Brevet FR2090026A1 — publié le 19720114

La présente invention concerne des condensateurs optiques et plus particulièrement des perfectionnements à de tels condensateurs utilisant des sources de lumière concentrée approximativement ponctuelles". Dans un appareil optique où il faut une source de lumière interne, par exemple dans des projecteurs et des appareils semblables, il est commode d'utiliser des lampes à filaments incandescents. La chaleur et la lumière qui en émanent sont rayonnées de façons à peu près égales dans toutes les directions. Un condensateur optique constitué de lentilles et de miroirs collecte une fraction aussi élevée que possible de la lumière produite et la concentre dans la direction voulue. Plus le rendement optique du condensateur.est élevé, et moindre est la puissance nécessaire pour obtenir le niveau d'éclairement spécifié à la sortie de l'appareil, et de ce fait moindre est la chaleur indésirable qui est produite. Les condensateurs à lentilles connus collectent la lumière qui est rayonnée d'une source ponctuelle sur un angle solide qui, au plus, est de 120 à 130 degrés. Ceci ne représente qu'un quart de la totalité de la lumière émise avec une symétrie sphérique. le montage d'un miroir approprié derrière la lampe permet de doubler la quantité de lumière qui est ainsi collectée En d'autres termes, les meilleurs condensateurs optiques dont on dispose actuellement n'utilisent que la moitié de la lumière produite par la lampe. En conséquence, il faut dissiper une quantité de chaleur qui est le double de celle qu'il faudrait dissiper si la totalite de la lumière était collectée. En conséquence, la présente invention concerne un condensateur optique qui collecte à peu près la totalité de la lumière provenant d'une source non directionelle et qui la concentre sur un foyer approprié, par exemple pour des projecteurs ou d'autres instruments optiques qui ont besoin d'une source de lumière intense. En conséquence, la présente invention concerne un condensateur optique comprenant un corps dont une surface réfléchissante intérieure se présente sous la forme d'un. segment d'un ellipsoïde de révolution engendré autour de son axe de symétrie principal, et comportant une première extrémité circulaire plane ouverte du segment, une seconde extrémité circulaire ouverte plane, de plus grand diamètre que la première extrémité et parallèle à celle-ci, les centres des deux extrémités se trouvant sur l'axe de symétrie, le centre du plan de la première extrémité coïncidant avec le premier point focal de l'ellipsoïde de révolution et constituant l'emplacement où est disposée la source de lumière, le second point focal se trouvant à l'extérieur du plan de la seconde extrémité du segment, un réflecteur hémisphérique étant disposé derrière la source de lumière et au moins une lentille convergente étant disposée à l'intérieur du segment de telle sorte que son axe optique coïncide avec l'axe de symétrie et intercepte les rayons de lumière qui ne sont pas dirigés vers le second point focal et qui autrement s'échapperaient au-delà de la périphérie de la seconde extrémité, la lentille faisant converger ces rayons sur le second point focal. Une lentille, par exemple une lentille de projection, peut être placée au second point focal ou près de celui-ci. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre faite en regard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif mais nullement limitatif plusieurs formes de réalisations conformes à l'invention. Sur ces dessins - La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention - La figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation - La figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention - La figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation - La figure 5 représente schématiquement un montage permettant d'essayer des condensateurs optiques - la figure 6 représente schématiquement la source de lumière utilisée dans le montage de la figure 5 ; et - la figure 7 représente schématiquement les différentes positions de la source de lumière et du miroir hémisphérique utilisées dans le montage de la figure 5. En se reportant à la figure 1, A' AAA' représente une section droite d'un réflecteur formé par une partie de la surface d'un ellipsoïde de révolution dont les foyers sont en B et B'. Une source de lumière concentrée, telle que le filament d'une lampe électrique, peut être placée au foyer B. Du fait des propriétés bien connues des ellipsoïdes de révolution, tout rayon de lumière passant par B et tombant sur la surface réfléchissante AA' AA' est réfléchi de manière à passer par B'. L'extrémité gauche du réflecteur en forme d'ellipsoïde se termine dans un plan