Brevet FR2566925A1 — publié le 19860103

Dispositif concentrateur de radiations multidirectionnel non imageur. Un dispositif concentrateur de radiations est un système qui permet de concentrer l'énergie émise par une source sur un élément donné; en d'autres termes, de mul- tiplier par un facteur C l'éclairement obtenu sur cet élé- ment à partir de la source seule. De tels dispositifs se répartissent en deux groupes: les imageurs et les non imageurs. Les dispositifs concentrateurs imageurs compor- tent les lentilles et les miroirs, connus depuis fort long- temps, à l'aide desquels l'image de la source se trouve reformée sur un récepteur de formes et de dimensions don- nées. Ils permettent d'atteindre une concentration élevée (pouvant aller de quelques unités à plusieurs mil- liers) en fonction de la surface collectrice de l'optique et de la dimension de l'image de la source; en d'autres termes, de son ouverture, rapport entre son diamètre et sa focale. La concentration maximale théorique est donnée par la relation: C=8/V2 dans laquelle V est l'angle sous le- quel la source est vue par le concentrateur. Mais, la position de l'image est liée à la posi- tion de la source par rapport à l'axe optique du concentra- teur. Le récepteur ayant une dimension finie donc limitée, cela impose au concentrateur de suivre la source si elle se déplace. Dans le cas des sources étendues (lumière dif- fuse), la concentration est faible, voisine de'l 1. Enfin l'image présente la même topographie d'éclairement que la source. Les dispositifs concentrateurs non imageurs les plus anciens comportent,soit les cônes de révolution à pa- roi métallique réfléchissante,soit les cônes de révolution en verre. Dans les deux cas, la surface d'entrée est supé- rieure à la surface de sortie et l'angle d'acceptance des rayons à l'entrée est inférieur à l'angle d'émergence à la sortie. Les concentrateurs du deuxième type ont été améliorés, sur le plan de la concentration,-en remplaçant le cône par un paraboloide de révolution, puis par des associations de cônes et de paraboloides en série, chaque élément étant constitué par un bloc homogène et transpa- rent en un matériau de même indice de réfraction, mais cet indice pouvant varier d'un élément à l'autre. Il a égale- ment été essayé des cônes constitués par des strates d'in- dice croissant de l'entrée à la sortie, perpendiculaire- ment à l'axe du cône. L'éclairement obtenu en sortie est quasi uni- forme sur toute la surface. Le récepteur peut donc être facilement positionné à la sortie du concentrateur. Mais, avec ces concentrateurs non imageurs, il est nécessaire également de suivre la source si elle se déplace, avec toutefois moins de précision que précédem- ment. La concentration maximale théorique est donnée par la relation (principe de CLAUSIUS) C = (n'SinU' / nSinU)2 dans laquelle n et n' sont respectivement les indices de réfraction du cône (ou paraboloide) et du milieu de sor- tie; U et U' sont respectivement les angles d'acceptance dans le c6ne et d'émergence dans le milieu de sortie. La concentration est faible et l'angle d'accep- tance également. Ainsi, pour le c6ne la concentration est de l'ordre de 2 pour n - 1,5 avec un angle d'acceptance U de cinq degrés. Par contre, l'angle d'émergence U' est élevé, pratiquement 2> dans l'air ce qui nécessite une adaptation des indices du cane et du récepteur (liquide d'immersion). L'adjonction de lentilles à l'entrée et à la sortie d'un cane (ou paraboloide) permet d'augmenter con- sidérablement la concentration et de diminuer l'angle de sortie, mais en réduisant d'autant l'angle d'acceptan- ce qui n'est plus que de quelques minutes d'arc. Les concentrations maximales théoriques ci- tées ci-dessus sont loin d'être obtenues dans la réali- té,car cela suppose des composants sans défauts et un alignement parfait dans la direction de la source. La présente invention a pour but de réunir les avantages des deux types de systèmes existants précités: concentration élevée, sans en présenter les inconvénients: directifs. Dans ce but, la présente invention propose un dispositif concentrateur de radiations multidirectionnel non imageur comprenant, comme les canes concentrateurs connus à surface réfléchissante ou à bloc