Technologie et applications des guides de lumière
Les guides de lumière peuvent sembler simples, mais ils jouent un rôle essentiel dans la conception des équipements électroniques ; leur utilisation permet de simplifier le tracé des circuits imprimés, de faciliter le travail des ingénieurs en ergonomie et d'obtenir une conception plus compacte.
Cet article abordera le fonctionnement des conduits de lumière, la technologie sur laquelle ils reposent, les principes physiques sous-jacents, ainsi que les choix et les options qui s'offrent au concepteur d'équipements.
Table des matières
Un guide de lumière est une tige en plastique transparent solide ou une fibre optique servant à acheminer la lumière d'une LED montée sur une carte vers un autre emplacement où elle peut être facilement observée, comme le panneau de voyants d'un module électronique.
Ils offrent plusieurs avantages, notamment une indication claire de l'état de fonctionnement et une conception ergonomique simplifiée. Le trajet optique non conducteur ne nécessite ni soudure ni raccordement par sertissage, ce qui élimine tout risque de court-circuit dû à des fils pincés ; aucune soudure ni aucun raccordement par sertissage n'est nécessaire.
Les guides de lumière constituent des composants essentiels dans de nombreuses applications électroniques modernes. L'utilisation d'un guide de lumière représente une solution économique permettant d'éliminer bon nombre des étapes qui seraient autrement nécessaires pour acheminer la lumière d'un endroit à un autre.
Les conduits de lumière trouvent des applications dans divers secteurs industriels.
En fonction de l'équipement et de la conception de l'interface utilisateur d'un appareil, un produit peut nécessiter plusieurs indicateurs, voire un grand nombre d'entre eux. Pour les conceptions nécessitant plusieurs indicateurs, les conducteurs de lumière constituent une solution idéale en raison de leur faible coût, de leur excellente communication visuelle et de leur flexibilité de conception.
Santé
Dans le secteur de la santé, les solutions d'indication et d'éclairage par LED permettent la conception d'interfaces homme-machine (IHM) essentielles dans toute une série d'applications de technologie médicale.
Les applications médicales des guides de lumière comprennent notamment :
- Technologies pour la vie connectée
- Dispositifs médicaux à usage unique
- Appareils médicaux connectés
- Interface homme-machine dans le domaine médical
Automatisation et contrôle industriels
Les conduits de lumière contribuent à garantir la sécurité, la fiabilité et la conformité dans des environnements difficiles, tels que ceux rencontrés dans les opérations industrielles. Les technologies intégrées d'indication et d'éclairage améliorent la surveillance des ateliers de production afin de protéger les équipements contre les conditions dangereuses.
Parmi les applications industrielles, on peut citer
- Commandes de machines industrielles
- Usines numériques
- Industrie 4.0
- Bâtiments intelligents
Véhicules électriques, conduite autonome et secteur automobile, transports
Les guides de lumière répondent aux exigences en matière d'indication et d'éclairage par LED de ce marché en pleine expansion, qui englobe les véhicules électriques et leurs infrastructures de recharge, ainsi que les moyens de transport non automobiles.
Les applications dans le domaine des transports comprennent :
- Véhicules électriques
- Véhicules autonomes
- Transports connectés
- Mobilité hybride et électrique
Énergies renouvelables
Les conduits optiques garantissent un fonctionnement fiable dans les conditions les plus difficiles. L'exposition à l'eau, aux températures extrêmes et aux vibrations exige que la conception des produits soit conforme aux normes ISO strictes.
Les conduites de lumière sont utilisées dans de nombreux domaines :
- Énergie éolienne
- Énergie solaire
- Exploitation des serres
- Agriculture
Communications
Dans le cadre du développement des infrastructures qui favorisent la connectivité mondiale, les guides de lumière acheminent la lumière à travers des systèmes complexes : des serveurs et de l'informatique en périphérie aux centres de données et aux infrastructures 5G.
