Brevet FR2201425A1 — publié le 19740426

La présente invention comprend un nouveau système optique pour projection d'images associé à une source lumineuse. Les miroirs paraboliques et elliptiques associés à des lampes au xénon et à arc sont bien connus. En particulier, dans le cas dc simulateurs de rayonnements solaires, il faut des faisceaux uniformes, ou variant suivant une loi prédéter minée, de grande intensité. En général, ces miroirs comportent paroonstrction plusieurs éléments en forme d'ellipse, dont chacun contribue à ltobtention d'une image d'intensité mod- riment uniforme. Ce résultat a été obtenu en subdivisant le miroir en plusieurs éléments, les axes de ces divers déments étant décalés par rapport à ltaxe de la lampe.Un exemple d'en- semble de ce genre est décrit dans le brevet des Etats-Unis dAmérique n 3 449 561. Les miroirs complexes sont modérément efficaces pour atteindre l'objectif cherché, mais la surface du miroir lui mdme doit @tre usinée avec precision et, étant donné leur structure complexe, ces miroirs comportent des discontinuités ou des parties inefficaces. Une autre solution du problème de l'éclairement uniforme d'un élément de surface plan est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 1 275 120 et comporte une surface de révolution obtenue à partir d'un segment ellipse dont le grand axe est décalé de manière à produire un anneau de foyers secondaires, ou conjugués par rapport au premier. Pour obtenir un éclairement d'uniformité suffisante de la pellicule ou d'une fenOtre,\iI est nécessaire de dérégler la mise au point en plaçant ladite pellicule ou fenêtre à une certaine distance du foyer conjugue, ou des foyers conjugués, du système optique. Il a été observé dans le cadre de l'invention, qu:il est possible d'utiliser une surface réfléchissante de révolution obtenue par rotation d'un seul élément d'ellipse dont l'axe forme un angle t prédéterminé avec l'axe de révolution et qui est fonction de: 1) la distance entre les foyers de l'ellipse, et 2) les dimensions de la fenêtre, pour produire un éclairement variant suivant une loi prédéterminée sur la surface de la entre éclairée. On peut réaliser au choix un éclairement uniforme, ou à bords sombres ou encore à bords brillants. Selon l'invention, on fait passer, de plus, une énergie maximale par la entre pour cette répartition prédéterminée de l'éclairement. Ces deux objectifs sont atteints en principe par rotation d'un segment d'une ellipse destiné à réaliser une surface réfléchissante autour d1une droite passant par le premier foyer de l'ellipse et faisant avec l'axe de celleci un angle tel qu'un anneau de foyers conjugués entoure l'ou- verture ou entre éclairée par la source lumineuse et le miroir.Lorsque cette fenêtre est rectangulaire, le diamètre de cet anneau de foyers conjugués est égal à la longueur de la diagonale de ladite entre. Si la source lumineuse a une luminance non uniforne dans le sens de sa longueur, comme c'est le cas avec les lampes à décharge par arc (par exemple les tubes à arc au xénon à courant continu) pour lesquelles la luminance de l'arc est la plus grande à proximité d'une des 4- lectrodes, on forme l'image de la partie de l'arc immédiate- ment au contact de ladite électrode à l'extrémité de la fenêtre.En général, les paramètres de l'ellipse, l'angle # définissant la surface de révolution et la longusur de l'are sont choisie pour une ouverture relative donne du projecteur de manière que la dimension moyenne de Limage de l'arc produite par le miroir sur la fenetre soit voisine des 3/4 de la dimension transversale maximale de la entre. La longueur du segment engendrant le miroir est détermine de manière à recevoir une fraction maximale de l'énergie rayonnée entre les limites du diagramme polaire de rayonnement de la lampe, et la longueur exacte est déterminée à partir de la variation de luminance dans le sens de la longueur de l'arc à l'intérieur de la lampe et de la distribution adoptée de l'éclairement de la fenêtre.Selon l'invention, la fenêtre de la pellicule est placée dans le plan du second foyer de l'ellipse qui engendre la surface de révolution. