L’ampoule à incandescence a été l’une des premières applications de l’électricité, et il est difficile de sous-estimer son importance. Mais avant la lumière électrique, les gens ne vivaient pas dans l’obscurité – ils ont pensé à des moyens de rediriger la lumière du soleil pour égayer les espaces intérieurs. Cela a été rendu possible grâce à la compréhension des principes de base de l’optique et au travail de verriers qualifiés qui ont construit des carreaux de prisme, des prismes de pont et des lumières de voûte. Ces techniques centenaires sont encore appliquées aujourd’hui pour la diffusion de LED ou pour augmenter la luminosité des écrans LCD.

La sémantique d’abord!

Les gens dans l’optique sont un peu bâclés quand il s’agit de la définition d’un prisme. Bien que beaucoup d’entre eux ne soient certainement pas des prismes géométriques, Wikipedia le définit comme un élément optique transparent avec des surfaces planes et polies dont au moins une est inclinée. Comme on peut le voir sur les images ci-dessous, certains des prismes ici ne respectent même pas cette définition. En parcourant le catalogue de votre fournisseur d’optiques préféré, vous trouverez une grande variété de prismes utilisés pour réfléchir, inverser, faire pivoter, disperser, diriger et collimater la lumière. Il est important de souligner que nous ne sommes pas tellement intéressés par les prismes dispersifs qui divisent un faisceau de lumière blanche en son spectre de couleurs, bien qu’ils constituent de superbes pochettes d’albums. La propriété importante des prismes dans cet article est leur capacité à rediriger la lumière par réfraction et réflexion.

Un moyen sûr d’apporter la lumière sous le pont

Une collection de lumières de pont utilisées pour diriger la lumière du soleil sous le pont des navires. Crédit: glassian.org

L’une des utilisations les plus importantes de l’éclairage prismatique était à bord des navires. Les flammes nues pourraient avoir des conséquences désastreuses à bord d’un navire en bois, de sorte que des prismes de pont ont été installés pour diriger la lumière du soleil dans les zones situées sous les ponts. Un des premiers brevets pour les luminaires de pont «LA GRANDE ET DURABLE AUGMENTATION DE LA LUMIÈRE PAR LUNETTES ET LAMPES EXTRAORDINAIRES» a été déposé par Edward Wyndus dès 1684. Les prismes de pont avaient des tailles typiques de 10 à 15 centimètres. Le dessus plat a été installé au ras du pont et la lumière du soleil a été réfractée et dirigée vers le bas à partir du point du prisme. En raison de la réversibilité des chemins lumineux («Si je peux vous voir, vous pouvez me voir»), les prismes de pont ont également aidé à repérer les incendies sous le pont.

Faciliter les achats pour les femmes

L’expérience de magasinage au 19ème siècle a été beaucoup améliorée après l’invention des lumières de voûte. Crédit: glassian.org

Au 19e siècle, l’idée de l’éclairage prismatique a été adaptée aux lumières de voûte qui dirigeaient la lumière du soleil dans les voûtes des trottoirs et les sous-sols. Par rapport aux grilles ouvertes, elles offraient non seulement une protection contre la pluie, mais étaient également plus faciles à marcher. Ce dernier était apparemment considéré comme un grand avantage pour les commerçants, en les aidant à rapprocher les femmes de leurs vitrines malgré leurs chaussures peu pratiques.

La lumière de la chaussée en forme de prisme redirige la lumière du soleil grâce à une réflexion interne totale. Crédit: glassian.org

Au début, les couvertures de voûte utilisaient des lentilles rondes plano-convexes ou même simplement des lunettes plates. La forme de prisme qui a été utilisée dans les ponts de navires a été adaptée pour les lumières de voûte seulement plus tard par Edward Hayward en 1871. Ses prismes en verre laissent non seulement passer la lumière, mais la redirigent également latéralement dans la pièce. Les prismes de Hayward étaient basés sur une réflexion interne totale qui se produit lorsque la lumière tente de sortir du verre au-dessus d’un angle critique.

