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Conception de guide lumière à LED

Utilisées pour les applications d’affichage et de signalisation, les solutions lumineuses associant guide de lumière et LED sont devenues incontournables.

Leur capacité à souligner les lignes et créer des signatures les rendent particulièrement appréciées des designers et des architectes. Leur faible épaisseur et leur robustesse permettent de les intégrer facilement dans de nombreux systèmes.

De plus, leur grande capacité à guider la lumière permet de réaliser des surfaces lumineuses de taille importante avec d’excellentes uniformités.

Dans ces guides, les LED sont placées sur le côté et non plus sous la surface à éclairer. Cette disposition permet de réduire le nombre de LED afin d’obtenir de grandes surfaces lumineuses et uniformes dans un volume extrêmement compact.

La réduction du nombre de LED s’accompagne donc pour le fabricant d’un coût de fabrication moindre. Cela induit également une diminution de la consommation électrique du système pour le client final. En effet, pour avoir une telle uniformité de 80% sur la surface avec une distance aussi petite en utilisant des LED placées sous la surface, il en faut beaucoup plus que dans le cas d’un éclairage tangentiel.

La faible épaisseur des guides (quelques millimètres seulement) permet de les intégrer facilement dans de nombreux systèmes d’affichage et de signalisation.

Cependant, la conception et la réalisation de guide de lumière permettant d’atteindre les luminances, les uniformités et les éclairements souhaités demandent des savoir-faire et des moyens techniques de premier plan. Grâce à leurs nombreuses expériences industrielles, à leurs outils de simulation optique de premier plan et à leur laboratoire de photométrie, les experts de PISEO sont en mesure de vous accompagner pour développer de manière fiable et efficace tous types de système lumineux basé sur des guides de lumière.

Uniformité de luminance sur guide lumière

D’un point de vue photométrique, la capacité de ces guides à conduire la lumière permet d’obtenir des luminances élevées sur de grandes surfaces lumineuses. L’uniformité de luminance obtenue est également excellente avec des valeurs supérieures à 80%.

Néanmoins, pour obtenir de tels résultats au meilleur coût, une grande maîtrise de la conception des systèmes optiques est nécessaire.

C’est la combinaison pertinente d’un choix de LED, de leurs points de fonctionnement, de matériaux et de traitements de surfaces dans une architecture adaptée qui permet d’atteindre la qualité attendue.

PISÉO dispose des compétences et des outils pour concevoir, simuler, maquetter, optimiser et caractériser de manière fiable les systèmes lumineux faisant appel aux guides lumière, ainsi que tout autres systèmes utilisant les technologies photoniques.

Pour cela, nous nous appuyons sur :

  • l’expertise de nos ingénieurs (Optique, Systèmes mécatroniques, Matériaux),
  • nos outils de conception et de simulation optique tels que ZEMAX Optic Studio ou LightTools
  • nos outils de calcul propriétaires
  • notre base de données matériaux étendue contenant leurs propriétés optiques caractérisées en laboratoire
  • notre laboratoire de caractérisation accrédité par le COFRAC (portée disponible sous www.cofrac.fr).

Notre caméra de vidéo-luminancemétrie Westboro Photonics P1230U de 12,3 MP et ses objectifs nous permettent, par exemple, de réaliser des mesures de luminance en 2 dimensions rapidement et très précisément. Les niveaux de luminance et les uniformités de toute surface lumineuse sont ainsi caractérisés.

détecter les points chauds sur un guide de lumière
Exemple de cartographie des luminances pour détecter les points chauds sur un guide de lumière – Source PISÉO

Conception et simulation optique de guide de lumière

Les guides de lumière présentent plusieurs avantages : facilité d’intégration, performances optimales avec peu de LED, plus faible consommation énergétique qu’un système multi-LED, facilité de réalisation par usinage ou injection plastique, rendu esthétique particulièrement apprécié par les designers et les architectes.

Cependant, un guide de lumière obéit à des lois physiques optiques qu’il convient de respecter pour en tirer tous les avantages énoncés auparavant.

Principe de fonctionnement optique des guides de lumière
Principe de fonctionnement optique des guides de lumière – Source PISÉO

La première étape du couplage de la source avec le guide est très importante pour éviter les pertes entre la LED et la première face d’entrée. Les caractéristiques de la LED et son point de fonctionnement doivent donc être judicieusement choisies pour en tirer le maximum de flux émis.