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'axemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est uile vue en perspective dgun réflecteur ellipsoidal, dont certaines parties sont enlevées pour plus de clarté; - la figure 1A représente graphiquement 11 éclairement obtenu avec le dispositif d'éclairage de la figure 1; - la figure 2 est une vue en perspective d'une réflecteur modifié selon l'invention, engendré par un segment d'ellipse et dont certaines parties sont enlevées pour plus de clarté; - la figure 2A est une représentation graphique de la caractéristique d'éclairement d'une ouverture réalisée à partir de l'ensemble de la figure 2;; - la figure 3 est une vue en élévation latérale avec coupe partielle dlune lanterne selon l'invention représentée en relation fonctionnelle avec un projecteur cinématograpai- que; - la figure 4 est un schéma simplifié de la marche des rayons dans un système optique selon llinvention et comportant une lentille négative; - la figure 5 représente graphiquement le résultat obtenu par la rotation selon l'invention dXun segment d'ellipse; - la figure 6 e-st une vue partielle agrandie d'une source de lumière type mise en oeuvre selon l'invention et de son diagramme do rayomlement polaire;; - la figure 7 est une vue en perspective simplifiée, dont certaines parties sont enlevées pour plus de clarté, d'un dispositif d'éclairage selon l'invention, représentant llin- fluence de la luminance de l'arc et de angle solide embrassé; - la figure 8 est une vue argandie simplifiée d'une source à arc représentant la répartition angulaire de la luminance des arcs mis en oeuvre selon l'invention; - la figure 9 est une image simplifiée de l'arc formée dans la entre lors de la mise en oeuvre de l'invention; et - la figure 10 est une représentation graphique de l'é- clairement de la surface de la entre de la figure 9. La figure 1 représente un miroir ellipsoïdal 10 simple et une source lumineuse 11 placée au premier foyer f1 de son ellipse génératrice. L'énergie lumineuse provenant de la source 11 est rayonnée dans la direction des flèches et concentrée sur un élément plan P normal au grand axe A. Le point dtintersection de ltaxe A et de l'élément plan P est le second foyer f de ellipse. Dans ce cas, l'éclairement local maximal est réalisé au centre de l'élément plan P et la variation d'éclairement entre l'axe et les éléments de surface en dehors de l'axe confère à ce système une valeur limitée. L'éclairement relatif sur toute l'étendue de l'ouverture dans l'élément plan P est représenté sur la figure 1A. Une distribution plus uniforme de l'éclairement peut être réalisée, mais avec une perte d'énergie, dans le cas de la figure 1 en déplaçant la source lumineuse 11 ou 11 élément plan P par-une tran .tbion le long de l'axe Aà partir de leurs positions eprésentées au premier et au second foyer de l'ellipse pour dérégler la mise au point. Avec cette forme de réalisation, on ne peut avoir en même temps une distribution uniforme de l'éclairement et un transfert maximal d'énergie. La figure 2, à la différence de la figure I, ramètres de base pour la présente invention. Dans ce cas, le miroir 12 a une forme quasi-ellipsoïdale. Le miroir 12 est en fait une surface de révolution obtenue en faisant tourner la courbe S autour de l'axe du miroir A. La courbe S est un segment dsune ellipse dont le grand axe M passe par le premier foyer f1 et coupe l'axe A sous un angle # . Cela a pour conséquence que le second foyer f2 de la surface ellipsoidale 12 n'est pas un point unique mais un anneau de foyer f2N pla- cé dans le plan P.La tangente de l'angle A est sensiblement égale à la dimension transversale maximale de l'ouverture associée divisée par le double de la distance entre les foyers de l'ellipse. En général, # est compris entre 0,5 et 30. Dans cet ensemble, la source lumineuse est placée au premier foyer f1 du réflecteur 12 et constituée par un arc 13 de longueur appréciable L. Dans'les lampes à décharge, en par- ticulier les lampes au xénon le rapport des luminances entre les deux électrodes est de l'ordre de 10. Dans un cas de ce genre, la lampe est orientée de manière que la partie de luminance maximale de la décharge se trouve au premier foyer f1. Les paramètres rapport des luminances de la source lumineuse, longueur de l2arc et angle d étant donnés, l'ensemble est conçu de manière à coopérer avec une fenêtre 14 et à faire passer le maximum d'énergie lumineuse à travers cette entre et avec un éclairement sensiblement uniforme de ladite entre (figure 2A). Ce résultat est obtenu dans le cas idéal où ce paramètres sont mis en corrélation pour former une image de toute la longueur L de l'arc dont la longueur ne dépasse pas la dimension transversale maximale de ltouverture à partir de tous les points de la surface engendrée par rotation du segment d'ellipse.Dans ce cas, l'image de llarc 13 est représentée dans le plan P avec une longueur maximale égale à 2R, R étant le rayon de l'anneau des foyers conjugués f2 et la moitié de la dimension transversale maximale de la fenêtre 14. Si cette fenêtre est rectangulaire comme l'indique la figure 2, 2R est égal à la longueur de sa diagonale. La figure 3 représente