Des carreaux de prisme aux bouteilles de gaz

Finalement, le verre prismatique a également été appliqué aux fenêtres verticales avec beaucoup de succès commercial. Le plus grand joueur du jeu était la Luxfer Prism Company qui a commencé à vendre des tuiles prismatiques en 1897 sur la base d’un brevet antérieur de James G. Pennycuick. Les carreaux Luxfer carrés de 4 pouces de large étaient généralement installés au-dessus des fenêtres de devanture.

Belles tuiles sur une vitrine. Crédit: Luxfer Prism Glass Tile Collector.

La surface intérieure du carreau était recouverte de prismes horizontaux qui redirigeaient la lumière plus profondément dans la pièce que la lumière du soleil n’atteindrait autrement elle-même.

Bien que leur succès commercial ait été interrompu avec la disponibilité d’un éclairage électrique bon marché, les carreaux sont encore visibles dans de nombreuses petites villes des États-Unis. La société Luxfer a survécu en changeant son activité vers les produits métalliques et est désormais le plus grand fabricant mondial de bouteilles en aluminium haute pression pour le stockage de gaz. Les carreaux Luxfer qui contiennent souvent des motifs ornementaux conçus par les principaux architectes de l’époque sont désormais des objets de collection. Frank Lloyd Wright était un booster de haut niveau.

Diffuseurs LED et écrans LCD

Bien que de nos jours l’électricité soit bon marché et que les LED soient super efficaces par rapport aux lampes à incandescence, l’utilisation plus efficace de la lumière du soleil pour l’éclairage intérieur est sans aucun doute un objectif louable, si ce n’est seulement pour un rendu des couleurs supérieur. La version moderne des tuiles prismatiques sont des films de fenêtre redirigeant la lumière du jour. Les films plastiques minces comprennent un motif en dents de scie microstructuré qui réfracte la lumière vers le plafond d’où elle est réfléchie et pénètre plus profondément dans le bâtiment – l’équivalent en plastique mince des carreaux Luxfer. Selon 3M, le film peut économiser jusqu’à 52% sur les coûts d’énergie d’éclairage.

Configuration typique d’un écran LCD et principe de fonctionnement du film prismatique: le rayon I est totalement réfléchi et recyclé par réflexion diffuse, le rayon II est convergé par la réfraction du prisme et le rayon III est recyclé par d’autres prismes. Crédits: Zong Qin

Vous connaissez peut-être déjà les films prims au cas où vous chercheriez un jour des moyens de diffuser des LED. Les plaques de micro-prisme en polystyrène ou en polycarbonate sont une solution courante pour homogénéiser la lumière d’un réseau de LED. De plus, si jamais vous avez détruit un écran LCD, vous aurez remarqué plusieurs feuilles de plastique prises en sandwich sous le verre. Ceux-ci contiennent également des films prismatiques pour améliorer la luminosité de l’écran de rétroéclairage.

Comme le montre l’image, le film prismatique fera converger la lumière vers le spectateur, augmentant ainsi la luminosité sur l’axe tout en limitant en même temps l’angle de vision. Souvent, deux de ces films sont empilés avec une rotation de 90 degrés pour faire converger la lumière dans les plans horizontal et vertical.

Ces films commencent également à apparaître dans les applications d’éclairage LED haut de gamme, et ce n’est probablement qu’une question de temps et de prix avant qu’ils ne deviennent omniprésents. L’ampoule à incandescence a tué le prisme, la LED tue l’incandescence et le prisme est redécouvert. Ce qui est vieux est nouveau!

Les prismes sont en quelque sorte le couteau suisse de l’optique, un outil polyvalent en matière de feux de direction. Même si les techniques de fabrication, les matériaux, les formes et les dimensions ont changé au fil des siècles, la capacité de rediriger la lumière à travers des corps transparents de forme simple trouve encore de nombreuses applications utiles.

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