Brevet FR2492947A1 — publié le 19820430

Dispositif d'éclairage, notamment phare de bicyclette L'invention concerne un dispositif d'éclairage, par exemple une lampe portative ou un phare de bicyclette. De nombreux dispositifs d'éclairage comprennent essentiellement une source lumineuse, constituée généralement par le filament d'une ampoule à incandescence, et un réflecteur concave. Ce dernier renvoie les rayons qu1il reçoit de la source en un premier faisceau relativement concentré qui peut être par exemple approximativement parallèle ou conique, suivant la forme du réflecteur et la position de la source. Mais une partie importante de rayons émis ne sont pas reçus par le réflecteur et sortent directement sous la forme d'un faisceau conique (en assimilant la source à un point) dispersé. Le but de l'invention est de produire un faisceau concentré dans un angle solide aussi petit qu'on le souhaite, et contenant une fraction aussi élevée qu'on le souhaite de la puissance émise par la source, déduction faite des pertes inévitables par réflexion et absorption dans le système optique lui-même. L'invention a pour objet un dispositif d'éclairage comprenant une source lumineuse pratiquement localisée en un point F1, un premier réflecteur concave dont la surface réfléchissante S1 appartient à un ellipsoIde de révolution ayant pour foyers le point F1 et un point F2, et un second réflecteur concave dont la surface réfléchissante 32 appartient à une sphère de centre F1 passant par F2 et ne contient pas F2, le second réflecteur renvoyant vers le premier à travers le point F1 la majeure partie des rayons émis par la source et n'atteignant pas directement le premier réflecteur, de sorte que les rayons réfléchis directement par le premier réflecteur et ceut réfléchis d'abord par le second réflecteur forment ensemble un faisceau conique de sommet F2. D'autres caractéristiques de l'invention apparattront dans la description détaillée qui va suivre, en regard du dessin annexé dans lequel La figure 1 représente la trace dans un plan axial d'un système optique idéal mettant en oeuvre l'invention. La figure 2 est une vue en coupe de l'ensemble lampe-réflecteurs d'un dispositif d'éclairage selon l'invention. A la figure 1 on a représenté deux points F1 et F2, un arc APA' appartenant à une ellipse de foyers F1 et F2, P étant le sommet de l'ellipse le plus proche de F1, et un arc BF2B' appartenant à un cercle de centre F1. L'ensemble est symétrique par rapport à la droite F1F2, le point A appartenant au segment F1B et l'angle U1 = AF 1F2 étant aigu. Supposons qu'unie source lumineuse soit localisée au point F1 et que les arcs APA' et BF2B' soient les traces de deux surfaces réfléchissantes S1 et S2 concaves de révolution autour de l'axe F1F2. Soient C l'intersection de la droite F1A et de l'arc PA', et C' celle de la droite F1A' et de l'arc PA. La surface conique de révolution autour de F1F2 ayant pour trace les droites F1A et F1A' partage l'espace en trois angles solides, l'un L 1 contenant la portion de la surface S1 ayant pour trace l'are CPC', le second 2 contenant le reste de la surface S1, ayant pour trace les arcs AC' et A'C, et le troisième w 3 contenant la surface S2. Les rayons émis par la source dans les angles solides a > 1 et X 2 sont réfléchis par la surface S1 et passent par le point F2.Ceux émis dans l'angle solide w 3 sont réfléchis sur eux-mêmes par la surface S2, repassent par le point F1 et sont de nouveau réfléchis par la surface vers le point F2 (en considérant que la source est transparente). Si la surface S2 au lieu d'entre entièrement réfléchissante est transparente au point F2, les rayons réfléchis la traversent et forment un faisceau conique divergent. Dans ce faisceau on peut distinguer deux parties. Une première partie occupe l'angle solide # situé à l'intérieur de la nappe conique ayant pour trace les demidroites opposées aux demi-droites F2C et F2C' et contient à la fois les rayons émis dans l'angle solide X 1 et ceux émis dans l'angle solide w3.La seconde partie occupe l'angle solide annulaire a > entourant l'angle solide a > 4 et limité extérieurement par la nappe conique ayant pour trace les demi-droites opposées aux demi-droites F2A et F2A', et contient seulement les rayons émis par la source dans l'angle solide w 2. Cette seconde partie présente donc une intensité moindre que la première. Le système optique idéal schématisé par la figure 1 utilise pour former le faisceau conique émergent la totalité des rayons émis par la source. Ce système est entièrement défini par la dis tance F1F2, l'excentricité e de l'ellipse et ltangle aigu u1 : AF1F2. Le faisceau émergent peut etre caractérisé par le demi-angle 1 au sommet du cône limitant sa région interne la plus intense, u2 = CF2F1, et par le demi-angle au sommet du clone qui le limite extérieurement, u3 = AF2F1. u2 et u3 sont indépendants de F1F2, et varient en fonc- tion de e et de u1. Pour F1F2 et e constants et u1 variable, l'ellipse E support de l'arc APA' et le cercle Q support de l'arc BF2B' sont fixes, et la longueur des arcs varie. L'angle u1 peut varier (compte tenu des