Brevet FR2510271A1 — publié le 19830128

L'invention concerne l'optique, et plus précisément, les concentrateurs de rayonnement lumineux et leurs procédés de fabrication. Le concentrateur de rayonnement lumineux selon l'in- vention peut être appliqué avec succes à l'héliotechnique pour concentrer le rayonnement solaire frappant la surface de travail d'un photoconvertisseur. On connut un concentrateur de rayonnement lumineux -réalisé sur la base d'une lentille de Fresnel (voir le brevet US 4011857. La lentille de Fresnel est réalisée par emboutissage en utilisant une matrice de profil compliqué obtenue par usinage mécanique. La réalisation de telles matrices soulève de grosses difficultés technologiques, et les lentilles de Fresnel ont de fortes pertes d'énergie à cause du masquage réciproque des stries d' interférence. On connaît un concentrateur de rayonnement lumineux fermé par une lentille convergente représentant un hologramme dont le réseau de diffraction possède des propriétés focalisantes (voir par exemple R.J.Collier, C.B.Burckhardt, L.H. Lin, Optical Holography, Academii Press, New York, 1971, ch.2, paragraphe 4.2). Une telle lentille est construite sous la forme d'une lame transparente avec une couche photosensible dans laquelle est formé l'hologramme d'une source de lumière ponctuelle. L'hologramme est obtenu par enregistrement de l'image d'interférence produite lors de l'interaction de deux rayonnements laser, dont l'un est le rayonnement de référence plan-parallèle et dont l'autre est le rayonnement de l'objet divergeant du point d'émission laser. Une telle lentille possède des dimensions qui sont limitées par les caractéristiques opto-mécaniques de l'installation holographique. Lorsqu'on utilise cet hologramme comme concentrateur d'un rayonnement lumineux, la puissance du rayonnement concentré au foyer est faible. D'autre part, la forme géométrique du foyer et la répartition de l'énergie dans le plan focal sont déterminées surtout par la source ponctuelle de lumière au cours de la formation de l'hologramme et ne peuvent être prédéterminées. Ceci réduit l'efficacité du concentrateur quand on utilise-des récepteurs de forme non circulaire et/ou exigeant une répartition déterminée de l'énergie d'un rayonnement concentré, par exemple, des photoconvertisseurs rectangulaires. On connaît également un concentrateur à facettes d'un rayonnement lumineux (solaire), comportant une carcasse rigide, dans les cellules de laquelle sont fixées des facettes concentrant le rayonnement. Ces facettes sont des lentilles biconvexes convergentes à foyer commun (voir le recueil "Fours solaires à haute température'1, bloscou, éd. T.L. 1960, p.210216). Le concentrateur connu assure une puissance élevée concentrée au foyer du rayonnement. Cependant, ce concentrateur de lumière solaire est encombrant et le système auxiliaire de miroirs et de lentilles convergentes supplémentaires, nécessaires pour créer un foyer commun, provoque des pertes d'énergie et rend difficile la mise au point de ce concentrateur à facettes. L'invention vise å fournir un concentrateur de rayonnement lumineux dont la simplicité et la haute fiabilité sont en mesure d'assurer une puissance élevée (suffisante pour lthé- liotechnique) concentrée au foyer du rayonnement. L'invention vise également un procédé de fabrication d'un tel concentrateur ne soulevant pas de grosses difficultés technologiques. L'invention a donc pour objet un concentrateur de rayonnement lumineux, comportant une carcasse dans laquelle sont fixées au moins deux facettes concentrant le rayonnement sur un foyer commun, ledit concentrateur étant caractérisé en ce que les facettes de concentration sont des hologrammes dont les réseaux de diffraction possèdent une structure permet tant d'obtenir un foyer commun. Les paramètres des réseaux de diffractions des hologrammes peuvent être choisis de manière à assurer la forme géométrique voulue du foyer commun. Les paramètres des réseaux de diffraction peuvent également etre choisis de manière à assurer une répartition voulue de l'énergie dans le plan focal. