Brevet FR2140079A1 — publié le 19730112

La présente invention est relative aux dispositifs à décharge et se rapporte plus particulièrement à un réflecteur perfectionné destiné à être utilisé dans une lampe à arc. Dans une conception courante de lampe à arc couru le réflecteur est monté dans l'ampoule de façon telle que la partit la plus chaude et la plus brillante de l'arc est située au niveau ou près d'un foyer. Ainsi, si par exemple le réflecteur pr3~ sente une forme parabolodale, il peut être positionné de façon que son foyer soit centré sur le point chaud de l'arc.Toutefois, une limitation importante de ce type de réflecteur est que la combinaison d'un espacement réduit entre le réflecteur et l'arc et d'une dimension finie de l'arc produit une dispersion inévitable du faisceau de sortie et il en résulte que, dans le cas d'un réflecteur parabololdal , il est très difficile d'obtenir un faisceau étroit et très lumineux, étant donné qu'une beaucoup trop grande partie de la lumière tombe en dehors des limites étroites du faisceau. On a obtenu une amelioration significative du faisceau étroit en utilisant un réflecteur ellipsoidal en combinaison avec des éléments optiques auxiliaires. L'ellipsode comporte un second foyer, externe par rapport au réflecteur. La lumière émise par la lampe est concentrée dans une région entourant le foyer externe, de nouveau en raison de la dispersion inhérente de l'ensemble. En disposant un orifice autour du foyer externe, on peut définir le faisceau lumineux avec netteté. La lentille externe peut alors former une image désirée du faisceau. On augmente la quantité de lumière du faisceau de sortie en augmentant le diamètre de l'orifice mais, afin de maintenir l'angle étroit du faisceau, il faut augmenter la distance focale de la lentille, ce qui accroît la dimension et le prix de revient de la lampe. Le réflecteur peut comporter également un segment sphérique positionné à l'arrière et raccordé, par exemple, à la partie de réflecteur ellipsoldal. Le centre de ce segment sphérique est situé à titre d'exemple au niveau du foyer de la partie avant, de sorte que les rayons tombant sur le segment sphérique sont réfléchis, traversant l'arc et tombent sur la partie avant du réflecteur. Ceci signifie que les distances utiles entre l'arc et le réflecteur sont situées pour tous les rayons dans la partie avant du réflecteur et sont donc plus longues. I1 en résulte une divergence moindre du faisceau et une plus grande quantité de lumière dans l'orifice. Malgré les techniques sus-mentionnées permettant d'augmenter les lumens dans un faisceau étroit, on n'obtient qu'une commande insutfisante du profil d'éclairement du faisceau, cl la plus grande partie de la lumière est concentrée au centre du faisceau. Ceci est également vrai lorsqu'on ne fait pas appel à des techniques de rétrécissement du faisceau et lorsqu'un fat~ ceau plus large est admissible. L'invention envisage un réflecteur correspondant à piu près à une série de segments incurvés et coaxiaux de même forme géométrique. les rayons lumineux frappant chaque segment sont réfléchis pour former un cercle sur un plan perpendiculaire à l'axe du réflecteur au point de celui-ci où le profil d'éclairement doit être commandé. Le profil d'éclairement de ce cercle dépend au moins en partie de la distance entre le foyer interne du segment et le point chaud de l'arc. La distance entre le foyer interne et l'arc et la forme (c'est-à-dire l'équation) de la surface de chaque segment sont choisies de façon que la combinaison des profils d'éclairement, dans le plan considéré, dus à tous les segments avoisine le profil d'éclairement du réflecteur. Dans un mode de réalisation préféré du réflecteur, les segments ont une forme ellipsoldale, chacun ayant un foyer externe commun, et le profil d'éclairement avoisine un profil d'éclai- rement uniforme sur un orifice positionné au niveau du foyer externe. Dans un autre mode de réalisation préféré, un segment sphérique est fixé à l'arrière de la partie multiellipsoidale, de sorte que la lumière frappant ce segment sphérique est réflé chie en traversant la région de l'arc. Cette lumière est ensuite réfléchie en dehors de la partie ellipsoldale avec une distance plus grande entre l'arc et le réflecteur et une dispersion moir dre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description suivante, donnée unique ment à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexes dans lesquels la Fig. 1 est une vue en coupe transversale, en partie schématique , d'une lampe à arc court