1.3.1 Les cristaux liquides et la biréfringence
Les cristaux liquides sont une substance qui est dans une phase intermédiaire entre le liquide et le solide. Un guide explicatif de l'université de Cambridge résume bien le sujet [50]. Ils se caractérisent par leur apparence en forme de bâtonnets au niveau moléculaire. Puisqu'ils sont à un état intermédiaire entre un état liquide et solide, les cristaux liquides possèdent aussi des propriétés intermédiaires entre un solide et un liquide. Puisque la phase des matériaux dépend principalement de la température, les substances dans la phase de cristaux liquides ont des propriétés qui varient grandement en fonction de la température. On classe les cristaux liquides dans deux grandes catégories, les thermotropes et les lyothropes. Les propriétés des thermo- tropes changent en fonction de la température tandis que les lyothropes ont des propriétés en fonction du solvant que l'on ajoute à la substance pour former les cristaux liquides. Dans notre cas, on s'intéresse principalement à la classe thermotropes. Cette classe est caractérisée par une grande variation des propriétés des cristaux liquides en fonction de la température. Par exemple, plus la température sera basse, plus les cristaux liquides se comporteront comme un solide et plus la température sera haute, plus les cristaux liquides se comporteront comme un liquide. A n de bien démêler les propriétés des cristaux liquides thermotropes en fonction de la température, on distingue plusieurs mésophases qui correspondent à diérente gamme de température. La gure 1.9montre les mésophases les plus courantes des cristaux liquides.
Figure 1.9 Diérentes mésophases des cristaux liquides [52]
La mésophase nématique est la phase où les cristaux liquides se rapprochent le plus des liquides. Les molécules en forme de bâtonnet sont distribuées aléatoirement dans la substance, propriété caractéristique des liquides. Cependant, les bâtonnets ont tendance à maintenir une direction préférentielle malgré leur dispersion, propriété propre au solide. Sur la gure 1.9, l'image de gauche montre bien la distribution aléatoire des molécules de cristaux liquides avec la direction
préférentielle. La mésophase smectique est celle de l'image au centre de la gure 1.9. Dans cette mésophase, les molécules des cristaux liquides sont orientées vers la même direction comme dans la phase nématique, mais les molécules ne sont pas distribuées aléatoirement. Elles sont divisées dans des couches subséquentes ce qui démontre un ordre plus élevé dans la substance, caractéristique se rapprochant d'un solide. La mésophase cholestérique est en faite une phase particulière de la phase smectique dans certaines substances de cristaux liquides. Dans chacune des couches, les molécules s'orientent vers une direction légèrement diérente de la précédente. Cette direction n'est cependant pas aléatoire, car, quand on regarde plusieurs couches, on remarque un eet d'hélice comme les lets d'une vis.
La propriété optique la plus importante des cristaux liquides est la biréfringence. Cette pro- priété optique stipule que l'indice de réfraction d'un matériau optique varie selon la polarisation de la lumière qui la traverse. La polarisation de la lumière vient de la nature ondulatoire de cette dernière. En tant qu'onde électromagnétique, la lumière possède un champ électrique et un champ magnétique. Il y a un déphasage de 90° entre les deux et ils sont perpendiculaires. Le produit vectoriel de ces champs donne la direction de propagation de l'énergie (vecteur de Poynting). Puisqu'il peut exister plusieurs combinaisons de direction des champs électriques et magnétiques pour une même direction de propagation, on doit faire appel à la polarisation de la lumière pour connaître l'orientation du champ électrique. La polarisation est le com- portement spatio-temproel du champ électrique de la lumière et, dans notre cas, on peut se contenter d'un modèle simpli é qui est su sant pour comprendre les cristaux liquides. Dans le cas de la lumière incohérente non polarisée, comme une source de lumière à DEL, on peut supposer que la polarisation de la lumière émise est composition d'une somme vectorielle entre une polarisation horizontale et une polarisation verticale. Selon l'orientation des molécules de cristaux liquides en bâtonnets, on peut savoir l'indice de réfraction qu'aura chacune des po- larisations. Pour illustrer cette explication, on jette un coup d'÷il sur la gure 1.10. Le sens de la polarisation est indiqué par les doubles èches. On voit que les rayons de la polarisation horizontale ne sont pas déviés, mais que les rayons de la polarisation verticale le sont. Si le bloc de vitre était une couche de cristaux liquides, on pourrait conclure que les molécules sont orientées verticalement, car c'est la lumière polarisée verticalement qui réagit fortement et qui cause le délai temporel.
