Introduction d'un hacker aux plaques de guidage de lumière DIY

May 13, 2024

L'année dernière, je me suis retrouvé obligé de réaliser une réplique à échelle réduite des panneaux emblématiques de la chambre d'essai du jeu vidéo Portal. Si vous avez joué au jeu, vous vous souviendrez de ces panneaux comme des monolithes illuminés qui marquaient le début de chaque chambre de test. À la manière d’un jeu vidéo hyperstylisé, ils étaient également extrêmement minces.

Fidèle à l'original, ma réplique devrait être à la fois allégée et rétroéclairée avec une lueur blanche uniforme et naturelle. Comme le destin l'a voulu, l'essentiel de ce projet était de trouver un moyen d'y parvenir : diffuser la lumière entrant par les bords afin qu'elle soit émise uniformément depuis l'avant.

Ce que je pensais être un projet rapide s'est avéré être une plongée dans le terrier du lapin qui a donné des résultats satisfaisants. Aujourd'hui, j'aimerais partager mes découvertes et vous présenter les plaques de guidage de lumière, l'un des éléments clés d'une grande partie de la technologie actuelle des écrans rétroéclairés. Je vais approfondir certains principes de fonctionnement, vous présenter mon approche homebrew et vous laisser avec un code source inspirant pour aller de l'avant et créer le vôtre.

En m'attaquant à ce projet, je me suis demandé : comment les fabricants de l'industrie électronique éclairent-ils les écrans d'ordinateurs portables et de télévision ultra-plats pour obtenir une lueur parfaitement uniforme ? Après quelques recherches sur Internet, j'ai découvert un trésor d'informations utiles.

Avant d’approfondir la manière dont l’industrie de l’électronique grand public résout ce problème, je souhaite d’abord vous présenter un projet parallèle de hacker analogue : l’écran éclairé par les bords en acrylique découpé au laser. Nous avons présenté pas mal de projets comme ceux-ci sur Hackaday, et ils ont juste le bon niveau de complexité pour vous familiariser avec le Hackerspace local.

Le concept de base est que les feuilles d’acrylique transparent ont la capacité d’agir comme des fibres optiques, canalisant la lumière d’un bord à l’autre. Le voyage n’est cependant pas parfaitement rectiligne. Une grande partie de la lumière entre sous un angle, rebondissant entre les surfaces supérieure et inférieure avant de sortir par l'autre bord. En gravant un motif sur une surface de l'acrylique, nous créons un endroit où la lumière est absorbée et émise, plutôt que principalement réfléchie. Nous pouvons profiter de cette bizarrerie pour créer une signalisation assez chic.

Quelque chose que les observateurs attentifs pourraient souligner : les éléments de l’image les plus éloignés de la source lumineuse sont sensiblement plus sombres. Pour comprendre ce phénomène, nous avons besoin d’un peu de physique.

Une théorie optique assez simple derrière ce projet de hacker peut nous aider à comprendre ce qui se passe. Commençons par une vue latérale en coupe de ce projet où le côté gauche est éclairé par une barre de LED.

Dans cette configuration, une source de lumière brille depuis un bord de la plaque, envoyant des rayons lumineux dans la plaque sous différents angles. Il s’avère qu’il existe un angle spécial Φc appelé angle critique. Les rayons lumineux frappant la limite de la surface à moins de Φc sortiront immédiatement de la plaque avec un angle de sortie légèrement différent selon la loi de Snell. Les rayons lumineux frappant la surface sous des angles supérieurs ou égaux à Φc seront totalement réfléchis intérieurement. En d’autres termes, ils continueront à rebondir à l’intérieur de la plaque selon un angle fixe pour toujours, à moins qu’ils ne soient interrompus. Pour le verre et le plastique, Φc ≈ 42°.

En gravant la surface de la plaque, nous créons des emplacements où les rayons lumineux réfléchis en interne peuvent se disperser et sortir de la plaque à un endroit spécifique, plutôt que de se refléter en interne. C’est le phénomène qui fait briller les panneaux.

À ce stade, vous pourrez peut-être deviner pourquoi les éléments gravés du panneau s’atténuent à mesure qu’ils s’éloignent de la source de lumière. C’est parce qu’une plus grande partie des rayons lumineux réfléchis à l’intérieur ont déjà quitté la plaque plus tôt.

Il s'avère que les fabricants d'écrans LCD mettent en œuvre un système de rétroéclairage qui utilise une approche similaire à celle que nous avons vue jusqu'à présent. Décollez l’intérieur d’un écran à cristaux liquides pour constater qu’il est en réalité constitué d’un sandwich composé de plusieurs couches. Séparez ces couches pour trouver une couche polarisante, une couche de cristaux liquides, une couche de diffuseur, une feuille de fibre optique transparente et enfin une fine couche de support réfléchissante. Cette fine feuille de fibre optique, appelée plaque guide de lumière, est éclairée depuis le bord de l'écran par une barre de LED. L'objectif de cette plaque est de capter la lumière réfléchie en interne depuis le bord et de la diffuser de manière contrôlée le long de la surface, de sorte que l'avant de l'écran soit uniformément éclairé.