transparent, en prolongement d'une fibre optique de section constante, un c6ne de directrices et génératrices quelconques défini par une interface de réflexion, laquelle peut être obtenue par une couche réfléchissante sur un support ou bien par la frontière de deux matériaux d'indices de ré-' fraction différents, le matériau d'indice supérieur confi- nant les radiations. Conformément à l'invention, le dispositif com- porte au moins un deuxième c8ne - dit noyau - situé à l'intérieur du premier cône - dit entonnoir - la distance des deux interfaces étant sensiblement cons- tante et les radiations étant confinées pour se propager dans l'entonnoir. Un tel dispositif ainsi perfectionné permet d'obtenir un angle d'acceptance élevé, pouvant atteindre jusqu'à la totalité du demi-espace frontal. Cette proprié- té permet de concentrer aussi bien les sources ponctuelles que les sources étendues et d'utiliser le concentrateur dans une position fixe, choisie très simplement. En outre, l'éclairement est uniforme à la sor- tie quelles que soient la ou les sources. Par ailleurs, la concentration est élevée, théoriquement illimitée pour une configuration donnée puisque uniquement fonction du rapport des surfaces d'en- trée et de sortie, ou en plaçant plusieurs systèmes en sé- rie. De telles structures élémentaires: entonnoir- noyau peuvent être couplées: - en parallèle, le noyau de la structure pé- riphérique devenant l'entonnoir de la structure centra- le voisine et tous les entonnoirs étant raccordés à la même fibre coaxiale. - ou en série, les fibres optiques prolon- geant les entonnoirs des structures dérivées,étant bran- chées sur la face annulaire d'entrée de la structure col- lectrice correspondante. - ou encore, à la fois en série et en parallè- le. Divers autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent d'ailleurs de la descrip- tion détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'in- vention sont représentées, à titre d'exemples non limita- tifs, sur le dessin annexé. Sur ce dessin: - la figure I est une schéma explicatif permet- tant d'appréhender le principe de l'invention, - la figure 2 est une perspective illus- trant une première forme de réalisation du dispositif de l'invention, à base de matériaux transparents d'indices de réfraction différents, - les figures 3 et 3A sont des perspectives montrant une deuxième forme de réalisation et une variante du dispositif à base de surfaces réfléchissantes. - la figure 4 est un graphique représentant la variation de la concentration C en fonction du demi-angle au sommet A du cône par deux courbes I et 2 dont les points significatifs sont marqués par de petits ronds pour un cône classique et respectivement de petites croix pour un entonnoir conique avec noyau selon l'invention. - la figure 5 est un schéma en demi-perspecti- ve, demi-coupe d'un couplage en parallèle de deux struc- tures élémentaires: entonnoir - noyau. - la figure 6 est une vue analogue à la figure concernant un couplage en série d'une structure élémen- taire collectrice avec des structures élémentaires déri- vées. Le dispositif concentrateur décrit dans ce qui suit est un élément optique passif permettant de col- lecter à travers une surface S l'énergie radiative com- prise dans un angle solide V et de la redistribuer inté- gralement ou partiellement à travers une surface S', dans un angle solide V' (fig.]). Si ES et Es, sont les éclai- rements respectifs des surfaces S et S', la concentration C est définie comme étant le rapport Es,/ES. Le système est concentrateur si C est supérieur à 1. Le système étant passif, cela suppose évidemment que la surface S' soit inférieure à la surface S. Un tel système peut être utilisé depuis les rayons X jusqu'aux ondes centimàtriques (radar), en pas- sant par l'ultraviolet,le visible et l'infrarouge, la seu- le condition étant d'utiliser des matériaux compatibles avec le domaine spectral choisi. Suivant la forme de réalisation illustrée par la figure 2, le dispositif concentrateur consiste essen- tiellement en un système tronconique de révolution en matériaux transparents dans le domaine spectral choisi. Il comporte: - un noyau central 3 de diamètre extérieur d, de demi-angle au sommet A et d'indice de