1.3.2 Sensibilité aux champs électriques et pixel d'un écran ACL
Une autre propriété très intéressante des cristaux liquides est leur sensibilité aux champs électriques. Les molécules en bâtonnet des cristaux liquides ont une tendance naturelle à s'aligner dans une direction que l'on peut choisir en frottant les parois de verre qui contiennent les cristaux liquides avec un polymère dans la direction que l'on désire imposer. Si on applique un champ électrique proche des cristaux liquides, on va causer un réalignement des molécules dans cette direction. Si on arrête le champ électrique, les molécules des cristaux liquides vont
Figure 1.10 Illustration du principe de biréfringence pour une source de lumière non- polarisée [36]
retourner dans la direction naturelle imposée par le frottement. Les propriétés de pouvoir changer la direction des molécules électriquement et la biréfringence ont permis de créer les écrans ACL que l'on utilise quotidiennement. Les gures1.11 et1.12montrent les principaux composants d'un pixel d'un écran ACL soient les polariseurs, les électrodes de verre frottées dans une certaine direction et les cristaux liquides de type nématique. Les substrats sont frottées dans des directions orhtogonales. En l'absence d'un champ électrique, les directions de frottement sur les électrodes de verre imposent une rotation graduelle des molécules de cristaux liquides. La lumière non polarisée traverse le premier polariseur, puisque c'est une source de lumière non cohérente, la moitié de la lumière traverse le polariseur, celle dans la polarisation verticale comme on voit dans la gure1.11. L'électrode de verre étant au repos, la lumière entre en contact avec les cristaux liquides dont la rotation change au fur et à mesure que la lumière avance. Cette rotation graduelle des cristaux liquides change la polarisation de la lumière de verticale à horizontale. Finalement, un dernier polariseur vertical bloque la lumière, car elle n'est pas dans la bonne polarisation. Le pixel de l'écran ACL apparaît donc noir. Si on applique une tension sur les électrodes, on crée un champ électrique qui aligne toutes les molécules de cristaux liquides dans la même direction. Sur la gure 1.12, on voit que les cristaux liquides prennent une orientation horizontale et que la forme de rotation est détruite. La lumière ne subira pas de rotation et elle conservera donc sa polarisation verticale. Le dernier polariseur laisse la lumière poursuivre son chemin, car la lumière est dans la même polarisation que lui, le pixel apparaît donc blanc.
