Brevet FR2123367A1 — publié le 19720908

La présente invention concerne des. réflecteurs destinés à l'énergie rayonnante, et plus spécialement un ensemble à réflec teurs destiné à atténuer certaines composantes spectrales dont l'intensité dépasse le nivepu énergétique normal d'un rayonne-5 ment. Dans la technique de l'éclairage, en particulier quand on emploie des tubes fluorescents, il est connu que le rayonnement secondaire engendré par la couche de matière luminescente- ou luminophore- peut être associé à des composantes énergétiques 10 spectrales attribuables à la source primaire, à.savoir l'arc au mercure. Le spectre de cet arc comporte en général un grand nombre de bandes étroites constituées par des raies d'émission dont l'intensité dépasse celle du spectre continu du luminophore On les dénomme couramment maxima ou crêtes et leurs intensités 15 sont variables de l'une à l'autre. Ces maxima du spectre de rayonnement n'ont pas grande importance pour l'éclairage général Par conséquent, les réflecteurs et diffuseurs employés pour j ces sources de lumière sont neutres, c'est-à-dire réfléchissent la totalité, ou la quasi-totalité, de l'énergie dans le spectre 20 visible dans une proportion constante. Cependant, il faut parfois réellement se rapprocher d'une répartition spéciale de l'énergie spectrale, par exemple de la lumière du jour, dans divers domaines, tels celui de l'examen visuel. Ces domaines comprennent l'harmonisation des teintes 25 des pigments, des teintures, des colorants, les traitements et opérations photographiques et analogues. Dans la plupart des cas, l'éclairage d'examen est produit par un ou plusieurs tubes fluorescents montés dans un type quelconque d'appareil d'éclairage réfléchissant-diffusant. Cependant, 30 il existe dans la fenêtre spectrale comprise entre 300 et 700 nanomètres, de nombreuses raies d'émission intenses, caractéristiques du rayonnement excitant le luminophore. Les appareils actuels d'éclairage réfléchissants —diffusants ne font rien pour réduire ou supprimer ces raies gênantes d'émission indé-35 sirables et, en même temps, laissent le reste de la répartition de l'énergie spectrale de l'ensemble tube-appareil d'éclairage pratiquement inchangé. 72 02217 2 2123367 L'invention concerne essentiellement un procédé dit de "filtrage négatif" et des procédés destinés à diriger l'énergie émise par les tubes fluorescents et autres appareils d'éclairage analogues sur des réflecteurs dont la surface a une struc-5 ture telle qu'elle modifie de manière prédéterminée l'énergie réfléchie et atténue le rayonnement indésirable. Selon une caractéristique particulière de 1'.invention, l'atténuation sélective de raies gênantes d'émission d'un spectre d'énergie rayonnante a une action faible ou nulle sur la qualité 10 spectrale de l'ensemble du rayonnement. L'invention a l'avantage notable que les réflecteurs destinés à régler et à conformer le spectre émis par une source de lumière sont simples et bon marché. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux 15 compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une coupe schématique d'un ensemble à réflecteurs selon l'invention, entourant un tube fluorescent et cons-20 titué par un réflecteur principal P et un réflecteur secondaire S; la figure 2 est une vue partielle en plan du réflecteur secondaire\ la figure 3 est une coupe à grande échelle de la surface du réflecteur principal; 25 la figure 4 est une vue semblable du réflecteur secondaire; et la figure 5 est une courbe représentant la répartition spectrale du rayonnement d'un tube fluorescent, les longueurs d'onde étant portées en nanomètres en abscisses et les unités arbitraires d'intensité, en ordonnées. 