une application très importante de l'invention. Le dispositif selon l'invention est une source lumineuse de grande intensité destinée à être associée à un projecteur cinématographique 40. Le système optique du projecteur 40 comprenant l'objectif normal 41, le mécanisme 42 d'entratnement de la pellicule et les bobines 43A et 43B n'est pas modifié par la mise en oeuvre de l'invention. Le couloir pour pellicule 44 du projecteur 40 définit l'emplacement de la fenotre 14 de la figure 2. La-lanterne 45 du projecteur 40 est ouverte à l'arrière (ou sur le cOté pour certaines applications) afin de redevoir l'enveloppe 46 de la lanterne du projecteur 50 selon llinvention. Ladite lanterne 50 comprend com- me élément de base une lampe au xénon 51 dans le miroir 12 et alignée axialement avec celui-ci.L'ensemble 50 comprend'un support 52 et un cordon souple d'alimentation 53 pour la lampe au xénon 51 ainsi qu'un dispositif d'allumage 54 et une soufflante 55 et un moteur 56 appropriés pour refroidir la lampe 51 et tout ltensemble. Les relations les plus importantes concernant l'ensemble 50 de la figure 3 sont les suivantes: 1) l'arc de la laine 51 est aligné avec l'axe optique du miroir 12, l'ouverture 14 et l'objectif de projection 41. 2) la cathode de la lampe 51 est placée au premier foyer f1 du miroir 12. 3) le plan de la pellicule du projecteur 40, derrière le couloir 44 qui lui est destiné, est normal à l'axe A et coïncide avec le plan des seconds foyers f2 de l'ensemble. Dans certains cas, il est avantageux d'employer le même miroir pour des fenêtres de dimensions différentes, par e em- ple pour pellicules 16 mm et 35 mm. Si l'ensemble est réalisé en conformité avec ce principe pour une fenêtre de pellicule 16 mm, soit 6,86 mm x 9,4 mm, on peut employer le même ensemble miroir-lampe pour des images plus grandes, par exemple sur pellicule 35 mm, par l'adjonction d'une lentille négative destinée à agrandir limage et a' circonscrire la fenêtre pour pellicule 35 mm.Ceci est représenté sur la figure 4 dans laquelle le miroir 12 a des foyers f1 et f2 et une lentille négative 60 est placée de manière à agrandir l'image et à la produire dans le plan d'un second foyer fzM déplacé qui coïn- cide avec le plan P de l'ouverture nécessaire. Cette incorporation d'une lentille négative permet d'adapter l'appareil selon l'invention à des ouvertures de dimensions différentes sans modifier ltensemble lampe-miroir. Si la surface du miroir est réalisée en faisant tourner un segment d'ellipse de la manière décrite ci-dessus, le second foyer est en fait un anneau de foyer f'2. La lentille négative 60 déplace ce second. foyer de manière à former anneau modifié de foyer f'2M Outre le déplacement du second foyer f2, cela modifie également angle du cône comme cela est clairement visible sur la figure 4. Ceci permet dlutiliser la même source lumineuse avec un objectif de projection d'ouverture relative différente. Par exemple, un projecteur pour 16 mm comporte en général un objectif de projection ouvert à f/i f/1,6 tandis qu'un projecteur de 35 mm a un objectif ouvert à f/i,9. La figure 5 représente les effets de la rotation d'une ellipse selon l'invention. Le segment S d'ellipse originel est représenté sous la forme d'une ligne en pointillé comprise entre des angles polaires choisis, OR et R de l'are source, en f1. Les angles eR et R contiennent en général 70 à 90% de l'énergie lumineuse émise par la souree. Les trajets des rayons luminenx entrêmes émis par la source en f1 sont désignés par r1r2 et r3r4, qui convergent on direction du second foyer f2. Quand le segment S a tourné autour de f1 d'un angle t. dans le sens positif, ce segment devient S1. Les trajets extrêmes des rayons deviennent maintenant r'1r'2 et r'3r'4 et convergent en direction du foyer f'2 ( le point extrême de l'ouverture). Quand la courbe S' tourne autour de l'axe A, elle engendre la surface réfléchissante désirée et f se transforme en un anneau de foyers conjugués de la partie émissive de l'arc. L'ouverture relative de l'ensemble est représentée sur la figure 5 et est - par définition - l'angle entre l'axe longitudinal et une droite reliant le centre de 11 ouverture au second plan focal et à l'extrémité extérieure de S'.L'ouverture relative est un paraniètre plus ou moins imposé lors de la réalisation d'un ensemble et est en général limitée par les objectifs de projection disponibles. Pour des projecteurs de 16 mm, l'ouverture relative normale est f/1,6 et varie de f/1 à f/2,4 et pour 35 mm elle est nomalement de f/1,9 et varie de f/1,5 à f/2,7. On peut obtenir le même résultat par une rotation de l'ellipse dans le sens négatif, d'un angle - , , et