Brevet FR2496841A1 — publié le 19820625

L'invention concerne des lampes à réflecteur telles que les projecteurs et les projecteurs pour illumi- nation pourvus de réflecteurs et d'une optique. Dans ces lampes, la source d'éclairage est montée au fond d'un réflecteur concave qui réfléchit vers l'avant, selon un diagramme de rayonnement défini, plus de la moitié de la puissance lumineuse totale de la lampe. On sait qu'une lampe à réflecteur peut être pourvue d'un réflecteur concave comportant des parties para- boliques et sphériques pour projeter vers l'avant un fais- ceau de rayons lumineux parallèles. Dans une lampe à réflec- teur concave, est perdue, de manière non souhaitable, une certaine quantité de lumière provenant de la source lumi- neuse, qui n'est pas réfléchie, mais est émise sous la forme d'un cône divergent vers l'avant du réflecteur. L'invention a pour objectifs la réalisation d'une lampe à réflecteur, associée à une optique, dont le rendement optique, amélioré, permet de concevoir un dispo- sitif dont la consommation est plus faible, ces objectifs étant atteints dans une lampe relativement compacte. Brièvement et selon un exemple de réalisation recommandé, une lampe à réflecteur conforme à l'invention comporte un réflecteur concave pouvant avoir une ou plu- sieurs parties paraboliques pour réfléchir vers l'avant la lumière émise par une source lumineuse disposée au foyer. La source lumineuse est située profondément dans le réflec- teur de manière à se trouver au moins trois fois plus éloi- gnée de l'ouverture frontale de ce réflecteur que de son sommet virtuel, de sorte que pratiquement plus de la moitié de la lumière totale émise est réfléchie par le réflecteur. Une optique est placée à l'avant du réflecteur; elle est profilée au moins à proximité de son bord extérieur pour réfracter vers l'avant une partie des rayons divergents non réfléchis émanant directement de la source lumineuse. Dans un projecteur, pratiquement la totalité de l'optique est profilée pour réfracter et faire converger les rayons lumineux, y compris les rayons lumineux réfléchis, dé sorte que les rayons lumineux réfléchis convergent en un diagramme à croisements pour former le faisceau d'illumination. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: 5. figure 1, une vue de face d'une lampe à réflec- teur selon une réalisation recommandée conforme à l'inven- tion; figure 2, une vue de côté en coupe faite selon la ligne 2-2 de la figure 1; 10. figure 3, une vue de côté en coupe de la lampe avec son faisceau d'illumination. Selon une réalisation recommandée conforme à l'invention et représentée sur les dessins, une lampe à réflecteur comporte un réflecteur concave ll avec une par- tie avant 12 de forme parabolique par rapport au foyer 13, une partie intermédiaire 14 de forme sphérique par rapport au foyer 13, et une partie arrière 15 de forme parabolique par rapport au foyer 13. Comme on le voit figure 1, en coupe transversale perpendiculairement à son axe optique principal, le réflecteur 11 est circulaire. Chacune des trois parties du réflecteur est donc définie par la sur- face de révolution d'une courbe circulaire ou parabolique. Un filament 16 est centré sur le foyer 13 et, de préférence, situé dans le plan 17, ou à proximité du plan 17, défini par la ligne de jointure de la partie avant 12 et de la partie intermédiaire 14, comme représenté sur le dessin. Pour que le rendement optique soit pratiquement maximum, on donne au réflecteur 11 la plus grande profon- deur possible pour obtenir, dans la partie 12, une large surface de réflexion principale réfléchissant sensiblement plus de la moitié de la lumière totale émise, selon le diagramme directif de rayonnement souhaité, et pour que sensiblement moins de la moitié de la quantité totale de lumière, non réfléchie, émane directement de la source lumineuse 16 vers l'avant du réflecteur, selon un faisceau divergent, une partie de la lumière étant perdue car tom- bant à l'extérieur du diagramme de rayonnement souhaité. 