réfraction nG se terminant en pointe - un entonnoir tronconique périphérique 4 de diamètre intérieur d'entrée D, de diamètre intérieur de sortie D' (D' étant inférieur à D), de demi-angle au sommet A (le même que le précédent, de sorte que les génératri- ces de la surface interne de l'entonnoir sont parallèles à celles de la surface externe du noyau dès lors que celui- ci est emboîté coaxialement dans l'entonnoir) et d'indice de réfraction n'G,se terminant par une enveloppe 5 tubulai- re cylindrique de même indice. - un remplissage tubulaire tronconique 6 remplis- sant l'espace compris entre l'entonnoir 4 et le noyau 3, ce remplissage ayant une épaisseur uniforme e et un indi- ce de réfraction nc, ledit remplissage se prolongeant en ou- tre par une fibre optique 7 de même indice s'étendant dans l'enveloppe 5 précitée. 15. Bien entendu, pour que les radiations se propa- gent par réflexion totale sur les interfaces 8 et 9 cons- tituées par la surface externe du noyau 3 et la surface in- terne de l'entonnoir 4, il faut que nmilieu nG même matière que l'entonnoir, nG est alors égal à n'G. Dans le cas défini ci-dessus, la réflexion to- tale est franche et s'effectue par "saut d'indice" de nG à n et de nC à n' Mais l'invention s'applique également dans le cas o la réflexion totale procède par infléchissements successifs et s'effectue alors par "gradient d'indice" en intervenant sur la matière située à la frontière des inter- faces pour que son indice de réfraction varie non pas brus- quement, mais suivant un certaine progressivité. Suivant la deuxième forme de réalisation illus- trée par la figure 3, le dispositif concentrateur consiste essentiellement en un système tronconique à base d'entrée hexagonale, à base de sortie circulaire et à géné- ratrices sensiblement droites, ce système étant en matériaux parfaitement réfléchissants dans le domaine spectral choisi. Dans cette deuxième forme de réalisation, on - retrouve donc l'interface 8 du noyau 3, l'interface 9 de l'entonnoir 4 et l'interface 10 de la fibre 7. Quel que soit le système choisi, celui-ci comporte un entonnoir 4 dont la surface interne 9 est un "c8ne" de directrices et de génératrices quelconques, cette propriété se retrouvant pour la surface externe 8 du noyau 3 qui est équidistante de la surface interne 9 précitée. Ainsi, la directrice peut être circulaire(fig.2); ovale, elliptique, carrée, rectangulaire, hexagonale (fig. 3)ou autres; les génératrices peuvent être droites (fig. 2 et 3), brisées, incur- vées (fig.3A); la directrice peut évoluer par sa forme le long de l'axe (fig. 3) et les génératrices s'adapter à cette évolution par leur forme et leur orientation. Ce dispositif concentrateur conique réfléchis- sant (fig. I et 2) utilise la propriété d'un tronc de c8ne de passer de l'une à l'autre de ses surfaces limitrophes, extérieure et intérieure, mais également la propriété de la fibre optique de faire cheminer sans perte les rayons dans le milieu d'indice nc, par réflexions successives sur les interfaces 8 et 9 des milieux d'indices nC et nG, nG On peut l'assimiler à une terminaison originale d'une fibre optique, permettant de concentrer de l'énergie dans la fibre ou au contraire de la redistribuer. Les courbes I et 2 du graphique de la figure 4 montrent la variation de la concentration C en fonction du demi-angle au sommet A d'un c8ne classique (courbe I aux points significatifs marqués de petits ronds) et d'un en- tonnoir conique avec noyau (courbe 2 aux points signifi- catifs marqués de petites croix). Pour ces deux courbes 1 et 2, d = D/2 et D/D' = 5. Le demi-angle A varie de 0 à 20 . Les indices de réfraction ont pour valeurs nc=1,6 et nG=n' G=1,4, soit un rapport nC/nG = 1,143. Dans cet exemple illustré par les courbes 1 et 2, on constate que pour A supérieur à 7 , le cône classique et l'entonnoir à noyau donnent la même concen- tration C voisine de 1,2. Par contre, pour les angles A inférieurs à 7 , l'entonnoir à noyau se révele très supérieur, permet- tant d'atteindre une concentration C = 10 pour un angle A = 30',alors que le cône classique ne permet d'atteindre, pour le même angle, que 0,3. Ce phénomène est généralisé et pour s'en con- vaincre, il faudrait examiner le réseau des courbes 1 et 2 