Voici quelques exemples d'applications dans le domaine de la communication :
- Centres de données
- Informatique en nuage
- Stockage
- 5G/IoT
Un guide de lumière est placé tout près d'une source lumineuse LED à l'une des extrémités d'un circuit imprimé. Ses matériaux de qualité optique permettent de diriger les rayons lumineux vers la destination souhaitée, généralement l'interface utilisateur d'un appareil. Les guides de lumière transmettent environ 80 à 90 % de la lumière émise par la source LED, en fonction de leur conception et de leur espacement. Plus les guides de lumière sont proches de la ou des LED, plus ils transfèrent efficacement la lumière. Bien entendu, le ou les guides de lumière utilisés devront être adaptés à la quantité de chaleur produite par la ou les LED ou la source lumineuse ; il s’agit donc d’un critère de conception qui peut déterminer la distance minimale admissible entre le guide de lumière et la source lumineuse.
Indice de réfraction : l'importance du milieu
La lumière ne se comporte pas toujours de la même manière, ce qui rend la conception des guides d'onde d'autant plus complexe. Pourquoi ?
Retournons en cours de physique pour découvrir le phénomène de la réfraction.
Réfraction est défini comme le changement de direction d'une onde lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre ou lorsqu'elle rencontre un changement progressif au sein du milieu lui-même.
Ainsi, outre toutes les autres variables qui entrent en ligne de compte dans la conception d'un guide de lumière (taille, forme, luminosité, distance par rapport à la LED, angle de vision et matériau utilisé, pour n'en citer que quelques-unes), les concepteurs doivent également tenir compte de l'indice de réfraction.
L'indice de réfraction sert à déterminer la vitesse à laquelle la lumière se propage dans un milieu.
Calculée selon la formule n = c/v, où c est la vitesse de la lumière et v la vitesse de la lumière dans ce milieu spécifique.
Ce chiffre indique dans quelle mesure la lumière est déviée ou réfractée lorsqu'elle entre en contact avec le milieu. Il permet également de calculer la quantité de lumière réfléchie lorsque celle-ci atteint le milieu.
Dans le vide, l'indice de réfraction de la lumière est égal à 1,0. Cependant, comme personne ne conçoit de guides de lumière destinés à être utilisés dans ce type de vide, il convient de prendre en compte des facteurs supplémentaires afin d'optimiser leurs performances.
De plus, toute valeur supérieure à 1,0 indique que sa vitesse est inférieure à celle qu'elle aurait dans le vide.
Indices de réfraction :
Air, le taux est de 1,003
Eau, le taux est de 1,33
Acrylique, qui est le matériau dont sont composés la plupart des guides de lumière — il est d'environ 1,49.
L'indice de réfraction n'est pas le seul paramètre à prendre en compte lorsqu'il s'agit de déterminer comment une surface interagit avec la lumière.
Il y a aussi réflexion interne totale (TIR), c'est-à-dire l'angle sous lequel la lumière est réfléchie lorsqu'aucune partie de celle-ci ne traverse la surface pour en sortir, mais qu'elle est réfléchie d'une surface à une autre où elle devient visible.
Source : https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
La réflexion interne totale (TIR) est un phénomène qui se produit lorsque l'angle d'incidence est supérieur à un certain angle limite, appelé angle critique.
Pourquoi le TIR est-il important dans la conception des guides de lumière ?
On utilise souvent des guides de lumière pour diriger la lumière dans les angles. Pour s'assurer que la lumière se réfracte selon l'angle critique et parvienne au point d'arrivée avec une efficacité maximale, il est essentiel de bien comprendre l'angle critique des différents matériaux.
Pour le polycarbonate transparent, l'angle critique est de 39, et pour l'acrylique, il est de 42.
Comprendre comment la lumière se comporte dans différents scénarios permettra d'optimiser les performances des conduits de lumière.
Par exemple, dans le cas d'un guide de lumière à angle droit, voici comment la technologie TIR influencerait les caractéristiques techniques :
Lorsqu'on conçoit des conduits de lumière, la plupart des gens partent du principe que la lumière se comporte comme un courant électrique et ne tiennent pas compte de la réflexion interne totale (TIR).
