Brevet FR2295345A1 — publié le 19760716

L'invention concerne un dispositif optique pour appareils d'éclairage, à réflecteurs multiples conjugués, destiné à contrôler le flux émis par la lampe et à le diriger vers l'avant de manière qu aucun rayonnement réfléchi ne repasse à travers cette lampe. Plus particulièrement, ce dispositif permet d'émettre un flux à rayons parallèles, à intensité sensiblement constante sur la surface de l'ouverture du dispositif. Dans les optiques actuellement connues, la majeure partie du flux lumineux réémis par la surface active du réflecteur, située derrière la lampe, est mal contrôlée. Les rayons lumineux dirigés vers l'avant doivent retraverser cette lampe qui constitue un obstacle (avec son enveloppe), ce qui a pour effet, d'une part, de diminuer le rendement de l'optique, d'autre part, d'augmenter la température de la lampe par absorption du rayonnement énergétique au travers de son enveloppe, conduisant à sa destruction prématurée, ainsi qutà l'altération des connections qui se trouvent abîmées par effet de conduction. De plus, une grande partie de l'émission directe, non captée par le réflecteur, est incontrôlée, ce qui a pour effet de diminuer le rendement dans le faisceau utilisable, en particulier celui qui est dirigé dans l'axe du projecteur. Ce rendement est très souvent favorisé par une ouverture plus importante du faisceau et l'obtention d'un faisceau convenable conduit généralement à des dimensions trop importantes de l'optique. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs connus et se propose de créer un dispositif optique controlant intégralement le flux lumineux émis par la lampe et évitant le retour de rayons réfléchis sur cette lampe. Ainsi, le rendement global ne dépend que des propriétés réfléchissantes des matériaux utilisés pour la conception du dispositif optique. La température de la lampe est fonction des conditions thermiques ambiantes, lesquelles dépendent principalement des dimensions du boîtier de protection. A cet effet, l'invention concerne un dispositif optique permettant l'orientation vers l'avant du flux lumineux émis par la lampe, de manière qu'aucun rayonnement réfléchi ne repasse à travers cette lampe, caractérisé en ce qu'il se compose d'une surface réflectrice dont la courbe directrice présente un axe de symétrie passant par la source, chaque branche de la courbe directrice comprenant une ellipse et deux paraboles, chaque parabole ayant l'un des foyers de l'ellipse pour foyer. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des modes de réalisation représentés schématiquement sur les dessins, dans lesquels - la figure 1A est une demi-coupe du dispositif optique à réflecteurs conjugués, montrant le cheminement des différents faisceaux émis par la source, - la figure 1B représente une coupe du dispositif optique comportant quatre réflecteurs auxiliaires, - les figures 2A et 2B représentent une demi-coupe de la source et des réflecteurs auxiliaires, - la figure 3 représente une demi-coupe du réflecteur arrière. Selon la figure 1A, le dispositif optique comprend une source S et des réflecteurs Rt, R2, R3. Le réflecteur arrière Rt présente, en coupe, une courbe directrice comprenant une ellipse # suivie d'une parabole Pi, puis P2. Les réflecteurs R2 et R3, prenant en charge le rayonnement émis vers l'avant par la source, sont constitués par des éléments de parabole de foyer F. Pour le réflecteur arrière R1, l'ellipse # a pour foyer principal F, la source S. La parabole Pi a également cette méme source pour foyer. La parabole P2, dont l'axe est parallèle à l'axe de symétrie du dispositif, a pour foyer le foyer secondaire F'1 de l'ellipse. Ainsi, le rayonnement émis par la source S dans l'angle g se réfléchit sur l'ellipse & et vient converger au foyer F't avant d'être réfléchi par la parabole P2 ; F'1 étant également foyer de la parabole P2, le flux lumineux émis dans l'angle &gamma; devient un faisceau lumineux à rayons parallèles après réflexion sur P2.Le rayonnement émis dans l'angle 9 frappe directement la parabole P1 après réflexion sur Pt, il en résulte que le faisceau 9 est un faisceau à rayons parallèles. Les rayonnements émis dans les angles ss et i 1 frappent chacun les réflecteurs auxiliaires R2 et R3, donnant ainsi deux faisceaux o(i et ss à rayonnements parallèles. Le flux restant i0 est sensiblement orienté selon l'axe de symétrie du dispositif. Les figures 2A et 2B représentent les réflecteurs auxiliaires. Selon la figure 2A, le réflecteur auxiliaire 1 correspond, en première étude, au tracé d'une parabole. Cette parabole correspond en ouverture au plus grand diamètre de la lampe, dans la gamme des puissances choisies. On considère une droite M, parallèle à l'axe optique x, x', située à une distance égale au rayon R de la lampe ; l'intersection 0 de cette droite avec la demi-droite N issue du foyer F, qui délimite le faisceau direct utile, définit le plan d'ouverture du réflecteur et sa distance par rapport au foyer. Ces données permettent de tracer la parabole. Si OQ = FO, la droite Di, perpendiculaire à l'axe optique et qui passe par le point Q, représente la