Taming light energy
La lumière, exactement là où on la veut
RayMapr calcule la forme des lentilles et des miroirs qui dirigent la lumière d’une LED vers la zone à éclairer, et nulle part ailleurs. Même quand le faisceau doit s’arrêter net.
Un problème d’optique difficile à résoudre ?
Une LED éclaire partout
Une LED émet sa lumière dans un large cône. Pour en faire un feu de croisement, un lampadaire ou un projecteur, il faut une optique qui la redistribue selon une photométrie précise : beaucoup de lumière là où il en faut, peu ou pas ailleurs.
Le cas le plus exigeant est la coupure : un faisceau intense sous une ligne, presque rien au-dessus, pour ne pas éblouir. On l’obtient encore souvent en plaçant un cache devant la source. Le cache coupe net, mais il arrête la lumière au lieu de la rediriger. L’énergie perdue se paie en LED, en watts et en chaleur.
Concevoir une optique non imageante qui fait mieux reste un travail d’essais et d’erreurs, qui prend souvent plusieurs semaines par projet. RayMapr apporte des solutions pour réduire drastiquement ce temps de conception.
Notre approche
RayMapr part de l’autre bout du problème. On décrit la source réelle, une LED de taille finie et non un point idéal, puis la répartition de lumière voulue sur la cible. Notre logiciel calcule les surfaces freeform qui transportent l’une sur l’autre : chaque rayon est envoyé à sa place, rien n’est masqué.
Ce calcul repose sur le transport optimal, une théorie mathématique née avec Monge au XVIIIe siècle, et sur plus de dix ans de recherche. Il tourne sur GPU, où des millions de rayons sont tracés en parallèle. Le résultat est un composant optique composé de surfaces lisses, décrites en NURBS comme en CAO : il s’ouvre dans les outils de conception mécanique et part vers l’usinage ou le moulage par injection sans conversion.
Applications
Un ensemble de méthodes pour toutes les optiques complexes : on décrit la source et la distribution cible voulue, RayMapr calcule le composant optique qui la produit. Lentille ou miroir, une ou plusieurs surfaces freeform. Les cibles peuvent être des densités discrètes ou continues : les normes les plus strictes, avec de la marge, jusqu’à des images complètes.
- Lentille freeform
- Lentilles TIR
- Coupure nette
- Éclairage artistique
- Architecture et monuments
- Optique imageante
Deux surfaces libres, calculées ensemble
Avec une surface libre, on choisit où va la lumière, mais on subit les pertes de Fresnel. Avec deux, on optimise aussi la répartition de l’énergie. Notre chaîne de calcul optimise plusieurs surfaces globalement. Ci-dessous, une lentille calculée pour une lampe suspendue au-dessus d’un croisement d’allées d’entrepôt en T.
Cinq surfaces, toutes freeform
Une lentille à réflexion interne totale (TIR) collecte la lumière d’une LED par deux chemins : le centre traverse une petite lentille, les bords sont rabattus par réflexion interne totale sur le flanc. Cela fait cinq surfaces optiques : l’entrée et la sortie du centre, l’entrée latérale, le flanc réfléchissant et la couronne de sortie.
Les outils habituels en figent la plupart sous la forme de profils de révolution à quelques paramètres, et n’optimisent que le reste. RayMapr calcule les cinq surfaces en freeform, sans symétrie imposée, à partir du faisceau demandé : un disque, une cible uniforme en champ proche (near field) ou en champ lointain (far field), une bande. La pièce garde le même encombrement et se démoule.
La coupure est dans la surface, pas devant
Feux de croisement, phares de vélo, projecteurs de train : les normes exigent une ligne de coupure nette, beaucoup de lumière en dessous, presque rien au-dessus. La solution courante place un cache devant la source et perd toute la lumière qu’il arrête.
RayMapr forme la coupure avec la surface elle-même : chaque rayon de la LED est envoyé à sa place, sous la ligne. Pas de cache, donc pas de lumière perdue, et de la marge sur la norme au lieu d’un réglage à la limite. Les cibles sont celles des règlements : ONU R149 et FMVSS 108 pour l’automobile, StVZO et ISO 6742-1 pour le vélo, EN 15153-1 pour le ferroviaire, EN 13201 pour la voirie.
