Brevet FR2242637A1 — publié le 19750328

Le dispositif décrit dans la présente demande de brevet est d'application très générale chaque fois qu'il est nécessaire d'éclairer par projection une surface ou une région bien délimitée en laissant dans l'ombre tout ce qui ltentoure. I1 permet d'obtenir dans la zone éclairée une bonne uniformité d'éclairément et un rapport très grand entre l'éclairement de cette zone et ltéclai- rement de son entourage. On considère plus partieulièrement le cas de l'obtention d'un faisceau croisement de véhicule automobile mais, ce mebme principe permet d'éclairer des surfaces de formes quelconques tels que tableaux, panneaux, diapositives ou meme, d'obtenir la projection directe de tracés clairs sur fonds sombres ou sombres sur fonds clairs en donnant à la fenêtre du récupérateur dont il sera question plus loin, toutes formes appropriées. Dans le cas de la réalisation d'un faisceau de croisement de véhicule automobile, ltexfocalisation de la source lumineuse nécessaire pour obtenir un faisceau avec coupure, présente le grave inconvénient de donner une répartition lumineuse verticale assez défavorable. (courbe A - fig.l). Tous les perfectionnements techniques et la diminution des tolérances de fabrication ne permettent que d'atteindre une répartition analogue à la courbe B (fig.l), qui s 'éloigne encore très sensiblement de la répartition idéale (courbe C) qui, seule, permettrait d'augmenter la portée du faisceau en assurant également une répartition optima des éclairements sur la route L'exfocalisation, liée au basculement des images élémentaires par suite de l'emploi d'un parabololde assez profond, donne naissance à un faisceau demi-conique dont l'image sur un écran vertical est approximativement un demi cercle (fig.2).alors que la forme la plus appropriée de cette image serait analogue au tracé C'CD V1 G s'appuyant sur la perspective des bords de la route HG et HD avec limitation de la dimension V1 V2 pour éviter une tache de lumière intense près du véhicule. L'emploi d'une glace, judicieusement étudiée, permet de se rapprocher de cette dernière répartition lumineuse, mais avec d'autant plus de difficultés que le miroir est profond. Cependant, utilisant des sources lumineuses rayonnant en toutes directions, il devient impossible d'utiliser des miroirs suffisamment "plats" pour limiter comme on le désirerait, le basculement des images sans aboutir à une très mauvaise utilisation du flux lumineux. Dans certains cas, il serait souhaitable de disposer d'un corps lumineux d'une forme telle que la superposition de ses images élémentaires données par chaque point du miroir forme déjà, en l'absence de glace, une répartition acceptable. C'est surtout le cas où l'on considérerait une source lumineuse focalisée ou très peu exfocalisée. Dans cette hypothèse, l'image de la source lumineuse se formant à grande distance du miroir donnerait alors un faisceau ayant déjà une répartition lumineuse convenable. On peut donc, en conséquence, considérer qu'il serait très avantageux d'avoir un ensemble optique ayant les caractéristiques suivantes - Miroir plat pour éviter le basculement des images élémentaires (ce sera, par exemple, soit un miroir sphérique, soit un miroir parabolique dont l'ouverture est limitée au voisinage de son plan focal). - Source lumineuse focalisée. - Source lumineuse de forme appropriée de telle sorte que sa projection à grande distance donne une répartition lumineuse voisine de celle désirée. - Source lumineuse dont le rayonnement soit très directif afin que le flux capté par le miroir soit très important. - Bonne utilisation de tout le flux disponible. Selon l'invention, il est possible de satisfaire à oes diverses conditions en réalisant un récupérateur de flux de forme théorique sphérique mais dont la forme réelle peut sensiblement s'éloigner de la sphère. Ce récupérateur comprend une fenêtre de sortie pour le flux, laquelle se comporte comme une source lumineuse secondaire et à qui peut être