30 La figure 1 représente un réflecteur concave placé au- dessus du'tube fluorescent et un réflecteur plus petit et de forme semblable, placé au-dessous de ce tube. Ces réflecteurs sont essentiellement constitués par un substrat A qui sert à la fois de réflecteur spéculaire non dif-35 fusant et de support pour plusieurs couches superposées constituées par des dépôts et désignées par B, C, D et E. Elles sont appliquées uniformément sur la surface du réflecteur principal. 72 02217 3 2123367 Le réflecteur secondaire est subdivisé en deux moitiés dans le sens de la longueur, l'une constituée par des couches superposées A, B, , D et E et l'autre moitié par des couches A, B, Gg, D et E superposées. Le but et le rôle de ces couches 5 sont expliqués ci-après. Il suffit d'indiquer que toutes ces couches ont une épaisseur prédéterminée et peuvent être déposées sur le substrat par divers procédés., de préférence par dépôt sous vide. La coupe de la figure 3'comporte des'références.à divers 10 constituants des couches déterminera vue d'obtenir le résultat souhaité. Sur cette figure et sur la figure 4> la référence T désigne la transparence ; T ^ désigne l'épaisseur "physique" et Tq désigne l'épaisseur optique. Le sens des autres références est expliqué ci-après. 15 le substrat A peut être■en verre 11, matière plastique 12 ou aluminium 13 et constitue le support mécanique des divers revêtements ou couches qui,dans l'ensemble,constituent une surface d'épaisseur optique telle qu'elle forme une "cavité résonnante" pour des longueurs d'onde choisies, à savoir celles de certaines 20 raies caractéristiques du plasma, en général du mercure, nécessaires pour porter, par excitation, les électrons de valence du luminophore de l'enduit du tube fluorescent au niveau d'énergie nécessaire pour une émission lumineuse. On voit par ailleurs sur les figures 3 et 4 que le premier 25 revêtement, ou couche B, placé sur le substrat non diffusant à réflexion spéculaire,est constitué par une couche sëmi-transpà-rente d'aluminium ou d'argent dont l'épaisseur physique est voisine de 50 "mil!imicrons. Ceci correspond à une transparence convenable. Une couche isolante C, dont la substance peut être 30 choisie parmi divers sels métalliques, par exemple le sulfure de zinc, le bioxyde de cérium, l'oxyde de zirconium, l'oxyde d'aluminium, le monoxyde de silicium ou le fluorure de magnésium, est déposée sur la couche B. L'épaisseur optique de la couche C est choisie en fonction des raies d'émission particulières à 35 atténuer. La troisième couche D est semblable à la première couche B. On voit que les couches B et D, avec la couche isolante C 72 02217 4 2123367 intercalée, forment la cavité optique qui doit entrer en résonance pour - où à proximité de - la longueur d'onde qui doit être atténuée, la quatrième couche E est une couche facultative de matière isolante semblable à la couche C et forme en même temps 5 un revêtement protecteur. le réflecteur secondaire, plus petit, représenté en coupe sur la figure 4;comporte des couches semi-transparentes semblables à celles du réflecteur principal, le substrat A est identique à celui du réflecteur principal et peut être en verre, matière 10 plastique ou aluminium, le choix étant commandé par les conditions de réalisation ou de fabrication, la première couche B formant la cavité est constituée, comme pour le réflecteur principal, par de l'aluminium ou de l'argent d'épaisseur physique voisine de 50 millimicrons, avec une transparence globale pour 15 la lumière comprise entre 3 et 10$. Cette couche isolante est représentée subdivisée en deux zones distinctes, C^ et 0^* orientées longitudinalement et parallèlement, la substance constituant chaque zone est un sel métallique choisi dans le groupe indiqué à propos de la couche C du réflecteur principal. 