A' A' passant par B et qui est perpendiculaire à l'axe optique CC du système. L'extrémité droite du réflecteur se termine par un autre plan perpendiculaire à l'axe optique, en un point qui est déterminé de la manière décrite ci-après.De ce fait, BA'B' et BAB' représentent les rayons extrêmes de lumière qui sont collectés par la surface réfléchissante et qui sont focalisés en B'. On peut choisir la position du plan AA de telle sorte que la partie AB' du rayon extrême BAB' fasse avec l'axe optique un angle qui ne soit pas supérieur à la moitié de l'angle d'ouverture d'une lentille de projection disposée en B' ou près de ce point. Une lentille convergente D est disposée dans le plan formé par l'intersection des rayons extrêmes BA et A'B'. La distance focale de cette lentille est telle qu'elle fait converger tous les rayons incidents, par exemple BEB', vers un foyer se trouvant en B'. On peut calculer la forme de cette lentille par les procédés habituels et ses éléments et sa forme peuvent, dans n'importe quelle mesure voulue, lui éviter des aberrations. Le centre d'un réflecteur hémisphérique FFF est disposé au point B afin de réfléchir toute la lumière émise vers la gauche d plan A'A1, en la renvoyant dans le système. Ce réflecteur peut présenter n importe quel rayon voulu. Dans une autre forme de l'invention, la lentille D peut être remplacée par deux ou par un plus grand nombre de lentilles, comme représenté par exemple sur la Figure 2. Dans ce mode de réalisation, les lentilles D' et D " peuvent être disposées en n'importe quels points commodes dans le trajet optique à condition que (I) - le diamètre de D' soit tel qu'elle ne rencontre pas le rayon BA, (II) - la distance focale de D' soit telle que la lumière tutelle reçoit converge de façon à tomber sur la surface de la lentille D'', (III) - le diamètre de la lentille D" soit tel qu'elle ne rencontre pas le rayon A'B', FIV) - la distance focale de D" soit telle qu'elle reçoive la lumière provenant de la lentille D' qui l'atteint, et la fasse converger vers B'. Les lentilles D, D' et D" des figures 1 et 2 peuvent être montées chacune à l'aide d'un support radial à l'intérieur du réflecteur A'AAA' ou bien elles peuvent être formées sur des régions lenticulaires, à des emplacements appropriés, sur des disques minces à faces planes parallèles en une matière transparente. Ces disques peuvent être réalisés avec un diamètre exté- rieur permettant de les disposer aux positions correctes dans le réflecteur ellipsoidal, comme indiqué, à titre d'exemple, en Z sur la figure 5. Sur la Figure 3, la lentille D est constituée par une zone centrale en forme de lentille formée sur un disque mince à faces planes parallèles, GO, en une matière transparente. le diamètre du disque GG est réglé pendant sa fabrication de manière à pouvoir le disposer à la position correcte dans A'AAA', où il peut être collé ou fixé autrement pour le maintenir en position. Lorsque le réflecteur ellipsoidal A'AAA' est en une matière métallique, sa surface interne est polie ou est traitée pour lui donner un fini spéculaire. Lorsque le réflecteur est en une matière non métallique, sa surface interne peut être polie et soit sa surface interne soit sa surface externe peuvent être traitées ou recevoir un revêtement lui donnant le fini spéculaire nécessaire. Un mode de réalisation préféré de l'invention est représenté sur la Figure 4, où A'AAA' représente la section droite d'un solide de révolution engendré autour de l'axe CC. la surface extérieure de ce solide,-A'PA, correspond à la surface d'un ellipsoïde de révolution dont les foyers se trouvent en B et-B'. A'A' se trouve à nouveau dans un plan passant par le foyer B et qui est perpendiculaire à l'axe CC. QRS représente une surface hémisphérique centrée sur B et dont le rayon BQ est inférieur à BA'. ATA représente une partie d'une surface sphérique centrée sur B' et dont le rayon est B'A, les points A étant définis comme précédemment. Le corps solide A'AAB' est réalisé en n' importe quelle matière transparente voulue. De préférence on choisit cette matière de telle sorte que son indice de réfraction soit suffisamment important pour qu'un rayon extrême BA'B', qui n'est pas dévié en traversant les surfaces sphériques QRS et ATA subisse une réflection totale interne sur la surface A'PA. Si le rayon BA'B' est réfléchi de cette manière, tous les autres rayons passant parB et qui viennent frapper la surface limite A'A'A sont à fortiori réfléchis de la même manière. En variante, la matière transparente peut présenter un indice de réfraction maints élevé et la surface ellipsoidale extérieure A'AA'A du corps solide peut être revêtue en totalité ou en partie avec un revêtement réfléchissant tel