comportant un réflecteur ellipsoidal suivant l'invention la Fig. 2 est un schéma montrant le positionnement des foyers par rapport au point chaud de l'arc dans le cas d'un réflecteur ellipsoidal suivant l'invention les Fig. 3A à 3E sont des profils d'éclairement d'un réflecteur de la technique antérieure et de plusieurs modes de réalisation de réflecteur suivant l'invention la Fig. 4 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation du réflecteur suivant l'invention qui comporte un segment sphérique. La Fig. 1 représente une lampe à arc court comportant un réflecteur ellipsoidal suivant l'invention. Les détails de la lampe ne sont pas représentés, en dehors du réflecteur. La lampe comporte un élément cylindrique 11, qui en combinaison avec la fenêtre 12 et l'embase 13, constitue une enceinte scellée remplie de gaz sous pression élevée. La cathode 14 est supportée près de la fenêtre 12 par des entretoises 15 fixées à la partie inférieure 16 de la bague 17. L'anode 18 est supportée dans l'embase 13 de manière à définir un intervalle de formation d'arc court 20 entre l'anode 18 et la cathode 14. Le réflecteur 19, ayant la forme décrite en détail ci-dessous, est supporté près de la fenêtre 12 en étant fixé à la bague 17. Pendant le fonctionnement, un potentiel électrique est appliqué à l'espace 20, de sorte qu'une décharge électrique se produit. Il en résulte une source lumineuse de dimension finie située à la pointe de la cathode 14. Le point chaud 21 de cette source n' est pas situé au centre de celle-ci mais au contraire le point chaud 21 émet un plus grand nombre de lumens sur le côté dans la direction de l'anode 18. Le réflecteur 19 se compose d'ne série de segments incurvés, l'un au moins des segments ayant un/ou plusieurs foyers différents des autres segments. Dans un mode de réalisation préféré, on utilise environ 200 segments ellipsoldaux, choisis comme décrit cidessous en relation avec la Fig. 2, chacun ayant un foyer externe commun au niveau de l'orifice 22 mais des foyers internes répartis dans la région de la source lumineuse. Le profil d'éclairement qui en résulte au niveau de l'orifice 22 est décrit ci-après en relation avec la Fig. 3. On utilise des lentilles (non représentées) pour recueillir la lumière après qu' elle a traversé l'orifice et pour la concentrer sur le faisceau désiré. La lampe, l'orifice et les lentilles sont logés normalement dans un ensemble qui est opaque sauf au niveau de ltextré- mité des lentilles, de sorte que la lumière ne traverse par l'orifice et que les lentilles restent dans l'ensemble. L'invention a pour but de fournir un réflecteur qui praduise, au moins à peu près, un profil d'éclairement désiré dans une région d'un plan perpendiculaire à l'axe du réflecteur. On peut voir l'effet obtenu en divisant le réflecteur en segments à la Fig. 2. Dans le mode de réalisation représenté, chacun des dix segments a une forme ellipsodaie, chaque segment ayant un foyer externe commun. Le profil d'éclairement concerné est celui de l'orifice, c'est-à-dire un cercle centré sur le foyer externe et dans un plan perpendiculaire à l'axe du réflecteur. Chaque segment est constitué par une bague coaxiale par rapport à tous les autres segments. La Fig. 2 représente un rayon lumineux tracé entre chacun des foyers I et 10 et le point milieu du segment associé et ensuite jusqu'au foyer externe (appelé rayon principal"). il existe un tel rayon principal pour tous les points milieux entourant la bague formant le segment. L'analyse est toutefois plus simple si l'on considère seulement un rayon principal pour chaque segment. Pour chaque rayon principal, l'orifice forme l'image d'un cercle centré sur le foyer associé dans le plan perpendiculaire au rayon ("cercle focal"). Pour les dix segments, le point chaud de l'arc est situé à une position différente par rapport à chacun des dix rayons principaux.Etant donné que le point chaud est situé dans le cône des rayons de chaque cercle focal, une lumière maximale est réfléchie vers l'orifice mais, en raison de l'emplacement différent du point chaud, la lumière provenant de chaque cercle est répartie différemment sur 11 orifice. Par exemple, pour le segment 1 de la Fig. 2, le point chaud est plus proche du bord du cône des rayons à partir de son cercle focal, lorsqu'on le compare au cercle focal du segment 10. Par conséquent, il est réfléchi plus près du bord de l'orifice par le segment 1 une plus: grande quantité de lumens que par le segment 10. Le diamètre du réflecteur à son extrémité avant, c'està-dire l'extrémité du