donnée la forme désirée de telle sorte que la projection de cette fenêtre corresponde à la répartition lumineuse souhaitée. La figure 9 schématise cette disposition. Une source lumineuse S est placée à l'intérieur du récupérateur R comportant une fenêtre f par laquelle sort le flux lumineux dirigé totalement vers le miroir. Cette fenêtre est située au foyer F (ou-à proximité) d'un miroir M. L'image de f se projette à grande distance en f' sous forme d'une tache lumineuse dont le contour est très nettement délimité. On dispose ainsi d'une solution satisfaisant aux diverses conditions précédemment examinées pour autant que la récupération du flux à la source S et sa répartition soient acceptables. Le récupérateur de flux repose essentiellement sur le principe de la sphère photométrique intégrante. Si l'on considére une sphère de surface S, de rayon R et de facteur de diffusion dans laquelle est située une source lumineuse donnant un flux,'aque point de la surface interne de la sphère, l'éclairement a pour valeur et la luminance L en posant Si la fenêtre de sortie du récupérateur a une surface s, petite devant S, le flux sortant 8 est alors On voit que les deux facteurs importants : luminance de la fenetre L et flux récupéré C'est essentiellement le rapport flux émis/volume de la source qui détermine la possibilité d'utiliser un tel récupérateur. Plus ce rapport est élevé, plus le récupérateur est efficace. C'est pourquoi il a-été jusqu 1ici impossible d'envisager de tels récupérateurs. L'utilisation des lampes modernes aux halogènes de très petits volumes et qui, de plus, peuvent supporter des températures élevées, change totalement l'aspect du problème. Si on considère, en effet, une lampe donnant 1 500 lu. et pouvant être logée à ltin térieur d'une sphère de 55 mm. de diamètre dont la fenêtre de sortie est d'une surface de 66 mm2, on a e = 400.000 lux (approximativement) s S = 0,02 (approximativement) Le tableau ci-dessous donne les valeurs de en fonction de 1r e2 1 1 --- n- 1-e 1.0 O o.gg 99 98 1.17 0.98 49' 48 15.27 o.97 32.3 1 31.3 9.96 o.g6 24 23 & 7.33 o.g5 19 18 5.7 o.g 9 8.1 2.6 1 É:98 j 8.1 2.6 Prenant, par exemple, le maximum théorique = 0,98 (oxyde de magnésium). On obtient L = 600 cd/cm2 r = 1 440 lumens ce qui constitue une source secondaire (en fenêtre) très satisfaisante en pratique. I1 y a lieu de remarquer 1r) Que les valeurs de t et de f varient en fonction de la dimension du récupérateur, principalement la va leur L. Si, par exemple, on avait une sphère de 40 mm. de diamètre, on aurait seulement LF458 cd/cm2. 2) Que ces valeurs varient très rapidement avec comme l'indique le tableau ci-dessus. Une diminution de 2% pour reconduit approximativement à une diminution de 50% pour L et y d'où la nécessité primordiale d'ob tenir et de maintenir une surface interne ayant un très bon facteur de diffusion. 3*) Que les performances de la source secondaire f sont indépendantes de la luminance de la source lumineuse S et ne dépendent que de son flux lumineux. 4-) Que théoriquement (et pratiquement dans un très grand domaine de variation) la position de la source S dans le récupérateur est sans influence sur les résultats obtenus. Ceci signifie qu'en dehors du respect de la bonne posi tion de la fenêtre f par rapport au miroir, il n'est be soin d'aucun réglage précis ni de la lampe dans le récu pérateur ni du filament dans la lampe, ce qui est, pour la pratique, une des caractéristiques très intéressantes du dispositif. La récupération du flux par diffusion donne naissance, à la sortie de la fenêtre, à une source secondaire rayonnant d'une façon très proche de la loi de Lambert, c'est-à-dire que la luminance est constante dans toutes les directions et que les intensités lumineuses varient suivant le carré du cosinus. Cette caractéristique est très favorable à une bonne utilisation du flux par un miroir plat et, par conséquent, à la formation d images élémentaires non basculées se superposant pour donner une image globale qui est