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Les premiers systèmes de réflecteurs commerciaux ont été brevetés et commercialisés dans les années 1850 par Paul Emile Chappuis à Londres, utilisant diverses configurations de miroirs inclinés . La production des réflecteurs de Chappuis Ltd s'est poursuivie sans interruption jusqu'à la destruction de l'usine en 1943. Le concept a été redécouvert et breveté en 1986 par Solatube International en Australie. Ce système est largement commercialisé pour des applications résidentielles et commerciales. D'autres produits d'éclairage naturel sont disponibles sur le marché sous différentes appellations génériques, telles que « SunScope », « conduit solaire », « tube de lumière » et « puits de lumière tubulaire ».
Un tube revêtu d' un matériau hautement réfléchissant achemine les rayons lumineux à travers un bâtiment, à partir d'un point d'entrée situé sur son toit ou sur l'un de ses murs extérieurs. Un tube lumineux n'est pas conçu pour la formation d'images (contrairement à un périscope , par exemple) ; les distorsions d'image ne posent donc aucun problème et sont même, à bien des égards, favorisées par la réduction de la directivité de la lumière.
Le point d'entrée est généralement constitué d'un dôme ( coupole ) dont la fonction est de capter et de réfléchir un maximum de lumière solaire dans le tube. De nombreux appareils sont également équipés de collecteurs directionnels, de réflecteurs, voire de lentilles de Fresnel , qui contribuent à capter davantage de lumière directionnelle à l'intérieur du tube.
En 1994, le groupe « Fenêtres et éclairage naturel » du Laboratoire national Lawrence Berkeley (LBNL) a mis au point une série de prototypes de conduits de lumière horizontaux afin d’accroître l’éclairement naturel à des distances de 4,6 à 9,1 m, et d’améliorer l’uniformité de la distribution de la lumière naturelle et le gradient de luminance dans la pièce, quelles que soient les conditions d’ensoleillement et de ciel, tout au long de l’année. Ces conduits de lumière étaient conçus pour transporter passivement la lumière naturelle à travers des surfaces vitrées d’entrée relativement petites, en réfléchissant la lumière du soleil à des profondeurs supérieures à celles des fenêtres latérales ou des puits de lumière classiques.
Un dispositif a été mis au point à l'Université de technologie du Queensland à Brisbane. Ce dispositif consiste en un panneau acrylique découpé au laser qui redirige la lumière du soleil vers un conduit réfléchissant orienté horizontalement ou verticalement. Il est associé à un système de diffusion de la lumière composé de panneaux découpés au laser disposés en triangle et répartissant la lumière dans la pièce . En 2003, Veronica Garcia Hansen, Ken Yeang et Ian Edmonds ont reçu le prix de l'innovation Far East Economic Review (bronze) pour cette invention.
L’efficacité de transmission de la lumière est maximale pour un tube court et droit. Dans les tubes plus longs, coudés ou flexibles, une partie de l’intensité lumineuse est perdue. Pour minimiser ces pertes, une réflectivité élevée du revêtement du tube est essentielle ; les fabricants annoncent des réflectivités pour leurs matériaux, dans le spectre visible, pouvant atteindre près de 99,5 %.
Au point d'utilisation, un diffuseur répartit la lumière dans la pièce.
Les premiers guides de lumière horizontaux passifs à grande échelle ont été construits au Laboratoire de lumière du jour de l' Université Texas A&M , où leurs performances annuelles en matière d'éclairage naturel ont été évaluées de manière approfondie dans une salle rotative à 360° de 6 m de large sur 10 m de profondeur. Le guide est revêtu d'un film réfléchissant spéculaire à 99,3 % et l'élément de distribution à son extrémité est constitué d'un film diffusant radial de 4,6 m de long présentant une transmittance visible de 87 %. Le guide de lumière génère des niveaux d'éclairement constants compris entre 300 et 2 500 lux tout au long de l'année, à des distances comprises entre 7,6 m et 10 m.
Pour optimiser davantage l'utilisation de la lumière solaire, un héliostat peut être installé. Ce dispositif suit la course du soleil et dirige ainsi la lumière solaire vers le tube de lumière à tout moment de la journée, dans la limite des contraintes environnementales, éventuellement complétée par des miroirs ou autres éléments réfléchissants modifiant le trajet de la lumière. L'héliostat peut également être réglé pour capter la lumière de la lune la nuit.
Fibre optique
Les fibres optiques peuvent également être utilisées pour l'éclairage naturel. Un système d'éclairage solaire basé sur des fibres optiques en plastique était en cours de développement au Laboratoire national d'Oak Ridge en 2004. Ce système a été installé au Musée américain des sciences et de l'énergie, dans le Tennessee (États-Unis), en 2005, et commercialisé la même année par la société Sunlight Direct. Cependant, sa commercialisation a été arrêtée en 2009.