hypothèses de départ indiquées dans la description de la figure) entre 2 et une limite inférieure pour laquelle A 2 et B sont confondus au point d'intersection de E et Q. Lorsque u1 = 2 A et C' sont confondus et u2 = u3.Lorsque u1 diminue A s'éloigne de P et u3 augmente, C s'approche de P et u2 diminue. Pour F1F2 et u1 constants et e variable, l'arc BF2B' est fixe et l'ellipse E varie. Le point A peut se déplacer de R à F1, les angles u2 et u3 tendant vers zéro lorsque A tend vers F1. On voit donc que l'angle u3, et par conséquent l'angle solide dans lequel est concentré le faisceau émergent, peut etre rendu aussi petit qu'on le désire, en jouant sur 11 excentricité de l'ellipse. Et à l'intérieur de ce faisceau on peut faire varier l'importance relative de la fraction la plus intente en jouant sur l'angle u1. Pour faire disparaître la couronne moins intense il suffit de choisir U1 - #. La limite supérieure de u2 correspond à u1 = # et A = B 2 2 et est donc égale à 4 4. Dans un système optique réel mettant en oeuvre l'invention, la source lumineuse, constituée par exemple par le filament d'une ampoule à incandescence, n'est pas rigoureusement ponctuelle ni bien entendu transparente. En raison de la finesse du filament une fraction infime des rayons réfléchis par la surface S2 frappera ce filament et sera absorbé. En raison du caractère non ponctuel de la source et des imperfections géométriques des surfaces réfléchis- santes, les rayons réfléchis par la surface S1 n'atteignent pas tous exactement le point F2 et il est nécessaire de prévoir une ouverture autour de celui-ci dans la surface réfléchissante laquelle est de préférence annulaire.Une partie de l'énergie lumineuse émise par le filament est inévitablement perdue par absorption par les surfaces réfléchissantes, le verre de l'ampoule et surtout le culot de celle-ci. On a supposé dans la description de la figure 1 que les points alignés, c'est-à-dire qu les angles AF1F2 AF F1, A et B sont alignés, c'est-à-dire que les angles AF1F2 et BF1F2 sbnt égaux. Si l'angle BF1F2 était inférieur à l'angle AF1F2, on voit immédiatement que les rayons émis dans l'angle AF1B (en raisonnant dans le plan pour simplifier) ne seraient pas captés par les surfaces réfléchissantes et seraient perdus. En revanche si l'angle BFXF2 était supérieur à l'angle AF1F2, le point A restant à l'intérieur du cercle Q, le fonctionnement du système n'en serait pas modifié, la portion de la surface S2 comprise entre le point B et l'intersec tion B1 de la droite AF1 et du cercle Q étant simplement inutilisée. Par ailleurs si le point A était à l'extérieur du cercle Q, l'angle BF1F2 étant au moins égal à l'angle AF1F2, la portion de la surface comprise entre les points A1 et A2, intersections de l'ellipse E avec respectivement les droites BF1 et BF2 (A1 étant confondu avec A pour BF1F2 = AF1F2) renverrait les rayons qu'elle reçoit en arrière de la surface S2, et ces rayons seraient perdus. Le fait que A soit à l'intérieur du cercle Q implique que l'arc d'ellipse AP y soit également, car lorsqu'un point M décrit cet arc de A à P la distance F1M décroit. Imaginons maintenant une modification de la figure 1 consistant étant à rendre obtus l'angle AF1F2. La condition BF1F2 > , A 1F2 étant supposée respecté, les rayons émis selon une droite ne rencontrant pas la surface Sq seraient réfléchis indéfiniment par la surface et ne participeraient pas au faisceau émergent. On peut donc résumer comme suit les conditions que doit satisfaire le système réflecteur d'un dispositif selon l'invention pour assurer une utilisation pratiquement totale des rayons émis - l'angle AF1F2 est aigu ou droit, autrement dit la courbe fermée limitant la surface S1 et traversant tous les plans passant par la droite F1F2 se trouve dans le demi-espace limité par le plan perpendiculaire à F1F2 passant par F1, et contenant F2. Il s'agit d'un demi-espace fermé, c'est-à-dire incluant le plan qui le limite. A - l'angle BF1F2 est supérieur ou égal à l'angle AF1F2, autrement dit le bord périphérique de la surface S2 est compris dans le demi-espace limité par la nappe conique de sommet F1 et ayant pour directrice la courbe fermée limitant la surface S1, et contenant S1. Ici encore le demi-espace est fermé car il inclut la nappe conique qui le limite. - la surface S2 est une surface annulaire limitée par son bord périphérique et par une ouverture centrale contenant le point F2 et d'un diamètre juste suffisant pour laisser passer les rayons réfléchis passant au voisinage de F2. - la surface S1 est la portion d'ellipsolde limitée par la courbe fermée définie ci-dessus et contenant le point P. - le point A est à l'intérieur du cercle Q, autrement dit la courbe fermée définie ci-dessus est à l'intérieur de la sphère de centre F1 passant par F2. L'intérieur de la sphère doit être lui aussi considéré comme un demi-espace fermé, c'est-à-dire que la courbe fermée limitant la surface Sr peut être sur la surface de la sphère. Elle peut alors être confondue avec le bord périphérique de la surface Toute dérogation à ces conditions se traduira théoriquement par une perte