segment 10, est dicté par le coût et d'autres considérations générales de conception. La longueur axiale utilisable maximale du réflecteur est alors dictée par la conception de la cathode, étant donné que la cathode empêche de passer une partie importante de la lumière (voir Fig. 1). Le diamètre et la longueur étant déterminées, on choisit la position du foyer du segment 1 par rapport au point chaud. Comme on le verra, ce positionnement est critique pour le profil d'éclairement mais, à ce point de la description, il peut être choisi arbitrairement. La position du foyer du segment 1 étant choisie, on fixe la distance séparant les foyers des segments 1 et 10. A ce point, cet opération peut être également effectuée arbitrairement. A ce point, de même, on peut répartir les foyers régulièrement entre les foyers 1 et 10 et les longueurs axiales des segments peuvent être égales. En commençant par la position du foyer correspondant au segment 10, la position du foyer externe et le diamètre du bord externe du segment 10, on détermine l'pquation de l'ellipse définissant le segment 10 à partir de relations mathématiques connues. Ayant spécifiée la longueur axiale du segment 10, on peut déterminer le diamètre au niveau du bord interne du segment 10. Ceci est également le diamètre au niveau du bord externe du segment 9. Ainsi, l'équation correspondant au segment 9 peut être déterminée, en passant ensuite au fur et à mesure à chaque segment. Comme il est clair pour les spécialistes, on peut former facilement un programme de calculateur your effectuer ces calculs. Ayant établi tous les paramètres de chaque segment, on peut déterminer le profil d'éclairement de cette configuration. Ceci s'effectue commodément, de nouveau par programme de calculateur, en calculant les lumens réfléchis par chaque cercle focal. L'orifice est divisé en un certain nombre d'anneaux concentriques. Ensuite, on peut calculer les lumens réfléchis par chaque cercle focal de chaque anneau de l'orifice, en intégrant pour tous les points entourant le segment. En ajoutant les lumens émis par tous les segments, on détermine la quantité de lumière dans chaque anneau de l'orifice, ce qui fournit un profil d'éclairement. Le positionnement des premier et dixième foyers peut être modifié, ainsi que l'uniformité d'espacement des foyers et des longueurs axiales des segments afin d'obtenir un profil d'éclairement différent jusqu'à ce que l'on parvienne au profil désiré. L'expérience a montré que la modification de ltespacement et de la longueur axiale a peu d'effet, au moins lorsqu'on désire un profil uniforme. Toutefois, le positionnement des foyers par rapport au point chaud est critique. On peut s'en rendre- compte en observant les profils d'éclairement des Fig. 3A à- 3E. La Fig. 3A est le profil correspondant à un réflecteur ellipsoidal unique de la technique antérieure, le foyer interne étant situé au poin chaud et le diamètre avant étant de 51 mm. La fig. 3B montre l'effet obtenu en déplaçant le foyer du même réflecteur de 0,38 mm vers l'arrière de la lampe.Ce profil est plus uniforme que celui de la Fig.3 C pour un réflecteur suivant l'invention dans lequel le foyer F1 correspondant au segment 1 est situé au point chaud et le foyer F10 est situé en carrière à une distance de 0,685mm. Toutefois, en déplaçant chacun des foyers F1 à F1G verv l'arrière de 0, 381 mm, on obtient le profil de la Fig. 3D tand qu'en les déplaçant en arrière de 0,635 mm, on obtient le profil de la Fig.3E. De plus, lorsque la cathode diminue de longueur en se consumant au cours du fonctionnement, l'uniformité n'est pas détruite et peut être en fait améliorée lorsque le point se décale vers l'avant, en s'écartant des foyers. Comme mentionné, l'emploi d'un programme de calculateur simplifie la manipulation des paramètres pour obtenir un nouveau profil. Ceci peut être effectué jusqu'à obtention d'un profil voisin du profil désiré. En raison de la diffusion de la lumière dans l'atmosphère, il n'est pas nécessaire d'obtenir un profil précis. Le procédé décrit peut être utilisé pour tout type de profil ainsi que pour d'autres formes géométriques, comme par exemple un parabololde, En particulier, l'uniformité de l'espacement et la longueur axiale peuvent être alors plus significatifs. Certains segments également peuvent avoir les mêmes foyers que d'autres. Ayant choisi les équations des segments, on peut les utiliser ainsi que les coordonnées des bords des segments comme entrées d'un appareillage d'usinage commandé numériquement pour fabriquer un support ou un