que de l'aluminium déposé sous forme de vapeur ou un revêtement réfléchissant en une matière diélectrique. Sur la figure 4, D et D' représentent des lentilles qui peuvent être réalisées avec la même matière transparente que le corps solide A'AAA'. Ces lentilles peuvent être fixées au corps solide par collage ou par d'autres procédés. En variante, les lentilles D et D' peuvent être en une matière dont l'indice de réfraction est différent de celui du corps solide afin de réduire les aberrations chromatiques dans les images formées par D et D'. En variante, et de préférence, les lentilles D et D' peuvent faire partie intégrante du corps solide A'AAA'. Dans l'exemple suivant, on a comparé à un condensateur optique réalisé suivant le mode de réalisation de la figure 4 avec un condensateur commercial de modèle classique. le condensateur selon l'invention a été réalisé en méthacrylate de polyméthyle, y compris les lentilles D et D' qu'on voit sur la Figure 4. EXEMPLE Un projecteur a été monté sur un banc optique. Les éléments ont été disposés de la manière représentée sur la Figure 5 des dessins, dans laquelle les références numériques de 11-17 inclusivement indiquent les éléments suivants 11 miroir hémisphérique 12----- source de lumière 13----- condensateur optique 14----- cache 15----- lentille de projection 16----- filtre à infrarouge 17----- écran la ligne 18 indique l'axe optique du système. La source de lumière 12 de ce montage est constituée par une lampe à un seul filament comportant un filament C-6 comme on le voit sur la Figure 6 (régime de 6 volts et de 4 watts). Le condensateur optique utilisé pour le comparer avec le condensateur selon l'invention a été un ensemble prélevé sur un lecteur de microfilms commercial d'un diamètre d'environ 60 mm et d'un angle d'ouverture de 100g. L'écran a été constitué par une plaque de verre teintée de couleur verte à l'aide d'un revêtement diffusant en laque et qui a été quadrillée avec des carrés de 12,7 mm de côté pour faciliter la mesure de l'uniformité de l'éclairement. Le cache 14 présentant une ouverture de 17 mm au carré, a été monté entre des plaques de verre dans un plan objet de la lentille de projection afin de délimiter le champ et de supprimer la lumière parasite provenant des bords du faisceau. La source de lumière 42 a été alimentée par une source de courant continu réglée, de sortie variable, pour permettre d'effectuer des mesures comparatives sans avoir à corriger les variations de la tension d'alimentation. On a déterminé expérimentalement la position de la source de lumière 12 dans le montage et on a essayé les positions indiquées sur la Figure 7. On a trouvé que la position représentée sur la Figure 7b était celle qui convenait le mieux pour le condensateur suivant l'invention. On a fait tourner la lampe jusqu a ce que le filament 19 soit aussi coaxial par rapport à ltaxe optique, que le permettait la base 20 de la lampe et l'extrémité 13 du condensateur. Il a fallu former une seconde ouverture dans le miroir hémisphérique 11 pour recevoir la base 20 de la lampe. Une certaine perte de lumière stest produite du fait de l'ouverture 21 formée au sommet du miroir. On a trouvé que la position représentée sur la figure 7c était celle qui convenait le mieux pour le condensateur classique. L'ombre portée par la base 20 de la lampe tombait dans la zone de la lumière qui n'était pas collectée par la lentille et le miroir 11 dont le sommet était traversé par l'ouverture 21 a été centré de telle sorte que cette dernière se trouvait à l'extérieur du champ de la lentille. Le filament 19 a été disposé perpendiculai rement à l'axe optique, ce qui constitue la meilleure position pour un condensateur classique. Les positions relatives du cache 14, de la lentille de projec tison 15 et de l'écran 17 de la Figure 5 ont été réglées de manière à donner une image nettement focalisée du cache 14 sur l'écran 17 avec -m agrandissement d'environ 15 fois. Les positions du miroir 11, de la source de lumière 12 et de chaque condensateur 13 ont été ensuite réglées tour à tour pour obtenir l'éclairement le plus brillant et le plus uniforme de l'écran 17. L'intensité de l'éclairement au centre de chaque carré de l'écran 17 a été mesurée avec une sonde photoélectrique comprenant un petit transistor photoélectrique monté à l'extrémité d'une tige isolante d'un diamètre de 12,7 mm. Les résultats de ces mesures sont donnés dans le Tableau , dans lequel le nombre de carrés dont la brillance est égale ou supérieure à celle du niveau indiqué sont donnés pour chaque type de condensateur. TABlEAU Niveau de brillance Condensateur selon Condensateur indiqué l'invention classique (unités arbitraires) 110 9 0 100 24 0 90 44 80 71 