20 Ces couches diffèrent par leur épaisseur optique, la couche C.j est établie de manière à avoir une épaisseur optique équivalente à X =-578/2 nm, c'est-à-dire 289 nm, tandis que l'autre moitié C^ est établie de manière à avoir une épaisseur optique de X = 405/2 nm, c'est-à-dire 202,5 nm. le choix de ces 25 épaisseurs optiques est commandé, on le voit, par les longueurs d'onde des raies d'émission représentées sur la figure 5> à savoir celles de longueur d'onde 578 et 405 nm. Elles sont à l'extérieur de la zone d'action de la cavité résonnante du réflecteur principal. On a observé que cette configuration des 30 couches parallèles du réflecteur secondaire donne de bons résultats. On peut choisir d'autres structures en forme de mosaïque sans sortir du cadre de l'invention. le choix des diverses épaisseurs optiques pour obtenir les cavités résonnantes choisies est basé sur le principe des filtres 35 interférentiels. les réflecteurs sont en fait des filtres de caractéristiques variant avec la longueur d'onde du spectre, provoquant des réflexions nulles ou affaiblies pour des longueurs 72 02217 s 2123367 d'onde choisies. Les emplacements et largeurs de bande de ces zones à réflexion nulle sont fonction de l'épaisseur optique t de l'ensemble du filtre, de l'ordre d'interférence m et de l'angle d'incidence . Cette relation fonctionnelle est exprimée par l'équation ci-après : 2t cos = m X (Equation 1 ) dans laquelle : t représente l'épaisseur optique totale du filtre, y compris la couche d'espacement et compte tenu des déphasages aux diverses intersurfaces réfléchissantes, 4 représente l'angle d'incidence du rayonnement considéré m représente l'ordre d'interférence X représente la longueur d'onde d'une des bandes passantes. Pour faciliter la compréhension, on étudiera uniquement les rayonnements tombant sur la surface du réflecteur sous une incidence normale (cos = 1 )} ce qui ramène l'équation 1 à 2t = m X (Equation 2) L'étude de l'équation 2 indique que si la cavité a une épaisseur optique t de 1092,1 nm et est conçue de manière à avoir une bande du passante/quatrième ordre pour 546 nm, les sous-multiples dç la septieme bande du premier ordre, notamment le cinquième,le sixième et le/, correspondent à 436 nm, 364 nm et 312 nm, longueurs d'onde qui diffèrent au maximum d'un nanomètre des longueurs d'onde de plusieurs des raies d'émission intense du mercure qui doivent être atténuées (figure 5). Il n'est pas indispensable que les bandes passantes des cavités résonnantes correspondent exactement aux fréquences des raies d'émission, étant donné qu'une réalisation appropriée du réflecteur crée, dans chacune des zones d'atténuation, une bande passante dont la largeur à mi-amplitude est suffisante pour englober la fréquence caractéristique d'une raie d'émission déterminée. Le filtre fonctionne selon le principe ci-après : un front d'onde polychromatique tombe sur la couche métallique extérieure 72 02217 6 2123367 semi-transparente du filtre en plusieurs couches. Une partie de cette énergie est réfléchie dans une proportion pratiquement constante. Cependant, si l'on néglige la dispersion, l'énergie non réfléchie pénètre dans la couche d'espacement ou cavité 5 optique et atteint la couche intérieure ou seconde couche semi-transparente. A nouveau, une partie de cette énergie, toujours polychromatique, est renvoyée dans la cavité optique. Cependant, les fronts d'onde ultérieurs réagissent sur cette énergie réfléchie, et étant donné les caractéristiques fonction de la fré-10 quence de la cavité optique, seules les fréquences pour lesquelles cette cavité a une épaisseur optique correspondant à un nombre entier de demi-longueurs d'onde sont renforcées, ce qui conduit à une transparence relativement élevée ou, inversement, les zones de pouvoir réfléchissant réduit correspondant 15 aux fréquences des raies d'émission à affaiblir. Par conséquent, ce filtre donne naissance à des bandes étroites, où le pouvoir réflecteur est faible,.qui abaissent à leur tour les niveaux énergétiques correspondant aux diverses fréquences des raies d'émission à un niveau voisin de celui du