directrice de la parabole et définit son paramètre Pt. Le point Z délimite le plan d'ouverture arrière du réflecteur. Le tronçon de parabole ainsi défini peut se traduire par un réflecteur à faces planes, dont les faces ont une inclinaison peu marquée les unes par rapport aux autres. Cette transformation modifie très légèrement les caractéristiques optiques de la courbe étudiée, mais les faisceaux 0(1 captés restent toujours, après réflexion, dans la limite fixée d'ouverture optique 2 o. Etant donné la symétrie, on peut tracer le même demi-réflecteur de part et d'autre de l'axe optique. Le réflecteur 2 (figure 2B) correspond également; en première étude, au tracé d'une parabole. Cette parabole capte tout le rayonnement compris dans le demi-angle délimité par une droite Y perpendiculaire à l'axe optique passant par le foyer F et la demi-droite T définie par le foyer F et le bord arrière du réflecteur t, demi-droite passant par le point Z. On considère une droite M, parallèle à l'axe optique (x, x'), située à une distance égale au rayon R de la lampe. Si l'on pose IS = FS = R rayon de la lampe, la droite D2, perpendiculaire à l'axe optique et qui passe par le point I représente la directrice de la parabole et définit son paramètre P2. (P2 # au rayon R de la lampe). Le point S délimite le plan d'ouverture arrière du réflecteur. Le point U, point d'intersection de la courbe avec la demi-droite T, délimite le plan d'ouverture avant du réflecteur. Ainsi, le rayonnement émis par la source dans l'angle sera réfléchi au moins une fois sur le réflecteur 2-. Le tronçon de cette parabole ainsi définie peut se traduire par un réflecteur à faces planes inclinées les unes par rapport aux autres. Le nombre de ces faces planes est plus important que celui du réflecteur 1 (figure 2A), compte tenu que l'on utilise la partie plus accentuée au sommet de la parabole.Cette transformation modifie très légèrement les caractéristiques optiques de cette "parabole", mais les faisceaux captés sous l'angle ss restent toujours, après réflexion, dans la limite fixée d'ouverture optique 2 i o Il faut noter que tout rayon réfléchi sur ce réflecteur ne doit pas être intercepté par la face extérieure (ou dorsale) du réflecteur 1, et en tenir compte pour le tracé des facettes. D'autre part, l'ensemble de rayonnement émis par la source, sauf celui émis dans l'angle 2 0(qui est fixé à priori), doit subir au moins une réflexion sur l'une des surfaces #, #1, #2, (1) ou (2). De plus, la position du point S, qui peut se situer sur le cercle de rayon R, (en un point autre que celui situé sur la verticale de F), détermine l'extrémité T de la parabole 91 ceci pour qu'aucun rayonnement émis dans l'angle S ne frappe directement Par ailleurs, la partie active de la source n'est pas toujours ponctuelle, et, de ce fait, il est souhaitable que celle-ci soit masquée en vision directe par les deux réflecteurs t et 2 afin d'éviter un faisceau parasite. Par sécurité, il faut allonger les faces avant des réflecteurs (ce qui repousse le plan d'ouverture) en se basant sur les cotes maximales de la partie active de la source par rapport aux extrémités avant des réflecteurs. Le tracé du réflecteur arrière est complexe, car la courbe correspond à une succession de trois éléments coniques (figure 3) qui sont, en partant de x' une une portion d'ellipse #, 20) une parabole 'Jt, 3 ) une parabole #2, d'axe parallèle à x'x La parabole #1 contrôle la partie de flux S délimitée entre le demi-axe Fy et le rayon vecteur issu de F et aboutissant à l'intersection avec M, qui est le point de jonction de la parabole t et de l'ellipse qui ont F pour foyer commun. L'élément elliptique joue un rôle intermédiaire et a pour effet de transporter le foyer F (pour l'élé- ment de flux &gamma; compris entre t1 et Fx-' en F'1, foyer secondaire de l'ellipse, lequel foyer correspond en même temps à celui de la parabole #2 située dans le prolongement de #1 et dont le point de jonction T est sur la verticale Fy. Afin d'équilibrer la répartition des flux sur les paraboles #1 et #2, il y a lieu de s'arranger pour que les surfaces frontales UA et AZ soient autant que possible proportionnelles aux angles solides d'émission # et #. Compte tenu des conditions de départ et des indications précédentes, les dimensions FC = V, CU = d sont imposées ; de même que le point le plus proche L (sur l'axe des x) du réflecteur arrière à la lampe FL = t. Les paramètres étant nombreux, l'optimisa- tion du réflecteur arrière conduit à des calculs longs et fastidieux. Voici, à titre indicatif, une méthode convenable pour la détermination des paramètres P et p des paraboles #1 et #2. Ainsi, partant des données suivantes permettant d'obtenir un ensemble compact et équilibré si l'on a : v, d = 2 v, t # v/2, CF' = F'1 1T = = p il y a lieu de prédéterminer les paramètres P et p en tenant compte des relations ci-après La similitude des triangles F1' EZ, F1' CM permet d'écrire EZ d ~ EZ et F1 'C - MC - p v v (2d + p) tg &gamma; = ## on en déduit sin &gamma; MC d p et cos &gamma; d'après les formules de transformations que l'on introduit dans les formules conduisant au