24968' La source lumineuse 16 est donc située profondément dans le réflecteur et se trouve généralement au moins trois fois plus éloignée du plan avant ou bord 31 du réflecteur que du sommet de ce réflecteur, ou sommet virtuel 12' de la partie réflectrice 12 dans l'exemple représenté. Mais on se trouve limité en ce qui concerne la profondeur du réflecteur par des considérations pratiques telles que les dimensions, le poids, l'encombrement et le coût de ce réflecteur. D'autres sources lumineuses peuvent être utili- sées à la place du filament 16; on peut utiliser, par exemple, une lampe à incandescence à cycle régénératif à halogène ou une lampe à décharge d'arc. Une optique profi- lée 20 est placée ou scellée sur l'ouverture frontale du réflecteur 11, en premier lieu pour modifier le diagramme de rayonnement comme il sera décrit, également pour proté- ger la surface réflectrice et la maintenir propre, un cou- vercle ou une optique étant nécessaire si la source lumi- neuse dans le réflecteur est constituée par un filament nu tel que le filament 16. Le réflecteur 11 peut être en verre moulé, sa surface intérieure étant revêtue d'aluminium ou d'argent pour former une surface réflectrice, et le fila- ment 16 est de préférence en tungstène et monté sur deux fils-supports d'amenée 18, 19, en un matériau approprié tel que du molybdène. Les rayons lumineux émis par la source lumineuse 16 placée au foyer 13 et qui frappent la partie avant para- bolique du réflecteur 12 sont réfléchis vers l'avant, comme on l'a représenté par les trajets 21 de rayon lumineux. De même, les rayons lumineux tels que 22 qui sont émis par le filament 16 et frappent la partie arrière parabolique 15 du réflecteur sont réfléchis vers l'avant. Les dimensions de la partie intermédiaire sphéri- que 14, par rapport à la'partie avant parabolique 12, sont telles que toute, ou sensiblement toute, la lumière émise par la source lumineuse 16 et frappant cette partie sphéri- que sera réfléchie par cette dernière de manière à être dirigée vers la partie avant 12 qui la réfléchit vers l'avant. Par exemple, un rayon lumineux 26 émis par la source lumineuse 16 depuis le foyer 13 du réflecteur frappe la partie intermédiaire sphérique 14, est réfléchi le long de son trajet en repassant par le foyer 13, puis frappe la partie avant parabolique 12 qui le réfléchit vers l'avant, comme le représente le trajet du rayon lumineux 21 précédem- ment. On recommande pour définir le réflecteur un pro- cédé qui consiste à définir d'abord la partie avant 12, puis à définir le profil de la partie sphérique 14. Puis, on trace, à partir du bord 31, une ligne qui passe par le foyer et qui coupe la ligne de profil de la partie intermédiaire 14; le point d'intersection ainsi défini détermine le plan de jointure 28 à l'arrière de la partie 14, au niveau o cette partie est raccordée à la partie arrière 15. Par suite, le rayon lumineux 32 émis depuis le foyer 13 et qui frappe la partie intermédiaire 14 au niveau ou à proximité du plan arrière 28 sera le long de son trajet en passant par le foyer 13, puis frappera la partie avant parabolique 12 au niveau ou à proximité de son bord avant 31, pour être réflé- chi vers l'avant comme on l'a représenté en 32'. On a repré- senté un autre trajet de rayon lumineux 32, 32' dans la par- tie opposée du réflecteur. La terminologie scientifique en optique définit la largeur de la courbure du réflecteur parabolique au niveau du foyer 13 comme le "latus rectum" qui est repré- senté sur les dessins par la ligne 17 de la figure 2, le sommet étant le point de la surface arrière qui se trouve directement derrière le foyer 13. Le sommet de la partie avant parabolique 12 est le point qui se trouverait direc- tement derrière le foyer 13 si la courbe parabolique avait été poursuivie derrière ce foyer. Le foyer 13 est ainsi relativement proche du sommet de la courbe qui définit la partie avant parabolique 12 et est relativement plus éloi- gné de la courbe qui définit la partie arrière parabolique 15. Le diamètre de la partie intermédiaire sphérique 14 est sensiblement égal à la longueur du latus rectum 17 de la courbe qui définit la partie avant parabolique 12. Du fait que le filament 16 a une forme allongée, la lumière provenant des différentes parties de ce filament n'est pas entièrement émise au niveau du foyer 13 et sera, par suite, réfléchie sous des angles légèrement différents au niveau de points donnés du réflecteur. En conséquence, la lumière réfléchie par la partie intermédiaire 14 ne passera pas toute par le foyer 13. Et le rendement optique du réflecteur sera quelque peu dégradé par rapport au rende- ment qui serait