spectre con-20 tinu du luminophore. Si l'on étudie la figure 5 à ce point de vue, on voit que quatre des raies d'émission de la source primaire, à savoir et 312, 364,6, 436,9 /546,1nm coïncident sensiblement avec une plage de réponses d'une seule cavité résonnante. Par conséquent, ces 25 raies d'émission sont atténuées dans une proportion telle qu'elles sont réfléchies avec une intensité très voisine de celle du spectre continu du luminophore. les raies d'émission (maxima) à 405 et 578 nm ne tombent pas dans la zone de réponse du réflecteur principal. Par consé-30 quent, il faut couvrir les deux zones, à savoir celle du rayonnement direct du tube et les raies d'émission perturbatrices susmentionnées. C'est à cela qu'est destiné le réflecteur secondaire. Il empêche le rayonnement primaire d'atteindre directement la zone d'utilisation et comporte des cavités résonnantes du 35 premier ordre pour atténuer les maxima excessifs à 405 et 578 nm. On peut, par le mode de réalisation ou de mise en place des réflecteurs décrits ci-dessus, modifier l'émission spectrale 72 02217 7 2123367 d'un tube fluorescent de manière à éliminer les effets des raies d'émission caractéristiques intenses du mercure dans la fenêtre spectrale comprise entre 300 ei 700 nm. Etant donné que ces réflecteurs se comportent dans un certain sens comme des filtres, 5 bien que l'absorption d'énergie par transmission au récepteur soit faible ou nulle, le procédé décrit ci-dessus peut être dénommé à juste titre "filtrage négatif". Dans une réalisation pratique, on opère de la manière suivante pour réaliser les revêtements formant les cavités optiques 10 désirées : Les substrats, en verre, aluminium ou matière plastique sont nettoyés à fond avant de les placer sur les appareils d'enduction correspondants. On procède au nettoyage de la manière suivante : 15 1. Lavage dans l'eau du robinet à une température comprise entre 50 et 75°C pendant au moins 2 mn. 2. Nettoyage par ultra-sons dans une solution de détersif chimiquement neutre, tel que l'Alconox, à une température comprise entre 50 et 75°C pendant au moins 2 mn. 20 3. Lavage dans l'eau courante du robinet à une température entre 50 et 75°C pendant au moins 2 mn. 4. Lavage dans un bain d'eau distillée, agitée par des ultrasons, à une température comprise entre 50 et 75°C pendant au moins 2 mn. 25 5- Séchage par courant d'air. L'air est à une température comprise entre 50 et 75°C. Les supports des substrats sont ensuite placés sur un support de pièce dans un évaporateur sous vide. Pour rendre le revêtement plus uniforme, le support de pièce est du type tournant, 30 planétaire. Bien qu'on puisse employer divers modèles d'appareils industriels d'enduction sous vide, toutes les opérations d'enduction ont été exécutées à l'aide d'un évaporateur Balzer type BA 510, comportant une pompe à diffusion d'huile débitant 1500 l/s, épaulée par une pompe mécanique débitant 700 l/mn, 35 avec régulation de la pression des gaz. On fait le vide dans la chambre d'enduction jusqu'à une _3 pression comprise entre 1 et 1,5.10 torr, ensuite on commence 72 02217 8 2123367 à chauffer le substrat et à procéder au nettoyage par décharge luminescente. Pendant ce temps, le support tournant planétaire tourne à la vitesse constante de 7»5 tr/mn. Cette vitesse n'a pas grande importance car n'importe quelle vitesse peut convenir 5 en pratique. Cette décharge luminescente est entretenue sous environ 7000 V et 50 à 70 mA pendant 5 à 10 mn. Cette puissance et cette durée ne sont pas non plus imposées. On .continue à chauffer le sunstrat jusqu'à ce qu'il atteigne une température d'au moins 100°C. Lorsqu'on procède au revêtement de substrats 10 en matière plastique la température est, pour des raisons évidentes, maintenue au-dessous de 75°C afin d'empêcher toute défor mation. A la fin de la partie du cycle d'opérations correspondant à la décharge