calcul de t à partir des équations polaires de la parabole et de l'ellipse rapportées au foyer F. P v + 2p #1 = = (parabole #1) (1) 1 + cos &gamma; 1 + cos &gamma; (#1 + #2) - (FF') (#1 + #2) - (v + p) (2) #1 = = 2[#1 + #2 - (FF') cos (#/2 - &gamma;)] 2[#1 +#2 - (v+p)sin &gamma;] ou + + 2 = F'L + t = Cte (ellipse # #) en portant ces valeurs dans (2) puis en égalant, on tire p et on déduit P. Le tracé des paraboles #1, #2 et de l'ellipse s'opère par des méthodes de géométrie classique. La réalisation pratique de cet ensemble peut être effectuée par un procédé classique d'emboutissage où chaque élément est emboîté l'un dans l'autre et positionné au moyen d'une rainure et encliqueté. Pour obtenir un meilleur rendement optique, il est nécessaire d'utiliser un aluminium pur poli ou projeté (aspect brillanté). Enfin, pour améliorer l'homogénéité et augmenter la diffusion et l'ouverture du faisceau, il y a lieu de remplacer les lignes courbes paraboliques par des lignes brisées (figure 1B). Ainsi, pour obtenir un faisceau plus divergent (extensif), il suffit de diminuer le nombre de facettes, de tronquer les réflecteurs auxiliaires ou en supprimer un selon l'extensivité voulue. Accessoirement pour obtenir une meilleure focalisation, il est préférable que la lampe soit positionnée sur l'optique au moyen d'un centrage fixe, et maintenue par un système de clips lesquels seront solidaires de l'optique et non du boîtier de protection. Pour certaines applications, il y a lieu de réaliser une asymétrie du faisceau en otant unou plusieurs demi-réflecteurs. Enfin, la forme de l'optique par rapport à son axe peut etre de révolution ou rectangulaire selon l'emploi avec des sources de forme homogène ponctuelles, ou linéaires dans le cas d'une source ponctuelle, le dispositif sera de révolution, l'axe de révolution, passant par la source, étant l'axe de symétrie de la courbe directrice ; dans le cas d'une source linéaire, le dispositif sera de forme cylindrique, les génératrices du cylindre étant parallèles à la source. Dans cette version, la fermeture latérale est réalisée par deux éléments réflecteurs inclinés de même nature que le réflecteur principal. De nombreuses modifications peuvent être apportées à la présente invention quant à la nature, à la forme et aux dimensions de ses éléments constitutifs, sans s'écarter de la présente invention. La présente invention trouve son application dans le domaine de l'éclairage extérieur, l'éclairage public, l'éclairage automobile ... sous forme de projecteurs, et l'éclairage intérieur sous forme de plafonniers, appareils encastrés pour l'éclairage des bureaux, magasins, vitrines, etc ... Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de 1 'invention. ; E V E E-N D I C A T I O N S 10) Dispositif optique permettant l'orientation vers l'avant du flux lumineux émis par la lampe, de manière qu'aucun rayonnement réfléchi ne repasse à travers cette lampe, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une surface réflectrice dont la courbe directrice présente un axe de symétrie passant par la source, chaque branche de la courbe directrice comprenant une ellipse et deux paraboles, chaque parabole ayant l'un des foyers de l'ellipse pour foyer. 20) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source est le foyer principal de l'ellipse et de la parabole P1, insérée entre l'ellipse et la parabole P2, le foyer secondaire de l'ellipse étant le foyer de la parabole P2. 30) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un réflecteur aùxiliaire au moins est disposé dans la partie centrale du dispositif non balayée par le flux lumineux réfléchi par la surface réflectrice, ce réflecteur ayant également pour courbe directrice une parabole dont le foyer est la source. 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les rayons émis vers l'arrière sont réfléchis au moins une fois sur la partie du réflecteur principal, dans la zone où la courbe directrice est parabolique, les rayons lumineux émis vers l'avant par la source étant réfléchis au plus une fois sur l'un des réflecteurs auxiliaires dont le foyer est la source. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la courbe directrice du premier réflecteur auxiliaire présente un paramètre au moins égal au rayon de la source. 60) Dispositif selon l'une quelconque des revendications t ou 2, caractérisé en ce que la source est ponctuelle, la surface réflectrice et les réflecteurs auxiliaires étant des surfaces de révolution dont l'axe est l'axe de symétrie passant par la source et ayant pour courbe directrice les courbes directrices de la surface réflectrice et des réflecteurs auxiliaires. 70) Dispositif selon l'une quelconque des revendications t ou 2, caractérisé en ce que la source est une source linéaire, la surface réflectrice et les réflecteurs auxiliaires étant des surfaces cylindriques ayant pour courbe directrice les courbes directrices de la surface réflectrice et des réflecteurs auxiliaires et pour génératrices des génératrices parallèles à la source linéaire. 80) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ellipse forme la partie centrale de la courbe.