La lumière présentant des propriétés uniques, la conception d’un guide de lumière tel que celui illustré ci-dessus, à angle droit, entraînera une perte de lumière importante au niveau de l’angle critique de réflexion (TIR). Pour éviter cette perte de lumière, il convient d’intégrer l’angle critique afin de créer une géométrie permettant de guider la lumière autour de cet angle sans qu’elle ne s’échappe. Ce principe s'applique également aux guides de lumière à angles arrondis (ou à toute autre géométrie prévue dans votre conception).
On utilise généralement deux types de conduits optiques : les conduits rigides et les conduits flexibles.
Un conduit de lumière rigide est conçu pour acheminer la lumière sur de courtes distances dans des conditions de vibrations modérées à élevées et dans des environnements humides ou poussiéreux. Les conduits de lumière rigides sont disponibles dans de nombreuses configurations, notamment verticales, à angle droit et à plusieurs niveaux, et sont conçus pour des distances allant jusqu'à 3 pouces. Un conduit de lumière rigide est fabriqué en polycarbonate.
Les conduits de lumière rigides sont disponibles dans de nombreuses configurations, notamment droites, à angle droit, en une seule unité ou en plusieurs unités, empilées ou disposées verticalement. Les conduits de lumière rigides dotés d'un système de fixation fileté robuste conforme à la norme IP67 offrent une protection maximale contre la pénétration de liquides et de poussière. Des solutions complètes sont disponibles, comprenant le guide de lumière, la LED et un adaptateur pour montage en surface.
Dans l'ensemble, les guides de lumière rigides constituent un moyen économique d'acheminer la lumière d'une LED vers la zone d'affichage du panneau avant lorsqu'un accès direct est possible.
Un conduit de lumière flexible est privilégié lorsque la lumière doit être acheminée sur de longues distances ou contourner des obstacles entre la LED et un panneau avant ou tout autre emplacement d'affichage. Un ensemble de guide de lumière flexible se compose d'un adaptateur, qui réduit voire élimine toute fuite de lumière, et d'une fibre optique flexible munie d'un capuchon de lentille. Les guides de lumière flexibles sont insensibles aux interférences électromagnétiques (EMI) et ne conduisent ni ne transmettent les impulsions de décharge électrostatique (ESD).
Les guides de lumière flexibles sont plus complexes et plus coûteux que les guides de lumière rigides ; ils permettent aux ingénieurs de surmonter les problèmes d'accessibilité en leur offrant la flexibilité nécessaire pour contourner les composants du circuit imprimé (PCB) qui empêchent un accès en ligne droite à la zone d'affichage sur le panneau avant.
La figure 5 présente les différents éléments d'un guide de lumière flexible. Ces composants comprennent la LED située au point A ; un adaptateur SMD-22 qui empêche toute fuite de lumière vers un guide adjacent ; une fibre optique en plastique (POF) ; et un capuchon de lentille situé au point B, qui est collé à la POF.
Les guides de lumière flexibles facilitent l’ajout d’indicateurs supplémentaires ou le remplacement d’un ensemble endommagé, car le capuchon de lentille situé au point B peut se trouver jusqu’à 330 pieds de la source lumineuse LED située au point A. Le guide de lumière et la lentille occupent beaucoup moins d’espace près de la face du panneau que la LED et ses circuits. Si un ingénieur en ergonomie estime qu’un indicateur supplémentaire est nécessaire et que l’espace est limité, il est possible d’éviter une refonte majeure du design en ajoutant cet indicateur à l’aide d’un adaptateur flexible relié à une autre LED pouvant se trouver à un emplacement totalement différent de la première. La combinaison du temps de conception et de l’espace de conception améliore considérablement la maîtrise des coûts dans divers secteurs et applications. Les cinq couleurs différentes de gaine des POF facilitent l’installation et l’identification visuelle sur le terrain par les techniciens, tout en clarifiant les références dans les manuels d’utilisation.
Les conduits de lumière rigides et flexibles vous offrent deux options distinctes. Chacune présente des avantages et des inconvénients. Voici quelques conseils pour vous aider à faire le bon choix.
Considérons un Conducteur de lumière rigide si ces paramètres s'appliquent à votre projet :
- La lumière n'a qu'à parcourir une courte distance
- Le faible coût est une priorité absolue
- Le circuit imprimé est situé à proximité du panneau avant et est facilement accessible.
