Optique non imageante
L'optique non imageante, ou optique anidolique, est une branche de l'optique qui cherche à optimiser l'éclairage produit par une source sur une cible sans se préoccuper de former une image de la source. Elle a pour applications principales les panneaux photovoltaïques à concentration et les systèmes d'éclairage. L'optique non imageante a été développée à partir du milieu des années 1960 par trois équipes différentes, en URSS par V. K. Baranov, en Allemagne par Martin Ploke et aux États-Unis par Roland Winston (en), cette dernière ayant abouti à ce que l'optique non imageante est aujourd'hui[1].
Historique
La problématique de l'optique non imageante apparait dès le XVIe siècle pour la conception de phares côtiers plus performants utilisant des miroirs sphériques. À la fin du XVIIIe siècle, Antoine Lavoisier démontre l'intérêt de l'utilisation de miroirs paraboliques pour améliorer la portée des phares[2]. La solution toujours largement utilisée des lentilles de Fresnel est proposée en 1823 par François Arago et Augustin Fresnel[3]. Pour autant la lentille de Fresnel n'est conseillée dans des ouvrages de références pour l'optique non imageante que depuis les années 1970[4].
On considère que l'utilisation systématique d'optique non imageante n'est effective que depuis la deuxième moitié du XXe siècle, alors qu'auparavant la majorité des systèmes étaient conçus empiriquement[5].
Principes fondamentaux
Méthode de la corde
Découlant du principe de Fermat, la méthode de la corde permet de tracer le profil d'un réflecteur maximisant la concentration de flux lumineux[6].
Avec n l'indice optique et L la distance algébrique parcourue par le rayon lumineux.
Facteur de concentration
Le facteur de concentration désigne le rapport entre le flux lumineux sortant et le flux lumineux entrant dans le système optique[7].
La concentration maximale théorique est de 46200[8].
| Facteur de concentration | Construction |
|---|---|
| 0-10000 | Facile à obtenir |
| 10000-20000 | Atteignable |
| 30000-46200 | Difficile à obtenir |
Concentrateurs de lumière
On peut diviser les systèmes concentrateurs de lumière en 2 types[9] :
- Les concentrateurs de lumière à réflecteur fixe et récepteur mobile
- Les concentrateurs de lumière à réflecteurs mobiles et à récepteur fixe
Outils informatiques
Des outils informatiques permettent de modéliser les systèmes afin d'optimiser numériquement l'éclairement reçu par un récepteur depuis une source.
Les principaux logiciels permettant la résolution de problèmes d'optique non imageante sont :
- LightTools (en) créé par la société Synopsys[10] - [11] - [12]. Light Tools a été conçu pour travailler en complément du logiciel Code V[13].
- Fred Optical Engineering Software (en) de la société Photon Engineering[14]
- ZEMAX (en)[11] - [12]
- Advanced Systems Analysis Program (en)[11]
- TracePro (en)[11] - [12]
Applications
Éclairage
Dans le domaine des éclairages à LED, l'utilisation des techniques d'optique non imageante a permis la mise au point de LED de haute luminosité[15].
Éclairage public
Étant donné les nécessités économiques et énergétiques apparues à partir des années 2000 de réduire la consommation électrique[16], la conception des systèmes d'éclairages permettant un éclairement optimal de la route avec un minimum de nuisances lumineuses[17].
Phares de voiture
Les phares de voiture sont une application type d'éclairage où l'optique non imageante est devenue nécessaire en raison de l'importance de plus en plus grande du design[18].
Énergie solaire
La concentration de l'énergie solaire par des miroirs (principalement paraboliques) a été imaginée pour la première fois par Léonard de Vinci en 1515. En 1866, Augustin Mouchot parvient à faire fonctionner une machine à vapeur à l'aide d'un concentrateur solaire parabolique. En 1913, une ferme solaire avec un miroir parabolique de 1233 m² est installée en Égypte[19].
L'un des problèmes rencontrés lors de la création des réflecteurs solaires est le positionnement du tube collecteur d'énergie. En effet, la théorie suppose de placer le tube au contact du réflecteur, ce qui n'est pas souhaitable (cela engendrerait des pertes par dissipation thermique). Afin d'éviter le problème, on laisse un espace entre le réflecteur et le collecteur[20].
Protection solaire
Dans la conception de bâtiments et l'architecture d'intérieurs, l'optique non imageante permet la mise en place de systèmes visant à adapter la luminosité et à réguler la température en fonction des saisons[21]. Différents systèmes sont dès lors envisageables[22] :
Références
- Julio Chaves, Introduction to Nonimaging Optics, CRC Press, 2008, (ISBN 978-1-4200-5429-3)
- Physique Méthodes et exercices PCSI sur Google Livres
- James Lequeux, François Arago, un savant généreux. Physique et astronomie au XIXe siècle, EDP Science 2008, (ISBN 978-2-86883-999-2)
- (en)Nonimaging Fresnel Lenses: Design and Performance of Solar Concentrators sur Google Livres
- (en)Illumination Engineering: Design with Nonimaging Optics sur Google Livres
- Non-imaging optics sur Google Livres
- , Cours de l'université de Californie - 2008
- Fours solaires sur Google Livres
- Fours solaires sur Google Livres
- (en), Spécifications de Light Tools
- « Design software: which package do you need? », sur optics.org, (consulté le )
- John Wallace, « Photonics Products: Lens-design Software: Optical design benefits from interconnected software », sur Laser Focus World, (consulté le )
- (en)Light Tools Core Module User's Guide v7.3 - Synopsys, p1
- (en), Spécifications de FRED Optical Engineering Software
- (en), High-Brightness LED - OSA, 2008
- Eclairer la ville autrement: Innovations et expérimentations en éclairage public sur Google Livres
- Eclairage Public et Maitrise de la Demande en Eletricite sur Google Livres
- , article du journal 20minutes sur la conception de phares chez le sous-traitant Valeo - 2012
- (en)Nonimaging Fresnel Lenses: Design and Performance of Solar Concentrators sur Google Livres
- (en)Nonimaging Optics in Solar Energy sur Google Livres
- Éclairage d'intérieur et ambiances visuelles sur Google Livres
- « Les systèmes anidoliques », sur Energie ; L'efficacité énergétique des bâtiments tertiaires (consulté le )
- « principe de fonctionnement d'un dispositif anidolique d'éclairage naturel », sur EPFL (consulté le )
- « Eclairer naturellement des locaux semi-enterrés », sur Fabrique d'Architectures Innovantes et Responsables (fair) (consulté le )
- Sigrid Reiter et André De Herde, L' éclairage naturel des bâtiments, vol. 1, Presses univ. de Louvain, , 265 p. (ISBN 2930344571, lire en ligne), p. 109