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un concentrateur de rayonnement lumineux par enregistrement sur un élément photosensible de l'image d'interférence produite par un rayonnement plan-parallèle de référence et un rayonnement de 11 objet divergeant du foyer, caractérisé en ce que on utilise autant d'éléments photosensibles qu'il y a de facettes de concentration, on fixe ces éléments dans la carcasse du concentrateur et on enregistre l'image d'interférence successivement sur chaque élément photosensible en déplaçant le faisceau de référence parallèlement 9 lui-même et en dirigeant le faisceau de l'objet vers l'élément photosensible correspondant. Il est avantageux d'orienter les faisceaux d'objet en les faisant pivoter autour du foyer. On peut également orienter les faisceaux d'objet en les faisant passer à travers un écran diffuseur situé dans le plan focal du concentrateur. Lorsqu'on doit obtenir un foyer d'une forme géométrique prédéterminée, il faut, après avoir fait passer le faisceau d'objet à travers l'écran diffuseur le faire passer également- à travers un diaphragme présentant une ouverture dont la forme correspond à la forme géométrique du foyer. Si on veut obtenir dans le plan focal une répartition prédéterminée de la densité du rayonnement, les faisceaux provenant de l'objet, après leur passage à travers le diaphragme peuvent être envoyés à travers un filtre de lumière dont la répartition du facteur de transmission lumineuse correspond à la répartition voulue de l'énergie dans le plan focal du concentra teur. Le concentrateur de rayonnement lumineux réalisé selon l'invention permet de capter le rayonnement lumineux sur une grande surface (la surface totale de toutes les facettes) et d'obtenir des valeurs de puissance élevées, une répartition voulue de la puissance dans le plan focal et l'obtention d'une forme géométrique voulue du foyer. La construction du concentrateur est simple et celui-ci comporte une quantité minimale d'éléments et est fiable. Le procédé de fabrication du concentrateur selon l'invention diffère des procédés connus de destination analogue par l'absence d'un calcul préalable des paramètres des éléments concentrateurs. I1 assure d'une façon suffisamment simple les propriétés optogéométriquesrequises du concentrateur grâce A la création d'une structure appropriée du réseau de diffraction de la facette de concentration consistant en la superposition simple des ondes lumineuses sur l'élément photosensible avec son traitement photochimique ultérieur. On évite dans ce cas le processus onéreux de prépara- tion mécanique séparée du gabarit de précision pour chaque facette de concentration. D'autre part, les facettes de concentration une fois réalisées sous la forme d'hologrammes peuvent être reproduites en utilisant des moyens connus de copiage D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins donnés en annexe sur lesquels - la Fig. 1 représente un concentrateur de rayonnement lumineux selon l'invention avec l'appareillage pour sa fabrication permettant d'obtenir un hologramme du type transparent - la Fig. 2 montre un concentrateur de rayonnement lumineux avec un appareillage pour sa fabrication permettant d'obtenir des hologrammes du type réflecteur la forme géométrique du foyer et la répartition de l'énergie dans le plan focal du concentrateur étant conformes â des conditions pré- déterminées. Le concentrateur comporte une carcasse rigide 1 sur laquelle sont fixées des facettes concentrant le rayonnement et qui se présentent sous la forme de plaques 2. A la surface de chacune de ces plaques se trouve un élément photosensible 3 sur lequel est enregistré l'hologramme produit par un faisceau de rayonnement plan-parallèle de référence et un faisceau de rayonnement d'objet divergeant â partir du foyer F commun à toutes les facettes. La structure des réseaux de diffraction de tous les hologrammes est telle que toutes les facettes du concentrateur ont un foyer commun au point F. C'est-à-dire que le réseau de diffraction de chacun de ces hologrammes possède des propriétés focalisantes. Par ailleurs, lorsque l'hologramme est éclairé par un faisceau de lumière identique au faisceau de référence, la disposition du foyer F, sa forme et la répartition de l'énergie dans ce foyer sont les mêmes qu'au cours de lten- registrement de l'image d'interférence sur l'élément photosensible 3, c'est-à-dire, au cours de la préparation d'une facette de concentration.Selon l'une des variantes concentra-- teur, les hologrammes peuvent être du type transparent, semblables aux lentilles convergentes, si au cours de la fabrication les faisceaux de référence et objet éclairent les éléments photosensibles 3 du même côté. Selon une autre variante, les hologrammes sont du type réflecteur, semblables dun miroir concave, si au cours de la fabrication les faisceaux de référence et d'objet éclairent les éléments photosensibles 3 de côtés différents. Si l'épaisseur du milieu enregistreur des éléments photosensibles 3 est faible, comparée à la distance entre les surfaces des maxima de l'image d'interférence, les hologrammes agissent comme des réseaux de diffraction bîdimensionnels. Un réseau de diffraction bidimensionnel concentre tout le spectre de la lumière blanche, cependant la lumière de longueur d'onde différente-est dispersée de différentes façons sur ce