de rendement. Toutefois en pratique la fraction des surfaces réfléchissantes située à l'ombre du culot de l'ampoule peut être supprimée sans inconvénient. Par ailleurs on peut sans sortir de l'invention s'écarter de ces conditions optimales si cela est justifié par des nécessités techniques ou par des avantages qui compensent la perte de rendement lumineux. On a supposé jusqu'ici pour simplifier la description que les surfaces réfléchissantes S1 et S2 étaient de révolution, mais l'invention n'exige pas qu'il en soit ainsi Les conditions optimales énoncées ci-dessus s'appliquent également lorsque les surfaces ne sont pas de révolution. Dans ce cas le faisceau émergent n'est pas non plus de révolution. L'ensemble optique représenté à la figure 2 comprend une lampe à incandescence 1 dont le filament non représenté est situé pratiquement en un point F1, un premier réflecteur concave 2 dont la surface réfléchissante S1 appartient à un ellipsoïde de révolution ayant pour foyers F1 et un point F2, et un second réflecteur concave 3 dont la surface réfléchissante S2 appartient à une sphère de centre F1 passant par F2. La surface S1 est limitée par une courbe fermée représentée sur la figure par les points A et A', l'angle ul = AFaF2 étant aigu. Par rapport à la figure 1, la distance F1F2 et l'excentricité de l'ellipse engendrant la surface S1 sont les mêmes, mais l'angle u1 est plus petit et tel que le point A soit sur la sphère portant la surface S2.Cette dernière est ainsi limitée par la même courbe fermée que la surface S1, ce qui permet un raccordement direct des réflecteurs 2 et 3, qui peuvent être constitués par deux pièces plastiques métallisées soudées ou collées bord à bord. Le réflecteur 3 présente par ailleurs une ouverture centrale 4 autour du point F2, permettant la sortie des rayons lumineux réfléchis par la surface S1 et passant par F2 ou à son voisinage immédiat. Le réflecteur 2 présente quant à lui une ouverture 5 pour le passage du culot de l'ampoule 1. Hormis cette ouverture, la surface réflé- chissante S1 est constituée par toute la portion de l'ellipsolde limitée par la courbe que représentent les points A et A' et contenant le sommet P de l'ellipsoide le plus proche de F1. L 'angle u1 étant plus petit à la figure 2 qu'à la figure 1, le demi-angle au sommet u2 de la partie centrale du faisceau émergent est également plus petit et le demi-angle au sommet u3 de ee faisceau est plus grand. Des modifications peuvent être apportées à la réalisation décrite sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi les deux réflecteurs au lieu d'etre assemblés directement l'un à l'autre peuvent l'être, notamment lorsque le point A n'est pas sur la sphère, par l'intermédiaire d'un organe de raccordement qui peut former une seule pièce avec l'un des deux réflecteurs. Alternativement ils peuvent être fixés sur un bâti indépendamment l'un de l'autre. L'ouverture centrale de la surface S2 peut être réalisée par une interruption du revêtement réfléchissant sur une pièce plastique transparente. Les deux réflecteurs peuvent naturellement être métalliques. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'éclairage comprenant une source lumineuse pratiquement localisée en un point F1 et un premier réflecteur concave dont la surface réfléchissante S1 appartient à une surface de révolution dont l'axe contient F1, caractérisé par le fait que ladite surface de révolution est un ellipsoide dont F1 est un foyer et que le dispositif comprend en outre un second réflecteur concave dont la surface réfléchissante S2 appartient à une sphère de centre F1 et passant par le second foyer F2 de l'ellipsoide, lequel foyer F2 n'appartient pas à S2, le second réflecteur renvoyant vers le premier à travers le point F1 la majeure partie des rayons émis par la source et n1 atteignant pas directement le premier réflecteur, de sorte que les rayons réfléchis directement par le premier réflecteur et ceux réfléchis d'abord par le second réflecteur forment ensemble un faisceau conique de sommet F2. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface S2 est annulaire, limitée par une ouverture centrale et par un bord périphérique, et que le point F2 est situé dans ltouverture centrale. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la surface S1 est la portion de l'ellipsoide contenant le sommet le plus proche de F1 et limitée par une courbe fermée traversant tous les plans passant par l'axe F1F2 et comprise dans le demi-espace défini par le plan perpendiculaire à F1F2 passant par F1 et contenant F2. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite courbe est située dans le plan perpendiculaire à F1F2 passant par F1. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que ladite courbe fermée est à l'intérieur de ladite sphère. 6/ Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que ledit bord périphérique est compris dans le demi-espace limité par la nappe conique de sommet F et ayant pour directrice ladite courbe fermée, et contenant la surface 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit bord périphérique est situé sur ladite nappe.