la surface engendrée par S' se trouve à 11 intérieur de celle engendrée par S. Dans le cas d'une rotation dans le sens positif, l'axe longitudinal de l'are est compris ontre le premier foyer f1 et le second foyer f2, et l'électrode de luminance maximale ae trouve au premier foyer f1. Avec une rotation - # dans le sens négatif, l'électro- de @ de luniinance maximale se trouve à nouveau au premier foyer f1, mais l'axe lougitudinal de l'are L est orienté à l'opposé du second foyer f2. Ceci entraîne une certaine souplesse de réalisation de la lanterne. La longueur du segment S1 est dé- terminée en fonction de la longueur de la source lumineuse, de son diagramme polaire d'émission et du grandissement relatif de l'are en divers points le long de la surface S' dans le plan de la fenêtre. En première approximation, la longueur du segment S ou est égale à la distance mesurée sur la courbe S entre les intersections des droites partant du foyer f1 de l'ellipse gé- mératrice, et limitant le diagramme de rayonnement de la source lumineuse. Ceci est expliqué sur la figure 6 qui représente le diagramme polaire de rayonnement d'une lampe type au xénom. La lumière émise est groupée dans un aiuieau (voir figijre 6) et les @ @@@t @tili@és @@@m@ @i@dess@@ @@@@ déte@@i@@@ @@ @@@@@@@ sont utilisés @@@@@ ci-dessus pour @@@@@@@@@@ la longueur du segment S de l'ellipse de la figure 5. Il est nécessaire d'étudier l'influence de la luminance variable de l'are pour la mise en oeuvre de l'invention. La f@ 7 représente cette influence. Si le miroir 12, l'arc 13 @t le plan P sont donnés, l'éclairement en un point i de ce plan doit être sensiblement égal à l'éclairement E. en tout autre point du plan P, à l'intérieur de la fenêtre 14. L'éclairenent au point i est en fait la source des luminances dc toutes les parties de l'are lumineux 13 multipliée par l'angle solide sur le miroir.Ceci peut âtre exprimé par la relation: m Ei = Bi# = # Bij #ij j=l dans laquelle: m est le nombre de zones de luminance distinctes sur le miroir, vu du point i Bij est la luminance d'une zone de l'arc vue du point i @@ #ijest l'angle solide sous-tendu par la zone de brillance Bij (ou sous laquelle on voit celle-ci) du point i. La réalisation optimale d'un miroir pour éclairement uni forme dc l'ouverture est obtenue quand la condition ci-après est satisfaite: Bi # i # constante On atteint cet objectif en augmentant #M et #M pour le miroir de manière à ne pas recueillir la totalité de l'énergie lumineuse. Normalement, l'angle M du miroir doit être augmen- té de 10 à 200 environ à partir de la limite nominale de 300 d'émission de la lampe et l'angle #M du miroir doit etre augmenté de 15 à 300, ce qui permet de recueillir au moins 70% du flux lurlineux de la source, l'éclairement de la fenêtre ne variant pas dans ce cas, de plus de 75% sur l'ensemble de sa surface. Si l'on tolère une unifornité moindre, on peut augnenter légèrement les angles M et 0M du Miroir. Ces conditions sont très importantes quand le rapport des luminances extrêmes de la source lumineuse, telle qu'une lampe à arc au xénon est élevé, par exemple comprise entre 6/1 et 10/1 entre les deux électrodes. Par conséquent si l'on place l'électrode la plus lumineuse au foyer fl et si l'on fait tourner le segment d'ellipse, le miroir forme alors des images de la zone de luninance élevée aux extrémités de la fenêtre. Si l'on opère ainsi, on observe ce qui suit: les zones de luminance élevée sont vues des extrémités de la fenêtre sous de petits angles solides tandis que les images des zones de luminance moindre sont formées à l'intérieur de la fenêtre avec un angle solide plus grand.Le produit de la luminance par l'angle solide en chaque point de la fenêtre devient presque constant pour des valeurs appropriées de M et OM. Ceci est expliqué sur la figure 9 qui représente une fenitre type d'un appareil de projection cinématographique. Deux images focales distinctes 2a et 12b de la cathode sont visibles sur la figure et coincident avec des angles opposés. Les divers niveaux de luminance sont représentés superposés et la dimension moyenne de l'image de la source lumineuse produite par le miroir occupe environ les 3/4 de la longueur de la diagonale de la entre. L'éclairement dans l'ensemble de la fenotre est la somme des éclairements de toutes les images comme indiqué ci-dessus. L'éclairement en un point i de la fenêtre est égal à la sonne de toutes les luminances Bij multipliée par les angles solides correspondants #ij sous-tendus au point i. En ajustant les dimensions des surfaces décrites cidessus à propos des figures 5 et 6, on peut atteindre un rapport maximale prédétenliné pour les