réseau et forme un domaine focal constitué de foyers de différentes couleurs disposés consécutivement.Si l'épaisseur du milieu d'enregistrement des objectifs photosensibles 3 est choisie supérieure à la distance entre les surfaces des maxima de l'image d'interférence, il se forme un réseau tridimensionnel de diffraction, qui focalise un domaine spectral proche de la longueur d'onde du rayonnement laser au cours de la fabrication de chaque facette de concentration. Dans toutes les variantes de réalisation du concentrateur, les paramètres des réseaux de diffraction des facettes de concentration peuvent etre choisis de manière à assurer le positionnement voulu du foyer, sa forme géométrique et la répartition de l'énergie dans celui-ci. La-structure voulue est dans ce cas formée sans difficulté et automatiquement par 1' in- interférence des faisceaux appropriés-de référence et d'ôbjet. Ainsi, il devient inutile de calculer préalablement les paramètres et les propriétés focalisantes d'une facette de concentration qui soulève de grosses difficultes. L'appareillage pour l'enregistrement des hologrammes sur les éléments photosensibles 3 du concentrateur comporte une source de rayonnement monochromatique cohérent ou laser 4, un miroir pivotant 5 placé sur le trajet du faisceau du laser, un diviseur de lumière 6 prévu pour diviserSle faisceau du laser en l'envoyant dans deux directions, des lentilles 7 et 8, disposées l'une derrière l'autre sur le trajet du rayonnement dans l'une de ces directions, pour-former un faisceau plan-parallèle en élargissant ce faisceau dans cette direction, et aussi un miroir 9 qui dévie le faisceau élargi par les lentilles vers un miroir semi-transparent 10, qui, à son tour dirige le faisceau plan -parallèle du rayonnement cohérent vers l'élé- ment photosensible' 3.Sur lue trajet du faisceau, dans la seconde direction, se trouve un miroir de déviation lI et un micro-objectif 12 formant le faisceau convergeant de l'objet. L'appareillage représentesur la Fig.-2 diffère de celui représenté sur la Fig. 1, en ce que le système de miroir 9, 10' est disposé en aval du concentrateur, du côté des plaques 2. Ainsi les deux parties divisées par le diviseur de lumière 5 du rayonnement laser éclairent les objectifs photosensibles 3 de cotés opposés. D'autre part, cette variante de l'appareillage comporte en plus un écran diffuseur 13 et un filtre de lumière 14 adhérant l'un à l'autre par leurs surfaces de travail et disposés en aval du micro-obJectif 12 sur le trajet du rayonnement laser 4, de façon que la surface de contact entre l'écran diffuseur 13 et le filtre de lumière 14 colncide avec le plan focal voulu du concentrateur. La répartition du facteur de transmission lumineuse du filtre de lumière 14 correspond à la répartition voulue de l'énergie dans le plan focal du concentrateur. Par sa construction, le filtre de lumière 14 peut colncider avec le diaphragme dont l'ouverture correspond à la forme géométrique voulue du foyer du concentrateur. Le diaphragme peut être également réalisé sous forme d'un élément à part, installé en aval du filtre de lumière 14 sur le trajet du rayonnement (non repté- senté). Le procédé de fabrication du concentrateur est le suivant La partie du rayonnement laser 4 déviée par le divi- seur de lumière 6 (Fig.l) est dirigée, au moyen des lentilles 9 et 10, sur la surface de l'un des éléments photosensibles 3. Ce faisceau plan-parallèle du rayonnement laser représente le faisceau de référence. Simultanément, la seconde partie du rayonnement laser ayant traversé le diviseur de lumière 6 est envoyée, au moyen du miroir 11, du micro-objectif 12 et du.mi- roir semi-transparent 10, vers le même élément photosensible 3. Ce faisceau du rayonnement laser constitue le ,faisceau d'objet et représente un cône dont le sommet est- situé au point F. Le faisceau plan-parallèle de référence et le faisceau d'objet divergeant du point F du foyer commun du conQentrateur interférent et agissent sur l'élément photo sensible en créant dans ce dernier un hologramme c'est-à-dire une structure semblable à un réseau de diffraction. Après un traitement photochimique approprié. il reste sur la plaque 2, un hologramme d'une source de lumière ponctuelle, possédant des propriétés focalisantes. Puis le faisceau plansparallèle de référence est déplacé paral- lèlement à lui-même au moyen du miroir semi-transparent 10 et dirigé vers l'élément photosensible 3 suivant. Simultanément, en faisant pivoter le- micro-obfectif 12 autour du foyer commun F, on dirige le faisceau d'objet divergent vers le mAme élément photosensiblé 3, à travers le miroir semi-transparent 10. La séquence des opérations est répétéeur tous les éléments photosensibles 3 du