Figure 1.11 Représentation schématique d'un pixel d'un écran LCD quand aucune tension n'est appliquée aux électrodes : la lumière ne passe pas [53]
Figure 1.12 Représentation schématique d'un pixel d'un écran LCD quand une tension est appliquée aux électrodes : la lumière passe [53]
1.3.3 Le modulateur lumineux à base de cristaux liquides
La lentille développée par TLCL [55] ressemble à un pixel d'écran ACL, car elle utilise les mêmes propriétés qu'un pixel d'un écran ACL, mais de manière diérente. La diérence prin- cipale se situe au niveau des électrodes de verre et dans l'abscence des polarisateurs ortho- gonaux. Dans un pixel d'un écran ACL, les électrodes sont des plaques de verre conductrices tandis que, pour la lentille, une électrode est une plaque conductrice, mais l'autre est un an- neau conducteur. La gure 1.13 montre les éléments de base qui composent le modulateur lumineux aux cristaux liquides. On remarque que les deux plaques de verre ont été frottées dans le même sens a n d'avoir un alignement semblable des cristaux liquides pour toute la lentille. La distribution du champ électrique permet d'aligner les molécules en bâtonnet des cristaux liquides pour former une sorte de courbure de manière à imiter une lentille usuelle. La gure 1.14 met en évidence le comportement des cristaux liquides sous l'in uence d'un champ électrique créé par les électrodes de la lentille. La lentille obtenue est de type cylin- drique. Le modulateur lumineux aux cristaux liquides doit être alimenté par une source de
tension alternative d'une fréquence d'environ 1 kHz. La tension doit être alternative sinon les charges des ions des cristaux liquides se déplaceraient toutes vers une électrode et la courbure simulée par les cristaux liquides serait détruite. Sans courbure, la lentille n'a aucun pouvoir de convergence et le modulateur lumineux perd son utilité. Il est aussi important de mettre successivement deux lentilles de cristaux liquides pour faire chacune des polarisations, car une seule lentille fonctionne seulement pour une polarisation selon la propriété de biréfringence. Un tel ensemble de couches de cristaux liquides permet de diverger toute la lumière qui la traverse comme une lentille cylindrique standard. Le problème, c'est que le patron lumineux généré par une lentille cylindrique ne convient pas parfaitement pour une application d'éclairage. Le patron lumineux à l'apparence d'une ligne lumineuse mince. Pour avoir un patron lumineux intéressant pour l'éclairage, il faut ajouter un autre ensemble de couches de cristaux liquides où la focale de la lentille cylindrique est dans l'autre axe perpendiculaire. Pour résumer, il faut au moins 4 couches de cristaux liquides pour former la lentille utilisée en pratique.
Figure 1.13 Illustration d'un modulateur lumineux aux cristaux liquides au repos
Figure 1.14 Illustration de l'eet du champ électrique sur les cristaux liquides dans la lentille
Une propriété très intéressante qui ressort de la lentille aux cristaux liquides est que l'amplitude de la courbure varie linéairement avec l'amplitude du champ électrique appliquée. Ainsi, un faisceau lumineux qui traverse la lentille sera divergé de manière plus ou moins importante en fonction de la valeur e cace de la tension appliquée sur ses électrodes. Il est important de remarquer que le modulateur lumineux peut seulement augmenter l'ouverture du faisceau
lumineux, il ne peut pas le converger. C'est pour cette raison qu'il est important d'utiliser un faisceau lumineux de faible divergence initiale a n de pro ter au maximum de l'eet de la lentille aux cristaux liquides. La puissance de la divergence se calcule avec la formule des lentilles à gradient d'indice 1.8. Les variables de l'équation sont en mètre.
O.P. = 1 f =
2 · ∆ · n · L
r2 (1.8)
L'équation de la puissance optique 1.8permet de mettre en évidence le principal défaut d'une telle lentille aux cristaux liquides : la puissance optique est fortement diminuée si on augmente le diamètre de la lentille. Pour pallier à ce problème, TLCL [55] fabrique des ensembles de microlentilles aux cristaux liquides a n d'obtenir des puissances optiques acceptables pour des applications d'éclairage. On peut même ajouter des couches de microlentilles pour augmen- ter encore la puissance optique. On remarque aussi que la biréfringence joue un rôle dans la puissance optique de la lentille1.8. Puisque l'indice de réfraction d'un matériau dépend de la longueur d'onde, un faisceau de lumière blanche présentera une certaine aberration chroma- tique. On peut alors anticipé que la lumière rouge sera moins divergé que la lumière bleue pour la même tension appliquée aux bornes des électrodes du modulateur lumineux aux cristaux liquides. Cette propriété indésirable mérite d'être quanti ée pour des applications d'éclairage où le rendu des couleurs est crucial. L'e cacité lumineuse de la lentille est excellente, on parle de plus de 95 % de la lumière incidente qui traverse la lentille sans être absorbée. Cette grande e cacité permet d'implanter ces lentilles pour des applications d'éclairage où la propriété d'e cacité est d'une importance capitale.