éclairements de la surface de l'ouverture. La figure 10 représente une courbe E type de variation de l'éclairement. Dans ce cas particulier, le rapport des éclairements E/Eo peut être ajusté entre 0,6 et 1,4. Dans certains cas où lton désire une image à bords plus brillants, comme l'indique la courbe en pointillé de la figure 10, ce résultat peut entre atteint en faisant varier un paramètre additionnel du système optique. On réduit la longueur L de l'arc. L'image d'un arc plus court est formée de la manière représentée sur la figure 9, mais avec un chevauchement moindre, ce qui conduit à une fenêtre à bords plus brillants. On voit, par conséquent, que si l'on met en oeuvre les principes de ltin- vention, on peut réaliser un éclairement de la entre par une source lumineuse avec un rapport optimal des intensités relatives. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite quota titre indicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'éclairage, caractérisé en ce qu'il comprend une source lumineuse comportant deux électrodes séparées créant un espace lumineux entre elles, un miroir cons titue par une surface de révolution autour d'un axe longitudinal et qui colncide avec une droite joignant lesdites électrodes et traversant ledit espace lumineux, ladite surface e ré volition étant réalisée en faisait tourner un segment d'ellipse, dont le grand axe tounre autour dudit axe longitudinal passant par le premier foyer de ladite ellipse et fait un certain angle avec ledit grand axe, le miroir comportant une ouverture dans le second plan focal et étant placé de manière à former une image de l'espace lumineux entre lesdites électrodes sur ladite ouverture, ladite image coïncidant sensiblement avec la dimension transversale maximale de ladite ouverture. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la luminance de ladite source lumineuse varie entre lesdites électrodes et est maximale au voisinage d'une desdites électrodes, ladite régioll de luminance maximale étant placée près dudit premier foyer et son image étant formée par ledit miroir aux extrémités de ladite ouverture. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite ouverture est la fenetre rectangulaire destinée à la pellicule d'un projecteur, et l'image de la région de luminance maximale est formée aux angles de ladite ouverture rectangulaire. 4.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lediL miroir est placé de manière à former une image de l'espace lumineux situé entre lesdites électrodes, la longueur de l'image étant sensiblement égale aux trois quarts de la longueur de la diagonale de ladite ouverture pour que le ma ximuin d'émergie soit projeté par celle-ci. 5. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite source lumineuse est une lampe à décharge dont l'espace lumineux est placé au premier foyer dudit élément elliptique. 6.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'image de ladite région de luminance maximale de ladite source lumineuse a la forme d'un anneau coïncidant sensiblement avec un cercle passant par les coins de ladite ouverture rectangulaire. 7. - Dispositif selon 1 revendication 1 caractérisé en ce que ledit espace lumineux a un diagramme de rayonnement polaire compris entre deux angles # et # et ladite surface de révolution a une longueur S inférieure à la longueur interceptée par le diagramme polaire de rayonnement entre les limites des angles et 0 pour ladite source lumineuse. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les @ngles # et # sont tous deux de l'ordre de 30 , .- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en e ladite longueur S du segment ayant engendré la du miroir est de l'ordre de la distance entre les intersections des droites faisant respectivement des angles compris entre 40 et 50 et entre 120 et 135 , mesurés à partir du promier foyer et de l'axe longitudinal de ladite ellipse généra@rice. 10. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisè en ce qu'il comprend des composants délimitant une ouverture sur ledit axe longitudinal, ladite ouverture étant placée eu voisinage du second foyer dudit segment d'ellipse. 11.- Dispositif selon la revendication 10, caraotérisé en ce que ledit segment d'ellipse tourne autour d'une droite faisant un angle # avec son grand axe, et la tangente de cet angle est sensiblement égale à la dimension transversale maximale de ladite ouverture divisée par le double de la distance entre les foyers de ladite ellipse. 12.- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des lentilles extérieures permettant d' ajuster la dimension de l'image projetée afin de couvrir une ouverture de dimensions différentes.