Compte tenu du diamètre généralement réduit des fibres, un système d'éclairage naturel efficace nécessite un collecteur parabolique pour suivre la course du soleil et concentrer sa lumière. Les fibres optiques destinées au transport de la lumière doivent propager le maximum de lumière possible dans leur cœur ; en revanche, les fibres optiques destinées à la distribution de la lumière sont conçues pour laisser passer une partie de la lumière à travers leur gaine.
Les fibres optiques sont également utilisées dans le système Bjork commercialisé par Parans Solar Lighting AB. Les fibres optiques de ce système sont en PMMA ( polyméthacrylate de méthyle ) et gainées de Megolon, une résine thermoplastique sans halogène. Un tel système est cependant assez coûteux.
Le système Parans se compose de trois éléments : un collecteur, des câbles à fibres optiques et des luminaires diffusant la lumière à l’intérieur du bâtiment. Un ou plusieurs collecteurs sont placés sur ou à proximité du bâtiment, à un endroit bénéficiant d’un ensoleillement direct optimal. Le collecteur est constitué de lentilles montées sur des profilés en aluminium et protégées par un verre. Ces lentilles concentrent la lumière du soleil vers les câbles à fibres optiques.
Les capteurs sont modulaires et peuvent être équipés de 4, 6, 8, 12 ou 20 câbles selon les besoins. Chaque câble peut avoir une longueur personnalisée. Les fibres optiques transportent la lumière naturelle sur 100 mètres (30 étages) à travers le bâtiment, tout en préservant une qualité et une intensité lumineuses optimales. L'aéroport de Kastrup , l'université d'Arizona et l'université de Stockholm en sont des exemples d'installations .
Un système similaire, mais utilisant des fibres optiques en verre, avait déjà été étudié au Japon.
Corning Inc. fabrique la fibre optique diffusante Fibrance. Le principe de Fibrance repose sur la projection d'un faisceau laser à travers un câble à fibre optique diffusant la lumière. Ce câble émet alors une lueur.
Les fibres optiques sont utilisées dans les fibroscopes pour des applications d'imagerie.
guides de lumière creux transparents
Un Université de Colombie-Britannique [ , et a été utilisé dans l'éclairage solaire pour le transport et la distribution de la lumière . Un grand conduit solaire basé sur le même principe a été installé dans l'étroite cour intérieure d'un immeuble de 14 étages abritant un cabinet d'avocats à Washington, D.C., en 2001 , et une proposition similaire a été faite pour Londres . Un autre système a été installé à Berlin
La société 3M a développé un système basé sur un film d'éclairage optique et a développé le guide de lumière 3M, qui est un guide de lumière conçu pour distribuer la lumière uniformément sur sa longueur, avec un film mince incorporant des prismes microscopiques, qui a été commercialisé en relation avec des sources de lumière artificielle, par exemple des lampes à soufre .
Contrairement à une fibre optique qui possède un cœur solide, un guide de lumière prismatique conduit la lumière à travers l'air et est donc appelé guide de lumière creux.
Le projet ARTHELIO, partiellement financé par la Commission européenne , était une étude menée de 1998 à 2000 sur un système de mélange adaptatif de lumière solaire et artificielle, et qui comprend une lampe à soufre , un héliostat et des guides de lumière creux pour le transport et la distribution de la lumière.
Disney a expérimenté l'utilisation de l'impression 3D pour imprimer des guides de lumière internes pour des jouets lumineux.
Système basé sur la fluorescence
Dans un système développé par Fluorosolar et l' Université de Technologie de Sydney , deux couches de polymères fluorescents intégrées à un panneau plat captent les ondes courtes de la lumière solaire, notamment les ultraviolets , et génèrent respectivement de la lumière rouge et verte, qui est ensuite dirigée vers l'intérieur d'un bâtiment. Là, ces lumières sont mélangées à de la lumière bleue artificielle pour produire de la lumière blanche, exempte d'infrarouges et d'ultraviolets. Ce système, qui capte la lumière sans nécessiter d'éléments mobiles tels qu'un héliostat ou un collecteur parabolique, est conçu pour diffuser la lumière vers n'importe quel point d'un bâtiment. Grâce à sa capacité à capter les ultraviolets, le système peut s'avérer particulièrement efficace par temps ensoleillé mais couvert, car les ultraviolets sont moins atténués par la couverture nuageuse que les composantes visibles de la lumière solaire.