concentrateur, dont le nombre correspond au nombre de facettes de concentration.La Fig. 1 montre un exemple de préparation des facéttes d'un concentrateur avec des hologrammes du type transparent, les faisceaux de référence et d'objet étant alors dirigés du même côté vers les éléments phd- tosensibles 3. A l'aide de lSappareillage représenté sur la Fig.2, on enregistre des hologrammes du type réflecteur. Le concentrateur dont les facettes sont des hologrammes du type réflecteur, focalise un rayonnement lumineux incident dans la direction opposée à celle de la lumière incidente. Lors de la fabrication d'un concentrateur, le faisceau plan-parallèle de référence est dirigé sur les facettes du caté de la plaque 2, tandis que les faisceaux d' objet divergeant à partir du foyer sont dirigés comme au préalable sur les facettes correspondantes du coté des- éléments photosensibles 3. Ainsi, quand on éclaire. un tel concentrateur avec ut faisceau plan-parallèle de lumière identique au faisceau de référence du coté des éléments photosensibles 3, le rayonnement lumineux est réfléchi et concentré sur le plan focal. Dans ce cas, le procédé de préparation du concentrateur est comme - suit. On forme - avec la partie du rayonnement laser 4 déviée par le diviseur de lumière 6, au moyen des lentilles 7 et 8 le faisceau de référence, et au moyen des mi roirs 9 et lo' on le dirige vers l'élément photo-sensible 3 du caté de la plaque 2.Simultanément, la seconde partie du rayonnement laser 4,- qui a traversé le diviseur de lumière 6, est réfléchie par le miroir 11 et arrive à travers le microobjectif 12 sur l'écran diffuseur 13. écran diffuseur 13 diffuse ce faisceau de lumière dans un angle spatialétendu et dirige ainsi les faisceaux d'objet simultanément vers toutes les facettes, y compris également vers l'élément. 3, vers lequel est dirigé le faisceau de référence provenant du miroir 10'. Le diaphragme avec une ouverture de forme prédéterminée installé entre l'écran diffuseur 13 et les éléments photosensibles 3 ou le diaphragme et le filtre de lumière 14 avec une répartition du facteur de transmission lumineuse prédéterminée représente la source des faisceaux d'objet du rayonnement, ctest-à-dire l'objet holographié. L'image du diaphragme ou du diaphragme avec le filtre de lumière 14 est successivement porté sur les facettes du concentrateur par enregistrement sur les éléments photosensibles 3 de l'image d'interférence produite par les faisceaux de rayonnement plan-parallèle de référence et d'objet divergeant du foyer. Le faisceau plan-parallèle de référence est déplacé de la même façon que dans le premier cas, parallèlement à lui-même, le faisceau de rayonnement d'objet est dirigé à partir du foyer commun F du concentrateur. Pour réaliser toutes les variantes du procédé, les facettes sont fixées sur la carcasse 1 du concentrateur, le micro-objectif 12, l'écran diffuseur 13, le diaphragme et le filtre de lumière 14 sont montés fixes. L'utilisation d'un micro-objectif 12 est donné à titre d'exemple et n'est pas obli gatoire L'éclairage de l'écran diffuseur qui forme les faisceaux d'objet peut être réalisé, par exemple., avec une partie élargie du faisceau de référence. Après l'enregistrement de l'image dvinterférence sur l'élément photosensible 3 la facette correspondante est extrai- te de la carcasse 1 du concentrateur et, au besoin, soumise à un traitement photochimique, puis on la replace sur la carcasse I exactement dans la mme position qu''au cours de l'en- registrement de l'image d'interférence. On répète de la même façon cette opération pour toutes les facettes.Cependant, on peut également protéger avec un écran non transparent la facette exposée portant l'image d'interférence enregistrée et créer le réseau de diffraction sur la facette suivante, puis réaliser le traitement photochimique simultanément pour toutes les facettes, sans les déposer de la carcasse 1 du concentrateur. L'image d'interférence enregistrée sur chaque élément photosensible 3 est similaire à une lentille convergente et représente l'hologramme du diaphragme ou du filtre de lumière, dont les paramètres du réseau de diffraction contient l'information concernant la position du diaphragme ou du filtre de lumière 14 par rapport à la surface de la facette, la forme géométrique de l'ouverture du diaphragme et la répartition du facteur de transmission lumineuse du filtre de lumière 14. Lorsque le concentrateur est éclairé par un faisceau plan-parallèle (par-exemple la lumière solaire), le réseau de diffraction de chaque facette assure la déviation des rayons vers le foyer commun, de forme semblable à la forme géométrique du diaphragme, et une répartition de l'énergie du rayonnement concentré au foyer