Chapitre 2
Concept de l'éclairage intelligent
2.1 Commande en boucle fermée et rétroaction
L'éclairage intelligent cherche à augmenter l'e cacité et l'e cience de l'éclairage standard. L'e cacité est dé nie globalement par le rapport lumen/watt. Si un système d'éclairage est composé d'ampoules à haute e cacité, c'est-à-dire qu'elles possèdent un bon ratio lumen/watt, on dira que l'éclairage est e cace, mais pas nécessairement e cient. L'e cience représente le facteur d'utilité de l'éclairage pour ses utilisateurs. Par exemple, si on allume une ampoule DEL avec un très bon rapport lumen/watt dans une pièce vide, on dira que le système d'éclairage est très e cace, mais peu e cient. Pour augmenter son e cience, un système d'éclairage a besoin de contrôle et de rétroaction. C'est pourquoi il faut implanter des microprocesseurs et des capteurs en plus des ampoules pour former un système d'éclairage intelligent. Le type de contrôle peut être en boucle ouverte ou en boucle fermée. La gure 2.1 illustre la diérence entre les deux avec un schéma conceptuel. Le contrôle en boucle ouverte ne possède pas de rétroaction, pour l'éclairage intelligent, cela signi e que c'est seulement l'utilisateur qui peut agir sur le système. Par exemple, une ampoule équipée d'un gradateur classique est un système en boucle ouverte, car l'utilisateur doit intervenir pour régler l'intensité de l'ampoule. Dans un système en boucle fermée, c'est le microprocesseur qui décide de l'intensité de l'ampoule à régler en fonction des signaux de rétroaction qu'il reçoit de ses capteurs. Le contrôle d'un système d'éclairage peut se faire sur plusieurs variables et plusieurs articles résument bien ces dernières [42] [46]. On détaille les principales variables de rétroaction que l'on peut utiliser pour des applications en boucle fermée d'éclairage intelligent avec les capteurs possibles. Il existe d'autres variables pour la rétroaction d'un système d'éclairage intelligent en boucle fermée, mais l'utilisation de ceux-ci ne fait pas partie de l'objet du présent mémoire.
Rétroaction selon la lumière du jour
Cette technique de rétroaction consiste à mesurer l'éclairage ambiant d'une pièce. Elle est par- ticulièrement e cace pour les espaces vitrés ou les espaces avec des puits de lumière naturelle.
Figure 2.1 Diérence entre un système en boucle ouverte et un système en boucle fermée En pratique, on retrouve cet éclairage intelligent principalement dans les bureaux. Pour mettre en ÷uvre une rétroaction de ce type, il su t d'utiliser des capteurs de type photomètre. Ces capteurs donnent une valeur en lux qui correspond à l'éclairement lumineux auquel le capteur est exposé. Pour de meilleurs résultats, on essaie de placer le capteur à l'endroit où l'utilisa- teur a le plus besoin de lumière. Dans l'exemple des bureaux, l'espace de travail devrait être l'endroit à privilégier pour placer le capteur. Il est important de noter que, grâce aux avancées dans la technologie du Wi-Fi et du energy harvesting (recueillement de l'énergie ambiante), on peut positionner ces capteurs à peu près n'importe où sans avoir besoin de ls électriques pour les connecter entre eux [34]. Une fois les capteurs positionnés dans la pièce, un microprocesseur analyse les données de ces derniers et calcul l'intensité de l'éclairage à appliquer pour avoir un niveau d'éclairement stable. Le microprocesseur est habituellement intégré dans l'ampoule elle-même et il communique avec les capteurs par Wi-Fi. Cette technique de rétroaction per- met de maximiser l'utilisation de l'éclairage au cours d'une journée. Quand il y a beaucoup d'ensoleillement, le microprocesseur diminue l'intensité de l'éclairage arti ciel et, quand il n'y a pas d'ensoleillement, le microprocesseur augmente l'intensité de l'éclairage. Avec une pro- grammation adéquate, l'utilisateur perçoit à peine le changement de source de lumière. La gure 2.2permet de voir les principaux constituants d'un système d'éclairage intelligent basé sur le recueillement de la lumière du jour. Le gain d'e cacité énergétique que l'on mesure dans la littérature se situe entre 20-60 % selon les situations [58]. Il su t ensuite pour l'utilisateur de calculer son retour sur l'investissement pour l'ajout des capteurs selon l'e cacité que le système accomplira. Avec le coût qui diminue de plus en plus pour les capteurs et l'électro- nique en général, on peut penser que de plus en plus de systèmes d'éclairage conventionnels se convertiront en système d'éclairage intelligent basé sur la rétroaction par recueillement de
la lumière du jour.