Le guidage de la lumière dans la matière est réalisé grâce au phénomène de réflexion totale interne. Selon la matière du guide et son milieu immersif, un angle limite définit si le rayon sera réfléchi ou transmis.

conception guide lumière loi snell descartes
Loi de Snell-Descartes appliquée à la conception de guides de lumière – Source PISÉO

Si cette condition n’est pas respectée, alors le rayon lumineux est extrait. Cela se produit lorsque des courbures sont trop prononcées ou s’il existe des défauts de surface (rugosité, bulles, etc).

A contrario, dans le cas des surfaces diffusante il est souhaitable de perturber le guidage de la lumière. Cela permet d’extraire cette dernière de façon optimale et d’obtenir un rendu lumineux uniforme le long d’un guide. Dans cet objectif, on utilise le phénomène de l’extraction volumique (particules dans la matière) ou celui de l’extraction surfacique (texturation de surface).

Le choix du matériau est également très important. Il doit tenir compte de la longueur du guide, de sa géométrie et des contraintes mécaniques liées à l’usage du produit dans lequel il s’intègre (résistance aux chocs, aux UV…). Nos connaissances étendues des matériaux pour l’optique, notre base de données indépendante contenant de très nombreuses références, ainsi que nos relations privilégiées avec les compounders, nous permettent d’effectuer rapidement des choix de matériaux pertinent qui prennent en compte plusieurs critères tels que l’uniformité, la luminance, la transmittance selon la longueur, la diffusion volumique…).

rendu de pouvoir diffusant d'un matériau
Exemple de rendu de pouvoir diffusant d’un matériau contenu dans la base de données de PISÉO

Nos outils de conception et de simulation optique sont en mesure d’intégrer tous les paramètres évoqués plus haut et ainsi de rendre compte de manière précise des performances atteignables par les solutions optiques à base de guide de lumière développées par les ingénieurs de PISÉO.

SIMULATION OPTIQUE GUIDE
Exemple de simulation de l’éclairement produit par un guide de lumière conçu par PISÉO

Les experts de PISÉO maitrisent totalement ces principes et sont ainsi en mesure de concevoir les architectures optiques adéquates et de simuler leurs performances visuelles avec leurs outils tels que Lighttools ou Zemax OpticStudio.

Mélange de couleurs

Les IHM qui intègrent un guide de lumière nécessitent souvent de pouvoir afficher différentes couleurs. Dans ce cas, leur couplage avec des LED de couleur, discrètes ou « packagées » et contrôlées par une électronique et des algorithmes adéquats, sont un bon moyen de créer une multitude couleurs pour ces dispositifs. Cependant, obtenir des résultats homogènes en couleur sur les surfaces visibles reste un défi. En réalité, seule une architecture optique spécifiquement conçue et soigneusement étudiée, permettant un couplage efficace du flux lumineux des LED et un mélange impeccable des couleurs, est capable de produire un résultat de qualité supérieure.

Les ingénieurs en optique de PISÉO bénéficient d’une longue expérience de la conception de guide de lumière pour le mélange de couleur. Ils savent prendre en compte les contraintes mécaniques et esthétiques des produits et la fabricabilité des composants pour répondre au mieux à vos objectifs.

Prototype de guide de lumière

Grâce à leur réseau de partenaires de confiance, les ingénieurs de PISÉO sont en mesure de faire réaliser des prototypes de guides de lumière pour valider la conception de ces derniers. Comme tous les composants optiques, pour être suffisamment représentatifs, ces prototypes doivent être réalisés avec grand soin. C’est pourquoi PISÉO vous propose de prendre en charge leur réalisation.

Ils sont ensuite intégrés à un système permettant de coupler la ou les sources de lumière, généralement des LED câblées sur des circuits imprimés. L’ensemble rendu fonctionnel est testé dans le laboratoire de PISÉO. Des mesures précises de flux lumineux, de distribution lumineuse d’éclairement, de luminance ou colorimétrique peuvent ainsi être réalisées pour vérifier les performances du prototype.

PROTOTYPE GUIDE LUMIERE
Essai d’un prototype de guide lumière conçu par PISÉO

Si vous souhaitez intégrer des systèmes lumineux à base de guides de lumière performants et qualitatifs à vos produits, comme nos nombreux clients, n’hésitez pas à faire confiance aux ingénieurs en optique de PISÉO.