luminescente, on ferme la soupape commandée qui 15 maintient la pression relativement élevée nécessaire pour entre tenir la décharge luminescente, et on abaisse la pression dans — 5 la chambre à 10 torr, ou moins. Quand les substrats atteignent la température choisie, on augmente la vitesse de rotation de la monture ou support de 20 pièce jusqu'à environ 22,7 tr/mn. On commence à ce moment à déposer successivement les diverses couches. Les substances citées à titre d'exemple sont celles qui donnent, d'après l'expérience, des résultats optimaux en ce qui concerne l'atténuation de l'intensité des raies d'émission du 25 mercure jusqu'à un niveau sensiblement égal à celui du spectre continu du luminophore. La substance de la première couche, de l'aluminium, est portée à la température d'évaporation dans un creuset de molybdène chauffé par résistances. Les substrats sont séparés du cou-30 rant de vapeur jusqu'à ce qu'on observe une vitesse constante. Cette vitesse, qui doit être d'au moins 10 nm/s, est contrôlée • _c en maintenant la pression du gaz residuel entre 6.10 torr et _5 8.10 torr pendant le dépôt. Le volet de séparation est ensuite ouvert et le dépôt d'aluminium commence. Le réglage de l'épais-35 seur de la couche d'aluminium est réalisé à l'aide d'un photomètre à faisceaux modulés fonctionnant par transparence. Le dépôt d'aluminium dure jusqu'à ce que l'appareil de contrôle 72 02217 9 2123367 indique une transparence comprise entre 3 et 10$, à ce moment on ferme le volet et on coupe le chauffage du creuset. A cette opération succède une préparation précédant le dépôt de la couche de diélectrique, du sulfure de zinc. Pour procéder à un 5" contrôle, on intercale un filtre interférentiel du second ordre à pour 480 nm dans un faisceau de transmission du photomètre/faisceaux modulés. Ii'emploi de ce filtre particulier est imposé par la disposition géométrique de l'appareil d'enduction lui-même et il aurait évidemment d'autres caractéristiques dans un autre 10 type d'équipement. La vaporisation du sulfure de zinc est réalisée à l'aide d'un bombardement électronique par un faisceau d'électrons de 3 kVA. Cette substance est portée lentement à la température nécessaire (en 3 à 5 mn) pour l'empêcher de crépiter. Pendant 15 l'augmentation de la puissance, les substrats et l'appareil, de contrôle sont séparés de la source par un écran. La puissance du canon émettant le faisceau d'électrons est augmentée jusqu'à ce que la puissance dissipée atteigne environ 48 W (1200 Y et 40 mA). Le volet protégeant de l'action de la source reste fermé ' 20 jusqu'à ce que la pression dans la chambre se stabilise à environ —5 ' 3.10 torr. Le volet est alors ouvert et le dépôt continue jusqu'à ce que l'appareil de contrôle optique indique que le troisième maximum est atteint. A cet instant, l'association de la disposition géométrique de l'appareil d'enduction, de la vi- 25 tesse de dépôt et de la vitesse de rotation du support de la pièce a permis de réaliser une couche isolante dont l'épaisseur optique est de 2 X avec X = 546,1 nm. La troisième couche en aluminium métallique est ensuite déposée de la même manière que la première couche, à part que 30 le filtre pour 480 nm reste intercalé dans le faisceau de transmission du photomètre à faisceaux modulés. On laisse refroidir les substrats jusqu'à une température raisonnable (50°C) avant de laisser rentrer l'air et de les retirer de la chembre d'enduction. 35 Le mode opératoire décrit ci-dessus est celui employé pour la réalisation du réflecteur principal. Le mode d'enduction du réflecteur secondaire est pratiquement le même, sauf qu'on 72 02217 10 2123367 emploie d'autres fréquences de contrôle pour créer des zones d'atténuation pour des longueurs d'onde appropriées. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est 5 susceptible de diverses variantes, sans sortir de son cadre. 