à grande distance la projection agrandie de la fenêtre f, ce qui permettra dtobtenir aisément une projection, par exemple analogue au tracé C' C D V1 G de la figure 2, à l'intérieur de laquelle les éclairements seront très uniformes. Considérant que la fenêtre rayonne suivant la loi de Lambert, on a, dans un cône de demi ouverture4 ayant pour axe la normale à la fenêtre, la proportion p du flux total sortant, comme indiqué ci-dessous degrés 3o 45 60 7590 P % 25 50 75 93 100 On voit donc qu'il est possible d'utiliser un miroir plat (miroir sphérique ou miroir parabolique limité à son plan focal) tout en récupérant un flux convenable. Une partie non négligeable du flux étant émis dans un angle d'ouverture réduite (25 dans 60 degres), il est raisonnable de vérifier s'il n1 est pas intéressant, par suite de l'occultation provoquée par le récupérateur (fig.4a) d'orienter judicieusement. la normale fN à la fenêtre, afin de trouver un compromis pour récupérer le maximum de flux sur le miroir tout en diminuant le plus possible le flux réfléchi occulté par le récupérateur. Une meme question se pose si l'on désire utiliser la partie inférieure du système optique M1 M2 en vue de son utilisation pour la formation d'un faisceau route, par exemple en juxtaposant un paraboloide M1 M3 de courte focale. Dans un cas particulier expérimental en considérant un paraboloide MM1 d'environ 50 mm de foyer, nous avons déterminé que le meilleur compromis consistait à incliner la normale fN d'un angle voisin de 25' (fig.4 b). On remarquera d'autre part, (fig.4C) que, si on incline la normale fN par rapport à l'axe du système optique, d'un angle convenable, on peut diminuer la divergence verticale des faisceaux réfléchis par la région à grande divergence et augmenter celle des faisceaux réfléchis par les régions à faible divergence d'où, aboutir à une uniformité des divergences verticales favorable à une uniformité de la répartition verticale des éclairements (sur un écran vertical situé en avant du projecteur) et à une augmentation des éclairements immédiatement au voisinage de la coupure supérieure du faisceau. La distribution spatiale du flux lumineux issu de la fe nêtre f est très favorable à la réalisation de systèmes optiques simples, puisque 70% du flux sont compris à l'intérieur d'un cône de même angle au sommet de 60'. On a déjà signalé l'emploi d'un miroir sphérique (fig.5a)ou d'un paraboloide limité au voisinage de son plan focal (fig. 5 b). I1 est également possible d'utiliser une lentille convergente (ou un système complexe analogue) (fig. 5 c). I1 est bien entendu possible de combiner ces divers éléments. En particulier, la combinaison d'un miroir sphérique ou d'un para bolide à grande focale M avec un paraboloide à petite focale M' permet la réalisation d'un faisceau croisement et d'un faisceau route, avec deux sources lumineuses. Le faisceau route pouvant avantageusement être obtenu par le faisceau croisement auquel s'ajoute un faisceau donnant la portée nécessaire (profondeur) (fig. 5 d). On va étudier ci-après, à titre d'exemple, les performances réalisables au moyen de l'invention : a) On considère un miroir de diamètre d'ouverture 200 mm. soit une surface de 320 cm2 utilisée seulement à 50 -160 cm2) et un récupérateur sphérique de diamètre 55mm et de facteur de diffusion égal au maxi théorique (0,98) renfermant une source lumineuse donnant 1 500 lu.(ce qui est aisément réalisable avec une lampe halogène type H2). La fenêtre aura une luminance de 600 cd/cm2. Le faisceau réfléchi donnera alors un éclairement de l'ordre de 120 lux à 25 M. mais, ce maximum théorique sera en pratique, loin d'être atteint. b) Un essai pratique, réalisé dans des conditions très modestes a permis d'obtenir un faisceau croisement donnant dans la zone éclairée un éclairement très uniforme (à 20 près) de 12 lux. à 25m, la luminance de la fenêtre étant alors voisine de 50 cd/cm2 correspondant théoriquement à un facteur de diffusion de 0,82. uniformes, c) I1 semble donc