Voir le cas d’étude : un phare de vélo conçu pour répondre à une norme
Toute la lumière compose l’image
Un gobo ou un pochoir forme une image en arrêtant la lumière : tout ce qui est hors du dessin est perdu. Une optique calculée ne bloque rien : elle redistribue la lumière pour que toute l’énergie de la source compose l’image, dégradés compris. Une lentille projette un caractère ; un miroir, au soleil, peint un portrait sur un mur sans la moindre électricité. Le dessin est la donnée d’entrée, la surface est le résultat.
Mettre un bâtiment en valeur
Un bâtiment éclairé par un faisceau large, c’est aussi le ciel, les toits voisins et les fenêtres des riverains dans la lumière. Une optique calculée pour la façade pose la lumière sur la pierre et nulle part ailleurs : moins de puissance, pas de halo, et un dessin qui suit l’architecture. Au soleil, un miroir freeform peut même remplacer le projecteur.
Et vos problèmes d’imagerie ?
RayMapr est né de l’optique non imageante : on ne forme pas une image, on répartit l’énergie. Mais les outils sont les mêmes de l’autre côté de la frontière : surfaces freeform, tracé de rayons massif sur GPU, optimisation globale de plusieurs surfaces à la fois, sortie en NURBS. Des optiques freeform hors d’axe pour un affichage tête haute ou un casque de réalité augmentée, un objectif à gradient d’indice (GRIN) où les rayons se courbent dans le matériau, une métasurface dont il faut calculer le profil de phase, un système dont les aberrations sont à corriger sur tout le champ : les questions changent, les méthodes se transposent.
Nous aimerions beaucoup en apprendre plus sur vos problématiques d’imagerie. Écrivez-nous : nous ferons tout notre possible pour vous aider à développer vos optiques imageantes.
RayMapr en chiffres
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>70 %
de la lumière de la LED dans le faisceau utile, pour une optique à coupure calculée par RayMapr.
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<30 %
souvent, avec les solutions à cache, qui masquent une partie de la source pour former la coupure.
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>10 ans
de recherche sur le transport optimal appliqué à l’optique, depuis 2012.
L’équipe
Deux mathématiciens du transport optimal et un ingénieur du calcul haute performance, qui travaillent ensemble sur l’optique freeform depuis 2020.
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Boris Thibert
Président
Boris Thibert est professeur de mathématiques appliquées à l’Université Grenoble Alpes, au Laboratoire Jean Kuntzmann. Il est expert en géométrie appliquée et en transport optimal pour la conception d’optiques.
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Jean-Baptiste Keck
Directeur général et directeur technique
Jean-Baptiste Keck est ingénieur et docteur en mathématiques appliquées. Expert en calcul distribué sur GPU et en méthodes numériques, il est le développeur principal du logiciel RayMapr depuis 2020.
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Quentin Mérigot
Conseiller scientifique
Quentin Mérigot est professeur de mathématiques appliquées à l’Université Paris-Saclay, à l’Institut de mathématique d’Orsay, et à l’École normale supérieure. Il est expert en transport optimal et en méthodes numériques.
La recherche derrière RayMapr
RayMapr s’appuie sur des travaux publiés, menés au Laboratoire Jean Kuntzmann (Université Grenoble Alpes) et à Orsay (Université Paris-Saclay). Une sélection :
- J. Meyron, Q. Mérigot, B. Thibert Light in power: a general and parameter-free algorithm for caustic design ACM Transactions on Graphics, 37(6)2018
- Q. Mérigot, B. Thibert Mirrors, lenses and Monge–Ampère equations European Mathematical Society Magazine, 1202021
- J. Kitagawa, Q. Mérigot, B. Thibert Convergence of a Newton algorithm for semi-discrete optimal transport Journal of the European Mathematical Society, 21(9)2019
- Q. Mérigot, J. Meyron, B. Thibert An algorithm for optimal transport between a simplex soup and a point cloud SIAM Journal on Imaging Sciences, 11(2)2018
- Q. Mérigot, B. Thibert Optimal transport: discretization and algorithms Handbook of Numerical Analysis, vol. 22, Elsevier2021
Parlons de votre optique
Une source, une photométrie cible, des contraintes d’encombrement ? Décrivez-nous votre cas : nous vous dirons ce que notre savoir-faire peut vous apporter. RayMapr est une société en cours de création à Grenoble ; son immatriculation est prévue en janvier 2027.