obtenu avec une source ponctuelle hypothé- tique au foyer 13. L'espace défini et entouré par la partie inter- médiaire sphérique 14 forme un évidement permettant de pla- cer la source lumineuse 16, et éloigne suffisamment du fila- ment de cette source lumineuse la surface réflectrice de la partie arrière du réflecteur, pour que le noircissement de cette surface réflectrice par évaporation du matériau du filament soit réduite, cet avantage étant obtenu tout en maintenant un rendement optique pratiquement aussi bon que si la totalité du réflecteur était définie par une seule courbe parabolique. Une partie de la lumière émise par la source 16 n'est pas réfléchie par le réflecteur 11 et se situe dans un faisceau en forme de cône divergent représenté par les deux rayons lumineux 33 du bord du cône. On a également représenté deux autres rayons lumineux 34 intérieurs au faisceau en forme de cône. Ce faisceau en forme de cône, qui comprend les rayons de bord de cône tels que 33 et tous les autres rayons tels que 34 contenus dans le cône, devraient, sans l'optique 20, émerger de l'avant du réflec- teur il en ligne droite, soit le long des trajets de rayon 33', 34'. Tous les rayons lumineux du faisceau en forme de cône, sauf ceux situés sur l'axe optique, sont divergents et incompatibles avec le diagramme de rayons parallèles que l'on souhaite obtenir avec le réflecteur 11; sans l'optique , ils seraient dirigés à l'extérieur de ce diagramme de rayonnement, conduisant à une perte de lumière pour la plupart des applications. Plus les rayons sont proches des rayons de bord de cône 33, plus ils sont divergents, les rayons 33 étant les rayons les plus divergents, et les autres rayons tels que les rayons 34 n'étant que légèrement moins divergents. Les rayons lumineux 21, 32, 33 et 34 sont repré- sentés par paires et symétriques par rapport à l'axe opti- que du réflecteur 11, pour mieux illustrer la répartition de la lumière dans la vue en coupe transversale de la figure 2, et pour faciliter l'illustration figure 3 du dia- gramme de rayonnement de la lumière émise par un projecteur. Conformément à l'invention, l'optique 20 est pro- filée, au moins à proximité de son bord extérieur, de manière à réfracter plus vers l'avant au moins une partie des rayons lumineux "diffus" divergents provenant de la source lumi- neuse, cette optique pouvant, de plus, être profilée pour que l'on obtienne un diagramme de rayonnement d'illumina- tion. On recommande de former l'optique à partir de prismes concentriques 36 du type lentille de Fresnel, de préférence sur sa surface intérieure. Les rayons lumineux 21, 32, 33, etc., représen- tés en traits en tirets figure 2 sont des rayons lumineux émis par la source 16, tant réfléchis que non réfléchis dans le réflecteur 11, et les rayons lumineux 21', 32', 33', etc., représentés en traits en tirets à l'avant du disposi- tif sont les rayons qui formeraient le diagramme de rayonne- ment de ce dispositif en l'absence de l'optique 20. Les rayons lumineux 21", 32", 33", etc., représentés en ligne pleine à l'avant de l'optique 20 sont les rayons qui for- ment le diagramme de rayonnement du dispositif et dont les directions sont définies par l'optique 20 recevant les rayons incidents 21, 32, 33, etc. Selon cette première réalisation conforme à l'in- vention, les prismes concentriques 36 sont formés sur la surface intérieure de l'optique 20, et seulement à proximité de la périphérie extérieure de cette optique, par exemple dans une zone extérieure de l'optique choisie pour qu'ils 24968d interceptent tous les rayons lumineux divergents situés entre les rayons 33 et 34, y compris ces derniers. La forme de prismes 36 est telle qu'ils sont optiquement convergents, de sorte que ces prismes réfractent les rayons lumineux divergents 33, 34 et les rayons situés entre eux plus vers l'avant comme le-représentent les rayons en traits pleins 33" et 34", ce qui rend les rayons plus proches du diagramme de rayonnement global que l'on souhaite. Simultanément, les rayons réfléchis et dirigés vers l'avant qui se situent entre les rayons 21, 32, y compris ces derniers, seront rendus convergents vers l'intérieur par les prismes de l'optique, comme le représentent les rayons en traits pleins 21" et 32" qui se croisent dans une zone 38 (figure 3) à l'avant de l'optique, puis sont divergents