que des éclairements/de 1 ordre de 25 lux à 25 ni. (valeur très convenable) soient réalisables. Ceux-ci pourraient'être obtenus avec un miroir comme indiqué ci-dessus ou par une lentille d'un diamètre utile de 6 cm. pour autant que le facteur de diffusion du récupérateur soit compris entre 0,85 et o,g. On notera que la luminance de la fenêtre ne dépendant pas de celle de la source lumineuse primaire mais seulement de son flux, on peut, sous réserve d'une légère augmentation de la puissance consommée, diminuer la luminance de la source primaire, donc augmenter sa durée, en maintenant constante la luminance de la fenêtre. Ainsi, en augmentant la puissance consommée seulement de 10 %; l'efficacité de la source primaire pourra diminuer d'autant et alors, sa durée augmentera de deux fois, ce qui est d'un grand intérêt pratique. Sous la forme la plus simple, le récupérateur est une enveloppe métallique bonne conductrice de la chaleur, éventuellement munie d'ailettes de refroidissement et comportant une fenê- tre découpée à la forme appropriée et une ouverture pour l'introduction de la lampe, celle-ci pouvant être positionnée à l'intérieur du récupérateur sans grande précision (avantage pratique certain). La lampe est orientée par rapport à la fenêtre de telle sorte que les rayons provenant du filament et passant directement par la fenêtre sans être diffusés par la paroi du récupérateur ne puissent former une image gênante de cette fenêtre. (fiv.6). La surface interne du récupérateur est recouverte d'un dépôt diffusant par peinture, pulvérisation, évaporation. Dans le cas d'un dépôt mince de magnésie, on aura avantage à procéder au préalable au chromage aluminure ou argenture de la surface interne. La surface externe pourra être avantageusement noircie. Une réalisation particulièrement intéressante consiste à entourer la source primaire (lampe type H2) d'une seconde ampoule formant récupérateur, le volume interne pouvant être éventuellement rempli d'un gaz neutre. Dans ce cas, l'ampoule extérieure, de forme sphérique ou sensiblement sphérique, est-aluminée sur sa face interne en ménageant l'ouverture de la fenêtre puis, cette face est couverte d'un enduit ou d'un dépôt diffusant. Extérieurement et face à la fenêtre, le récupérateur pourra être muni de filtres colorés ou polarisants. Les faibles dimensions de cette fenêtre (quelques mm2) dans le cas d'un provecteur croisement et le fait qu'il nty a pas basculement des images élémentaires réfléchies par le système optique font que, dans le cas de filtres polarisants, une faible surface est seulement nécessaire, d'où une économie appréciable. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'éclairage pouvant être en particulier utilisé sur un véhicule automobile comme faisceau de croisement ou pouvant servir à éclairer des surfaces de formes quelconques telles que tableaux, panneaux, diapositives, etc... caracterise par le fait qu'il comporte un récupérateur de flux comprenant une fenêtre de sortie pour le flux, laquelle se comporte comme une source lumineuse secondaire. 2. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caracterise par le fait que le récupérateur a une forme théorique sphérique. ~ 3. Dispositif d'éclairage selon la revendieation I, caractérisé par le fait que le miroir de celui-ci sera un miroir "plat" pour éviter le basculement des images élémentaires. 4. Récupérateur selon l'une des revendications I à 3, caractérisé par le fait.que celui-ci est muni d'ailettes de refroidissement et comporte une ouverture pour l'introduction de la lampe. 5. Récupérateur selon l'une des revendications I à 4, caractérisé par le fait qu'il peut être constitué d'une seconde ampoule entourant la source primaire, cette seconde ampoule étant aluminée intérieurement puis couverte d'un enduit ou dépôt diffusant. 6. Récupérateur selon l'une des revendications I à 5, caractérisé par le fait qu'extérieurement et face à la fenêtre, celui-ci pourra être muni de filtres colorés ou polarisants.