Figure 2.2 Figure représentant les principaux éléments du recueillement de la lumière du jour [17]
Rétroaction par la présence des utilisateurs
Une autre variable de rétroaction très utilisée pour la mise en ÷uvre de systèmes d'éclairage intelligent est la détection de la présence des occupants. L'idée est d'allumer ou de fermer l'éclairage si des gens sont à l'intérieur ou à l'extérieur d'un périmètre donné. Pour détecter les gens, la technologie la plus utilisée est les capteurs de type PIR (pour passive infrared sensor). Ces détecteurs ne détectent pas directement les gens, ils détectent leurs mouvements. Ils fonctionnent à l'aide de deux cellules à base d'un semi-conducteur sensible aux longueurs d'onde dans l'infrarouge montées sur la même fenêtre du capteur [4]. Les deux cellules voient chacune la moitié du champ de vue du capteur en alternance. Par exemple, pour un champ de vue de 90°, chacune des cellules voit 45° par tranche de 5° de façon alternative entre les deux cellules du capteur. L'électronique intégrée au détecteur véri e la tension générée aux bornes de chacune des cellules semi-conductrices. Si un objet rayonnant de la chaleur (comme une personne) se déplace devant le capteur, l'électronique va enregistrer successivement deux petites surtensions pour chacune des deux cellules. Ces surtensions sont ensuite comparées à un seuil prédéterminé avec un comparateur à hystérésis et si elles le dépassent, le capteur lance un
signal pour dire qu'il détecte un mouvement. Il faut bien ajuster ce comparateur à hystérésis a n de limiter les fausses alarmes sans pour autant limiter la détection des personnes. A n d'élargir le champ de vue de ces détecteurs, on utilise des lentilles en plastique de type Fresnel pour concentrer la lumière sur le capteur pour obtenir un large champ de vue. La gure 2.3
montre les éléments d'un détecteur PIR ainsi que le détail de son fonctionnement. Ces capteurs ont l'avantage d'être peu coûteux et d'être simples d'utilisation avec un signal de sortie de type oui/non pour le mouvement. Les capteurs de ce type ont une portée de détection moyenne d'environ 10 mètres selon le modèle. Le problème principal de ces capteurs pour une application d'éclairage intelligent est justement qu'il détecte seulement le mouvement. Souvent, les gens peuvent être immobiles et ils ont quand même besoin d'éclairage. Par exemple, si quelqu'un lit dans sa chambre le soir avec un éclairage contrôlé par un détecteur PIR, l'éclairage va s'éteindre après quelques minutes de lecture, car la personne ne bougera pas assez pour exciter le détecteur. Cela dit, pour de nombreuses applications d'éclairage intelligent, ces capteurs demeurent très utilisés pour leurs avantages nommés précédemment.
Figure 2.3 Principe de détection du capteur PIR [4]
Le capteur par ultrason est un autre moyen de détecter les personnes. Ces capteurs fonction- nement toujours en pair : un capteur est le transmetteur de l'onde ultrasonique et l'autre est