et dirigés légè- rement à l'extérieur du diagramme de rayonnement souhaité. Un compromis peut être trouvé pour l'optique et son degré de convergence pour qu'il y ait plus de lumière utile se retrouvant dans le diagramme de rayonnement souhaité par réfraction vers l'avant des rayons par ailleurs divergents 32', 33' qu'il peut en être perdue en raison de la réfrac- tion convergente des rayons par ailleurs parallèles 21',32'. Cela accroit la puissance lumineuse utile et/ou permet l'uti- lisation d'un filament de plus faible puissance 16, et écono- mise l'énergie électrique. Dans cette réalisation avec opti- que 20 pourvue de prismes concentriques 36 seulement à proxi- mité de la périphérie de l'optique, les rayons lumineux réfléchis et non réfléchis provenant du filament 16 qui pas- seront dans la zone centrale de l'optique, limitée par la - circonférence définie par les rayons lumineux 20, ne seront pratiquement pas affectés par la présence de l'optique. Dans une autre réalisation conforme à l'invention d'une lampe de projection à rendement électrique et optique amélioré, les prismes concentriques de réfraction de lumière 36 sont formés sur presque la totalité de la sur- face intérieure de l'optique 20, comme il a été représenté figure 2. Il n'est pas nécessaire de former des prismes au niveau de la zone centrale 41 o ils seraient pratiquement inéfficaces On voit figure 3, que dans un projecteur con- forme à l'invention, l'optique 20 réfracte les rayons lumi- neux divergents non réfléchis selon un diagramme de rayonne- ment plus divergent vers l'avant, comme le représentent les rayons lumineux 33" et 34", qui est le diagramme de rayonne- ment divergent souhaité pour un projecteur. L'optique 20 réfracte également les rayons lumineux parallèles réfléchis de manière convergente, pour former un diagramme à rayons croisés qui deviennent ensuite divergents dans le diagramme de rayonnement souhaité. Par exemple, les rayons lumineux précités 21" et 32" se croisent dans la zone 38 à l'avant de l'optique 20, puis divergent dans le diagramme de rayon- nement souhaité. Pour être plus complet, on a représenté figure 3, deux rayons lumineux supplémentaires projetés 42" et 43" qui ont été réfléchis par le réflecteur 11 vers l'optique 20, dans une zone de diamètre intermédiaire 44 de cette optique, et réfractés par cette dernière de manière à converger et à se croiser dans une zone 46, puis à diverger dans le diagramme de rayonnement souhaité. Les rayons lumi- neux non réfléchis traversant l'optique dans la zone de dia- mètre intermédiaire 44 seront réfractés et projetés pratique- ment vers l'avant et contribueront donc au rayonnement glo- bal du faisceau. Dans les lampes construites conformément à l'invention, les zones de croisement 36, 48 se situent à des distances de l'ordre de 12 à 50 cm à l'avant de l'opti- que 20. Une caractéristique originale du dispositif con- forme à l'invention se trouve dans la projection divergente de certains rayons lumineux 33" et 34" et dans la projection - convergente d'autres rayons lumineux 21", 32", 42" et 43", ces rayons se croisant et devenant divergents d'une manière compatible avec les rayons divergents 33" et 34", pour for- mer le diagramme de rayonnement souhaité. Il n'est pas néces- saire que les prismes concentriques 36 aient des angles de réfraction identiques; les angles de réfraction de certains prismes ou de tous les prismes peuvent être différents pour définir une répartition de la lumière telle que l'intensité est uniforme dans le faisceau ou que ce dernier présente d'autres caractéristiques déterminées. Grâce à l'optique coopérant avec le réflecteur 11, une plus grande partie des rayons lumineux projetés se trouve dans le diagramme de rayonnement souhaité et la lumière perdue est relative- ment faible, ce qui améliore le rendement et économise l'énergie électrique. REVENDICATIONS 1. Lampe à réflecteur dont la source lumineuse (16) est placée sensiblement au foyer (13) d'un réflecteur concave (11), la forme de la surface réflectrice de ce der- nier étant telle que la lumière émise par la source est réfléchie vers l'avant du réflecteur, caractérisée en ce que la source lumineuse est située profondément dans le réflecteur de manière à être au moins trois fois plus éloi- gnée de l'ouverture frontale de ce réflecteur que du sommet ou sommet virtuel (12') de sa surface réflectrice principale (12) pour que pratiquement plus de la moitié de la lumière totale soit réfléchie par ce réflecteur, une optique (20) étant montée sur la partie avant du réflecteur et profilée, au moins à proximité de son bord extérieur, de manière à réfracter plus vers l'avant au moins une partie des rayons divergents non réfléchis émanant de la source lumineuse. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le profil de l'optique (20) est établi à l'aide de prismes concentriques (36). 3. Lampe selon la revendication 2, caractérisée en ce que les prismes concentriques (36) sont formés sur la surface intérieure de l'optique (28). 4. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réflecteur (11) comporte une surface réflec- trice principale formée sur une partie avant parabolique (12), et deux autres surfaces réflectrices formées sur une partie intermédiaire (14) sphérique et une partie arrière parabolique (15), les trois parties précitées ayant le même foyer (13) et leurs dimensions étant telles que prati- quement tous les rayons lumineux réfléchis par la surface de la partie intermédiaire sphérique sont re-réfléchis par la surface de la partie avant parabolique. 5. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la totalité pratiquement de la surface de l'opti- que (20) est profilée de manière à réfracter la lumière plus vers l'intérieur, de sorte que les rayons lumineux réfléchis par le réflecteur (11) convergent en formant un 24968' diagramme à croisements (21", 32", 42", 43"), puis divergent pour former un diagramme de rayonnement d'illumination en coopération avec les rayons lumineux réfractés non réflé- chis (33", 34"). 6. Lampe selon la revendication 5, caractérisée en ce que le profil de l'optique (20) est établi à l'aide de prismes concentriques (36). 7. Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que les prismes concentriques (36) sont formés sur la surface intérieure de l'optique (20). 8. Lampe selon la revendication 5, caractérisée en ce que le réflecteur (11) comporte une surface réflec- trice principale formée sur une partie avant parabolique (12), et deux autres surfaces réflectrices formées sur une partie intermédiaire sphérique (14) et une partie arrière parabolique (15), les trois parties précitées ayant le même foyer (13) et leurs dimensions étant telles que prati- quement tous les rayons lumineux réfléchis par la surface de la partie intermédiaire sphérique sont re-réfléchis par la surface de la partie avant parabolique. 9. Lampe réflecteur dont la source lumineuse (16) est placée sensiblement au foyer (13) d'un réflecteur concave (11), la forme de la surface réflectrice de ce der- nier étant telle que la lumière émise par la source est réfléchie vers l'avant du réflecteur, caractérisée en ce que la source lumineuse est située profondément dans le réflecteur de manière à être au moins trois fois plus éloi- gnée de l'ouverture frontale de ce réflecteur que du sommet ou sommet virtuel (12') de sa surface réflectrice principale (12), pour que pratiquement plus de la moitié de la lumière totale soit réfléchie vers l'avant par le réflecteur, et pour que moins de la moitié de la lumière totale émerge, non réfléchie, de l'ouverture frontale sous la forme d'un cône divergent de lumière, une optique (20) étant montée sur la partie avant du réflecteur et profilée de manière à réfracter la lumière plus vers l'intérieur,,de sorte que les rayons lumineux non réfléchis restent divergents et que les rayons réfléchis convergent en formant un diagramme à croisements (21", 32", 42", 43"), puis divergent pour for- mer un diagramme de rayonnement d'illumination en coopéra- tion avec les rayons lumineux réfractés non réfléchis (33", 34"). 10. Lampe selon la revendication 9, caractérisée en ce que le profil de l'optique est tel que les angles de divergence des rayons réfléchis après croisement sont approximativement les mêmes que les angles de divergence des rayons non réfléchis, dans le diagramme de rayonnement du faisceau projeté. 11. Lampe selon la revendication 9, caractérisée en ce que le profil de l'optique (20) est établi à l'aide de prismes concentriques (36). 12. Lampe selon la revendication 11, caractérisée en ce que les prismes concentriques (36) sont formés sur la surface intérieure de l'optique (20).