correspondant à la répartition du facteur de transmission du filtre de lumière 14. Le foyer F est situé par rapport å Ia carcasse 1 du concentrateur à l'endroit même où se trouvait le diaphragme, ou le diaphragme et le filtre de lumière 14, pendant la création des réseaux de diffraction des facettes. Ceci permet d'exécuter les facettes, et, par conséquent, également le concentrateur, avec n'importe quels paramètres prédéterminés : emplacement du foyer par rapport à la surface de concentrateur ou forme géométrique du foyer et répartition de l'intensité du rayonnement concentré dans ce lui-ci, la surface de travail du concentrateur peut alors a voir une forme quelconque et être du type transparent, si le rayonnement est focalisé en aval de la surface de travail du concentrateur, ou du type réflecteur, si les faisceaux concentrés sont réfléchis par les facettes et focalisés en amont de la surface de travail du concentrateur. Le concentrateur à facettes, selon l'invention, permet d'utiliser d'une façon particulièrement avantageuse l'énergie concentrée avec des récepteurs de diverses formes géométriques, exigeant une répartition déterminée de ltintensite d'éclairage à leur surface et améliore l'efficacité de la transformation de l'énergie lumineuse. Par exemple, si on utilise comme récepteur un convertisseur de forme rectangulaire et de dimension donnée, fonctionnant d'une façon optimale avec un éclai- rage uniforme de sa surface, le filtre de lumière peut être réalisé sous forme d'un rectangle transparent, les dimensions du filtre de lumière et du diaphragme étant prises égales aux dimensions du photoconvertisseur. Après sa fabrication le concentrateur possède sur son plan focal une tache rectangulaire éclairée uniformément, dont la forme coïncide avec celle du photoconvertisseur. Ainsi on obtient une combinaison optimale du concentrateur et du récepteur de rayonnement concentré. Les propriétés sélectives des hologrammes par rapport à la longueur d'onde de la lumière incidente rendent encore plus vastes les possibilités du concentrateur avec des hologrammes utilisés comme facettes. E V E N D I C A T I O N S 1 - Concentrateur de rayonnement lumineux comportant une carcasse (1) et fixées sur celle-ci, au moins deux facettes concentrant le rayonnement et ayant un foyer commun (F), caractérisé en ce que les facettes de concentration sont des hologrammes dont les réseaux de diffraction possèdent une structure permettant d'obtenir un foyer commun (F). 2 - Concentrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paramètres des réseaux de diffraction des hologrammes sont choisis de manière à assurer une forme géométrique requise du foyer commun (F). 3 - Concentrateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les paramètres des réseaux de diffraction des hologrammes sont choisis -de manière à assurer une répartition requise de l'énergie dans le plan focal du concentrateur. 4 - Procédé de préparation d'un concentrateur de rayonnement lumineux selon la revendication l par enregistrement d'une image d'interférence sur un élément photosensible (3) à partir d'un faisceau plan-parallèle de référence et d'un faisceau dwobjet divergeant du foyer, caractérisé en ce que l'on utilise autant d'éléments photosensibles (3) qutil y a de facettes de concentration, ces éléments étant fixés sur la carcasse (1) du concentrateur et en ce qu'on enregistre l'image d'interférence successivement sur chaque élément photosensible (3) en déplaçant le faisceau de référence parallèlement à lui-même et en dirigeant le faisceau d'objet à partir du foyer (F) vers l'élément photosensible (3) correspondant. 5 - Procédé de préparation d'un concentrateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'orientation des faisceaux d'objet est réalisée en les faisant pivoter autour du foyer (F). 6 - Procédé de préparation d'un concentrateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on oriente les fais ceaux d'objet en les faisant passer à travers un écran diffa seur (13) se trouvant dans le plan focal du concentrateur. 7 - Procédé de préparation-d'un concentrateur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on fait passer les faisceaux d'objet, après leur passage à travers l'écran diffuseur (13) à travers un diaphragme, présentant une ouverture dont la forme correspond à la forme géométrique voulue du foyer (F). 8 - Procédé de préparation d'un concentrateur selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'on fait passer les faisceaux d'objet après leur passage travers le diaphragme, à travers un filtre de lumière (14), dont la répartition du facteur de transmission lumineuse correspond à la répartition voulue de l'énergie dans le plan focal du concentrateur.