Envisagez d'utiliser un Conducteur de lumière flexible si :
- La lumière doit parcourir une longue distance
- La conception de l'équipement ne permet pas d'établir un trajet direct entre la LED et la lentille d'affichage
- Il est possible que d'autres indicateurs doivent être ajoutés ultérieurement.
- La conception tenant compte des facteurs humains n'est pas encore finalisée.
- Le flux lumineux de la LED doit traverser un environnement à fortes interférences électromagnétiques avant d'atteindre le cache-objectif
L'ingénieur concepteur doit accorder une attention particulière à l'association entre le guide de lumière et la LED afin de minimiser les pertes de lumière et de garantir des performances optimales. La LED doit être parfaitement adaptée à l'entrée du guide de lumière pour permettre une captation optimale de la lumière avec un minimum de pertes.
Bien sûr, la position du conduit de lumière peut influencer les propriétés de la lumière. Pour minimiser les pertes de lumière, la règle générale consiste à utiliser une LED présentant un angle de vision étroit (160 degrés ou moins) et à placer le conduit de lumière et la LED à une distance maximale de 0,05” l’un de l’autre. Mais pour obtenir le produit le mieux adapté à votre conception, il ne suffit pas de cela. C’est là que les simulations d’éclairage entrent en jeu. Contactez notre équipe pour réaliser une simulation et déterminer le guide de lumière idéal pour votre conception. Et n’oubliez pas les contraintes liées au type de guide de lumière que vous utilisez : Contraintes de conception des conduits de lumière rigides Impossible de plier. Limites de longueur : Ajustement serré : 1,20 pouces ; Sur mesure : 1,5 pouces ; Standard : jusqu’à 2 pouces (versions plus courtes disponibles) Contraintes de conception des guides de lumière flexibles Se plie jusqu'à 30 degrés
Position du conduit optique
La fuite lumineuse se produit lorsque la lumière émise par la LED est visible autour de celle-ci et de la zone du guide de lumière. Elle entraîne des lectures erronées, des couleurs atténuées et mélangées, une diaphonie entre les guides de lumière adjacents et une lueur indésirable à l’intérieur du boîtier. Lorsqu’un guide de lumière rigide est placé au-dessus de la LED, il laisse passer une certaine quantité de lumière à sa base. Un guide de lumière flexible est conçu pour réduire la fuite de lumière grâce à une fibre optique revêtue et à un adaptateur noir résistant à la lumière.
C'est lorsque le concepteur a le choix entre concevoir à partir de composants individuels (LED et guide de lumière) ou utiliser une solution complète intégrant ces deux éléments que la flexibilité est maximale.
Les conduits de lumière sont conçus pour acheminer la lumière du point A au point B de la manière la plus efficace possible.
Point A: Emplacement de l'entrée ou de la source lumineuse. Dans la plupart des cas, il s'agit d'une LED à montage en surface (SMD).
Point B : La surface de sortie, c'est-à-dire l'endroit où l'utilisateur final perçoit la lumière au niveau de l'interface ou du panneau d'affichage de l'appareil.
La perte de lumière, ou « fuite de lumière », se produit lorsqu'une partie de la lumière se déplaçant d'un point A vers un point B s'échappe ou est diffusée ailleurs, ce qui réduit la quantité de lumière disponible au point de sortie.
Perte de luminosité
Plus de lumière
Pour réduire au minimum les pertes de lumière, les concepteurs peuvent utiliser une LED à angle de vision étroit plutôt qu’une LED à angle de vision large, afin de réduire la distance entre le guide de lumière et la LED, distance pendant laquelle la lumière pourrait s’échapper. Plus l’écart entre le guide de lumière et la LED est important, plus la lumière a de chances de s’échapper avant d’entrer dans le guide de lumière et d’atteindre le point de sortie.
Remarque : Il y aura toujours une partie de la lumière qui se perdra entre l'emplacement de la LED et le point de sortie où l'utilisateur final perçoit la lumière.
Quel que soit le type de conduit de lumière choisi, il existe de nombreuses options permettant d'optimiser la conception.