Propriétés et applications
systèmes d'éclairage solaires et hybrides
Les conduits de lumière solaire, comparés aux puits de lumière classiques et autres fenêtres, offrent de meilleures propriétés d'isolation thermique et une plus grande flexibilité d'utilisation dans les pièces intérieures, mais un contact visuel moindre avec l'environnement extérieur.
Dans le contexte du trouble affectif saisonnier , il peut être judicieux d'envisager l'installation de tubes lumineux supplémentaires afin d'accroître l'exposition quotidienne à la lumière naturelle. Cela pourrait ainsi contribuer au bien-être des résidents ou des employés tout en évitant les effets d'un éclairage excessif .
Comparativement aux éclairages artificiels , les tubes lumineux présentent l'avantage de fournir une lumière naturelle et de permettre des économies d'énergie. La lumière transmise varie au cours de la journée ; si cela n'est pas souhaité, les tubes lumineux peuvent être associés à un éclairage artificiel dans une configuration hybride .
Certaines sources de lumière artificielle commercialisées présentent un spectre similaire à celui de la lumière solaire, du moins dans le spectre visible par l'œil humain , ainsi qu'un faible scintillement . Leur spectre peut être modulé dynamiquement afin d'imiter les variations de la lumière naturelle au cours de la journée. Les fabricants et vendeurs de ces sources lumineuses affirment que leurs produits procurent des effets sur la santé identiques ou similaires à ceux de la lumière naturelle . Considérés comme des alternatives aux conduits de lumière solaire, ces produits peuvent présenter des coûts d'installation inférieurs, mais consomment de l'énergie lors de leur utilisation ; ils peuvent donc s'avérer plus énergivores en termes de ressources énergétiques et de coûts globaux.
D'un point de vue plus pratique, les tubes lumineux ne nécessitent ni installation électrique ni isolation et sont donc particulièrement adaptés aux pièces humides intérieures comme les salles de bains et les piscines. Sur le plan artistique, les développements récents, notamment ceux concernant les tubes lumineux transparents, ouvrent de nouvelles perspectives intéressantes pour la conception d'éclairage architectural .
Applications de sécurité
Grâce à leur taille réduite et à leur fort flux lumineux, les conduits de lumière naturelle sont parfaitement adaptés aux situations à risque, comme les prisons , les cellules de police et autres lieux à accès restreint. Leur faible diamètre et leur faible impact sur les grilles de sécurité internes permettent d'éclairer des zones sans raccordement électrique ni issue de secours, et sans autoriser l'introduction d'objets dans une zone sécurisée.
Dans les appareils électroniques
Les guides de lumière, comme on les appelle dans l'industrie électronique, sont couramment utilisés pour diriger la lumière dans les appareils électroniques.
Les configurations des guides de lumière peuvent varier considérablement, allant de simples tiges préfabriquées coupées à la longueur voulue à des formes moulées ou usinées sur mesure très complexes. Ils sont généralement fabriqués à partir de fibres optiques en acrylique ou en polycarbonate , ou de polymères acryliques ou polycarbonates transparents. D'autres plastiques transparents sont parfois utilisés. La source lumineuse peut provenir de LED sur une carte de circuit imprimé ou à un autre emplacement interne, ou encore de symboles ou boutons indicateurs situés à l'extérieur du boîtier.
Different colors of light can be displayed in several ways. Tinting the light pipe material, using a colored light pipe lens, or using a single color LED, are used to produce a permanent single color. Multiple colors can be displayed by using a clear light pipe with an RGB, RGBW, or RGBWW LED. Older designs have used two or more individual color LEDs routed from the indicator on the display panel to the same light pipe.
The configuration of these light pipes can vary greatly. Simpler light pipes designs may be made from a straight, cylindrical rod, or may be bent with multiple gentle curves preserving the smooth uniform shape of the cylinder walls. Alternatively a flexible optical fiber light pipe may be used. Complex designs of molded or machined configurations, commonly take on a highly elaborate shape that uses either gentle curving bends as in an optic fiber or has sharp prismatic folds which reflect off the angled corners. Multiple light pipes are often molded or machined from a single piece of plastic, permitting easy device assembly since the long thin light pipes are all part of a single rigid component that snaps into place.
Light pipe indicators make electronics cheaper to manufacture since the old way would be to mount a tiny lamp into a small socket directly behind the spot to be illuminated. This often requires extensive hand labor for installation and wiring. Light pipes permit all lights to be mounted on a single flat circuit board, but illumination can be directed up, and away from the board wherever it is required.
In popular culture
- The video game franchise Portal uses light tubes to bring sunlight to the underground facility of Aperture Science to convert into hard light.
- In Neon Genesis Evangelion light tubes allow the subterranean geofront to receive sunlight.