o 70 102 25 60 163 61 50 199 119 40 207 182 30 208 208 D'après les résultats donnés dans le Tableau, on peut voir que la brillance maximale de l'écran, lorsqu'il est éclairé par le condensateur selon l'invention est égale à environ 1,5 fois la brillance qu'on obtient lorsqu'on utilise le condensateur classique. Le flux lumineux total tombant sur l'écran a été calculé en additionnant les produits des nombres de carrés et de leurs brillances moyennes. Ceci donne 15300 unités arbitraires pour le condensateur suivant l'invention et 10900 unités arbitraires pour le condensateur classique.Ceci montre qu'en utilisant un condensateur selon l'invention on obtient un accroissement de la quantité de lumière collectée supérieur de 40 à 50 % par rapport aux résultats obtenus avec un condensateur classique. D'après des calculs théoriques on se serait attendu à une amélioration plus importante, mais cette différence est attribuée au fait que la forme géométrique de la lampe était moins satisfaisante pour le condensateur selon l'invention que pour le condensateur classique. Un avantage que. présente l'utilisation de l'invention réside dans le fait qu'on peut utiliser des lampes moins puissantes et que par suite on peut réaliser un lecteur de microfilm léger, portatif, alimenté par des piles. Cependant, les principes mis en oeuvre pour la conception du condensateur peuvent également stap- pliquer à des lentilles comportant des surfaces réfléchissantes en forme de paraboloides produisant un faisceau de lumière parallèle ou presque parallèle qui peut être utilisé dans les systèmes de signalisation lumineux, tels que ceux qui sont employés dans les chemins de fer et pourcommander le trafic routier. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Condensateur optique, caractérisé en ce qu'il comprend un corps dont une surface interne réfléchissante a la forme d'un secteur d'ellipsoïde de révolution engendré autour de son axe de sym- > rie principal, ce secteur comportant une première extrémité circulaire plane ouverte, une seconde extrémité circulaire plane ouverte dont le diamètre est plus grand que celui de la première extrémité et qui est parallèle à celle-ci, les centres des deux extrémité étant disposés sur l'axe de symétrie du condensateur, le centre du plan de la première extrémité coïncidant avec le prier point focal de l'ellipsoïde de révolution et constituant l'emplacement d'une source de lumière, le second point focal se trouva: à l'extérieur du plan de la seconde extrémité du segment, un réflecteur hémisphérique étant disposé derrière l'emplacement de la source de lumière et au moins une lentille convergente étant disposée à l'intérieur du secteur de telle sorte que son axe optique coïncide avec l'axe de symétrie afin que la lentille intercepte les rayons de lumière qui ne sont pas dirigés vers le second point focal et qui s'échapperaient de la périphérie de la seconde extrémité du secteur, afin de les faire converger vers le second point focal. 2. Condensateur optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface réfléchissante interne est la surface interne polie d'un corps creux. 3. Condensateur optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface réfléchissante interne est la surface extérieure d'un corps solide transparent. 4. Condensateur optique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le corps est en un métal ou en une matière plastique synthétique. 5. Condensateur optique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le corps est en une matière transparente. Condensateur optique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que sa surface extérieure est revêtue d'un revêtement réfléchissant. 7. Condensateur optique suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la ou les lentilles convergentes sont mises en position par des supports disposés radialement à l'intérieur du corps creux. 8. Condensateur optique suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la ou les lentilles convergentes sont constituées par des zones en forme de lentilles réalisées sur des disques transparents. 9. Condensateur optique suivant la revendication 1 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la ou les lentilles convergentes sont collées sur le corps. 10. Condensateur optique suivant la revendication 1 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la ou les lentilles convergentes sont moulées avec le corps solide et en font partie intégrante. 11. Condensateur optique suivant l'une quelconque des revendications 1, 3 et 9, caractérisé en ce que la ou les lentilles convergentes sont en une matière dont l'indice de réfraction est différent de celui de la matière servant à réaliser le corps solide.