lumineux provenant de la source pour que celle-ci ne soit pas visible pas l’utilisateur. Cela revient à augmenter la surface éclairante vue par l’utilisateur, donc à diminuer la luminance du luminaire (d’autant plus que le fait d’intercaler une matière – surtout opale – diminue le flux lumineux produit par les sources), voir également UGR.

A noter que les sources d’éclairage ont elles même des luminances très variables suivant les technologies et que par conséquent les besoins seront très différents suivant les sources mais également les utilisations. En voici les grands traits :

Diriger la lumière

Avoir une bonne efficacité du système optique et éviter l’éblouissement ne suffit pas dans de nombreuses situations. En effet, rien ne sert d’éclairer si la lumière n’est pas dirigée là où on en a besoin, ce qui participe bien évidemment à l’efficacité – non pas du luminaire pris isolément (en lm/w) – mais à celle de la pièce ou du bâtiment (exprimé en lux/m²/W en analyse statique ou en kWh/m²/an pour le LENI en analyse dynamique), voir la synthèse de la performance énergétique.

Comme il a été vu dans la partie pratique, tout est réalisable et dépend pour le fabricant de luminaires d’une part des matériaux choisis et d’autre part de la forme du système optique. In fine, le choix de diriger la lumière dépend de multiples facteurs résumés dans un projet d’éclairage dont :
– le type d’éclairage souhaité (général, d’accentuation, signalétique….)
– le positionnement du luminaire
– le positionnement du champ visuel des personnes évoluant dans la pièce
– l’existence de normes ou règlements
– le coût d’entrée versus les coûts de consommation électrique
– la volonté des maîtres d’ouvrage et maîtres d’oeuvre
– …

Synthèse

Voici une synthèse du travail optique à réaliser dans la conception d’un luminaire :

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mise à jour : 7 octobre 2019