Une LED à montage en surface (SMD) est fixée à la surface du circuit imprimé et ne nécessite pas de trous. Les LED à montage traversant sont montées en insérant leurs broches à travers le circuit imprimé et en les soudant, ce qui permet d’obtenir une connexion plus solide entre les couches et de résister à certaines contraintes environnementales. Une LED SMD est généralement plus petite et plus lumineuse que son équivalent à montage traversant. Les LED à montage traversant et les LED SMD sont toutes deux disponibles dans une large gamme de tailles, de couleurs, de luminosités et de puissances réduites.
Couleur de la LED. Les LED SMD et à montage traversant sont disponibles dans une large gamme de couleurs unies. Les LED SMD offrent des options supplémentaires, notamment en blanc ou en version monochrome, bicolore et tricolore, dans une multitude de configurations de couleurs. Des adaptateurs pour guides de lumière sont disponibles pour les deux types de LED. De plus, le concepteur peut choisir un adaptateur avec une LED intégrée ou un adaptateur destiné à être utilisé avec une LED séparée.
Taille des LED. Les LED à montage en surface respectent les dimensions standard de l'industrie, tandis que celles à montage traversant sont exprimées en millimètres (1,8 mm, 3 mm, 5 mm). Par exemple, un boîtier 0402 (SM0402) correspond à des dimensions approximatives (longueur × largeur) d'environ 0,4 mm de long sur 0,2 mm de large.
Intensité des LED. Le flux lumineux (intensité lumineuse) des LED SMD et des LED à montage traversant est généralement mesuré en millicandelas (mcd) ou en lumens (lm). Plus la valeur en mcd ou en lm est élevée, plus l'intensité lumineuse est forte.
La lentille est montée ou moulée à l'extrémité du guide de lumière ; elle sert d'indicateur visuel pratique et protège également le guide de lumière contre les chocs mécaniques. Voici quelques paramètres de la lentille :
Profil de l'objectif. Une lentille de Fresnel est conçue pour focaliser la lumière ; elle permet de réduire les ombres et l'éblouissement, tout en offrant un angle de vision large. On utilise également des lentilles simples à profil plat ou des lentilles en dôme pour élargir l'angle de vision.
Couleur des verres. Selon le modèle, des verres diffusants, fumés et de différentes couleurs (bleu, noir, vert, gris, rouge, jaune) sont disponibles.
Taille et forme des verres. Les lentilles sont disponibles dans différentes tailles, notamment dans des diamètres de 2 mm, 3 mm, 4 mm et 5 mm. Elles se déclinent en formes rondes, ovales et rectangulaires.
Dans de nombreux secteurs, les équipements doivent fonctionner dans des environnements difficiles où il est essentiel que le cache-objectif soit correctement étanchéifié contre les intempéries grâce à un système adapté. Indice de protection IP. L'indice IP d'un cache-objectif indique le niveau de protection qu'il offre contre la pénétration de corps solides, notamment la poussière, et de liquides, notamment l'humidité ou l'eau. Un indice IP s'exprime sous la forme “ IPXY ”, où X et Y sont des valeurs numériques.
Le premier chiffre d'un indice IP indique le niveau de protection contre la pénétration d'objets solides : de IP0x (aucune protection) à IP6x (protection totale contre la poussière). Le deuxième chiffre fait référence à la protection contre les liquides : de IPx0 (aucune protection) à IPx9 (protection contre les jets d'eau).
La conception d'un conduit de lumière ne se limite pas à la LED, au conduit et à la lentille. Des composants supplémentaires sont nécessaires pour constituer un système complet, et il existe plusieurs options pour chacun d'entre eux.
Il existe différentes options de fixation pour les conduits de lumière, en fonction de votre application et de vos exigences de fabrication.
Si les modèles souples et rigides étaient les seules options disponibles, vos possibilités seraient peut-être limitées. Les conduits de lumière sont conçus pour s'adapter à un large éventail de types de fixation.
Outre le choix entre un modèle rigide et un modèle flexible, plusieurs autres éléments doivent être pris en compte lors du choix d'un guide de lumière pour votre conception. Votre source d'alimentation et l'encombrement global de votre conception peuvent déterminer le type de fixation à utiliser avec votre guide de lumière.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