mandrin d'électroformage. Toutefois, avec seulement dix segments, la surface de l'ouvrage obtenu ne présentera pas une surface régulière. Il convient donc d'augmer- ter le nombre des segments et de le porter par exemple à 200 et de polir ensuite la surface obtenue pour obtenir un contour ré- lier. Les surfaces réalisées ne sont pas exactement ellipsoldales mais correspondent à peu près à des ellipsoldes, et la variation du profil est minimale en raison de la longueur de chaque surface et par conséquent, l'erreur introduite est faible. On notera to: tefois qu'il n'est pas nécessaire que la surface usinée soit el- lipsoîdale, les erreurs introduites seront de nouveau minimales, mdme dans le cas d'une surface de forme conique reliant les bords des segments. il suffit que la surface finie corresponde sensiblement aux segments ellipsoidaux combinés. La Fig. 2 représente la dispersion plus grande de la lumière par le cercle focal 1 en comparaison du cercle focal 10. Comme on peut le voir à la Fig. 1, le réflecteur 19 s'étend normalement au-delà du plan du foyer F1 afin de réduire la quantité de lumière réfléchie. Toutefois, la dispersion de la lumière réfléchie par cette partie arrière est même plus grande que celle représentée à la Fig. 2. Pour cette raison, il est commode, comme représenté à la Fig. 4 de rendre la partie arrière 23 sphérique au lieu d'ellipsoidale. Le centre de la sphère est situé au foyer F1. Ceci permet à la lumière provenant du point chaud et du volume qui l'entoure immédiatement d'être réfléchie par la partie sphérique et de traverser les cercles focaux pour les segments plus proches de l'avant du réflecteur aux points plus proches de leurs centres, ce qui améliore l'uniformité de l'éclairement. il est commode également, comme représenté à la Fig. 4, de prolonger la partie ellipsoSdale 24 du réflecteur 19 jusqu'à l'arrière du plan du foyer F1. La surface de ce prolongement est donné commodément par l'équation du segment 1. Ce prolongement permet d'enlever plus facilement le réflecteur fini du mandrin de formage par dépôt électrolytique. REVENDICATIONS 1. Réflecteur destiné à être utilisé dans une lampe à arc, caractérisé en ce qu'il comprend une série de parties raccordées qui comportent des surfaces correspondant à peu près à des segments incurvés et coaxiaux de même forme géométrique, l'un des segments au moins ayant au moins un foyer situé à une certaine distance du foyer correspondant d'au moins un autre des segments. 2. Réflecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les segments sont ellipsoldaux. 3. Réflecteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le foyer externe de chacun des segments est le même pour tous les segments et en ce que le foyer interne de chacun des segments est situé à une certaine distance du foyer interne de chaque autre segment. 4. Réflecteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que tous les foyers internes sont espacés vers l'arrière de la lampe à partir du point le plus chaud de l'arc de la lampe. 5. Réflecteur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le foyer correspondant à chaque segment est situé derrière le foyer commun à tous les segments, en avant dudit segment et en ce que chaque foyer est situé à une distance égale des foyers voisins. 6. Réflecteur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que tous les segments internes ont une longueur axiale égale. 7. Réflecteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le réflecteur comporte une partie ayant une surface sphérique, cette partiesph6rique étant fixée à l'extrémité de la série de parties raccordées au niveau de l'extrémité la plus proche de l'arrière de la lampe. 8. Réflecteur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le centre de la surface sphérique est situé au foyer le plus proche du point le plus chaud de l'arc de la lampe. 9. Lampe à arc, caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte étanche comportent une fenêtre à une extrémité, une cathode et une anode supportées dans l'enceinte et situées à une certaine distance l'une de 11 autre afin de définir entre elles un court espace de décharge, un gaz ionisable remplissant au moins l'espace de décharge, un réflecteur supporté dans l'enceinte et comportant une série de parties raccordées, ces parties ayant les surfaces qui correspondent à peu près à des segments incurvés et coaxiaux de même forme géométrique, l'un au moins des segments ayant au moins un foyer situé à une certaine distance du foyer correspondant d'au moins un autre des segments.