72 02217 n 2123367 KBYBTOICATIOBS 1. Procédé d'atténuation des maxima excessifs de certaines composantes spectrales dans une bande déterminée de longueurs d'onde d'énergie rayonnante, caractérisé en ce qu'on soumet 5 ladite énergie rayonnante à plusieurs réflexions par un groupe de réflecteurs dont les surfaces ont des formes représentant des cavités résonnantes correspondait à des longueurs d'onde choisies desdites composantes spectrales. 2. Procédé selon la revendication 1 , appliqué à des maxima 10 excessifs desdites composantes spectrales qui sont propres à une première source de rayonnement, caractérisé en ce que lesdits réflecteurs comportent des zones espacées d'épaisseur optique telles qu'elles forment des cavités résonnantes pour des longueurs d'onde représentant des sous-multiples des longueurs d'onde des-15 dites composantes du spectre. 3.-Procédé selon la revendication 1 appliqué au cas dans lequel ladite bande de rayonnement comprend un spectre secondaire continu et lesdites composantes spectrales sont celles de la source principale, à savoir de la vapeur de mercure, caractérisé 20 en ce que la cavité résonnante du premier desdits réflecteurs comporte des bandes passantes dans les quatrième, cinquième, sixième et septième ordres et le second desdits réflecteurs comporte des cavités pour les longueurs d'onde fondamentales. 4. Appareil destiné à abaisser l'intensité des maxima de 25 rayonnement au niveau d'ensemble du spectre continu d'une source lumineuse du type à décharge gazeuse émettant une bande d'énergie spectrale correspondant à un rayonnement secondaire, ladite bande contenant en des emplacements bien déterminés du spectre continu d'émission des bandes étroites de rayonnement d'inten-30 sité excessive propres à la source de rayonnement primaire, caractérisé en ce qu'il comprend un réflecteur principal associé à ladite source de lumière et comportant une surface réfléchissante comprenant une cavité optique résonnant à un sous-multiple de la longueur d'onde de certains desdits maxima de rayonnement 35 et un réflecteur secondaire associé à ladite source lumineuse et comportant des surfaces réfléchissantes comprenant des cavités optiques résonnant à la longueur d'onde fondamentale de certains desdits maxima de rayonnement. 72 02217 12 2123367 5. Appareil selon la revendication 4, dans lequel ladite source lumineuse est un tube fluorescent à vapeur de mercure, caractérisé en ce que ledit réflecteur principal comporte une cavité optique du premier ordre pour 2184,4 nm et ledit réflec- 5 teur secondaire comporte des cavités optiques du premier ordre pour 405 et 578 nm. 6. Appareil à un tube fluorescent du type à vapeur de mercure, un réflecteur principal orienté longitudinalement étant placé au-dessus dudit tube et comportant un substrat solide, 10 une première courche semi-transparente d'une substance métallique déposée sur ledit substrat, une seconde couche diélectrique transparente constituée par des sels métalliques déposés sur ladite première couche et une troisième couche métallique semi-transparente déposée sur ladite seconde couche, caractérisé 15 en ce que lesdites couches ont une épaisseur optique combinée voisine de 1092,2 nm, un réflecteur secondaire orienté longitudinalement étant placé au-dessous dudit tube et comprenant un support ou substrat massif, deux bandes adjacentes semi-transpa-rentes distinctes d'une substance métallique déposée sur ledit 20 substrat, une couche diélectrique transparente de sels métallique déposés sur chacune desdites bandes adjacentes et une couche semi transparente d'-une substance métallique déposée sur chacune des-dites couches mentionnées en dernier, et l'ensemble combiné des couches d'une desdites bandes a une épaisseur optique d'environ 25 202,5 nm et l'ensemble combiné des couches de la seconde desdites bandes a une épaisseur optique d'environ 289 nm.