obtenu en faisant varier le rapport des indices. Pour plus de clarté, ce réseau n'a pas été représenté sur la figure 4. Mais, des points significatifs ont été mar- qués sur le graphique pour les valeurs de A égales à 1 et 20 , le rapport nc/nG étant indiqué pour chacun de ces points par des axes d'ordonnées partiels. On s'aperçoit alors que l'entonnoir à noyau et le cône classique sont sensiblement équivalents pour les valeurs de A supérieures à 5 . Par exemple, à 2 30' cet entonnoir à noyau permet d'atteindre une concentration C = 16 pour un rapport nc/nG = 1,3. La valeur de la concentration peut être optimi- sée pour chaque couple d'indice en jouant sur les rapports d/D et S/S'. A noter que le rapport des indices intervient sur l'angle d'acceptance du système qui est d'ailleurs toujours élevé (supérieur à + 45 pour nC - 1,6 et nG=1,4. Dans l'infrarouge, un entonnoir à noyau en ger- manium (nc=4) plongé dans l'air (nG=I) donne pour un angle A =2 5 et un rapport d/D = 5/8, une concentration de 15 environ. Il est bien évident que le dispositif concen- trateur élémentaire est celui illustré par la figure 2 ou 3. Mais, ce dispositif peut être plus complexe et constitué 25669ú5 par plusieurs structures élémentaires. Suivant la forme de réalisation schématisée sur la figure 5, deux structures élémentaires Il et 12 sont montées en parallèle. Dans ce cas, le remplissage 11.6 de la structure Il se prolongeant par la fibre optique 11.7 est interposé entre l'entonnoir 11.4 de cette structure et son noyau formant l'entonnoir 12.4 de la structure 12 solidaire d'un prolongement 12.7 de la fibre 11.7 est interposé entre ce noyau-entonnoïr 12.4 et le noyau 12.3 de ladite structure 12. Bien entendu, d avantage de structures élémen- taires peuvent être montées en parallèle par emboîtement coaxial, toutes ces structures définissant suivant leur axe une fibre optique commune. Suivant la forme de réalisation schématisée sur la figure 6, le dispositif comporte une structure élémentaire collectrice 13 sur le remplissage 13.6 de laquelle sont montées en série les fibres optiques 14. 7, 15.7, 16.7... des remplissages 14.6, 15.6, 16.6... de plusieurs structures élémentaires dérivées 14,15,16..., chacune desquelles pouvant coopérer avec d'autres structu- res dérivées. Le dispositif concentrateur de l'invention peut être appliqué dans de nombreux domaines industriels, tels que ceux évoqués dans ce qui suit: - de la visualisation: transport, agrandisse- ment ou réduction d'images naturelles ou synthétiques, é- crans plats... - de l'éclairage: captation, collection, trans- port, déviation, concentration, mélange d'énergies lumi- neuses à différentes longueurs d'ondes en vue de l'éclai- rement de surfaces, de volumes à partir de sources ponc- tuelles ou diffuses... - de l'énergétique captation, collection, con- centration, transport d'énergie radiative même diffusée, pour son utilisation ou sa transformation locale...Exem- 25669Z5 ples: chauffage par énergie solaire (même par soleil voilé) utilisation de cellules solaires au silicium sous haute concentration... - de l'instrumentation: collection d'énergie de très faible niveau, spectroscopie, astronomie... - de l'opto-électronique: composants d'ex- tremitg pour fibres optiques de transmission d'information (liaison, injection de signaux lumineux, couplage)... - des micro-ondes: oncentrateurs hyperfréquen- ces... 1 1 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif concentrateur de radiations mul- tidirectionnel non imageur, comprenant en prolongement d'une fibre optique (7) de section constante, un cône de directrices et génératrices quelconques défini par une interface de réflexion (9), laquelle peut être obtenue par une couche réfléchissante sur un support ou bien par la frontière de deux matériaux d'indices de réfraction différents, le matériau d'indice supérieur confinant les radiations, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins un deuxième c8ne (3) - dit noyau - situé à l'intérieur du premier c6ne (4) - dit entonnoir - la distance des deux interfaces (9,8) étant sensiblement cons- tante et les radiations étant confinées pour se propager dans l'entonnoir. 2. Dispositif selon la revendition I, caractérisé en ce que l'une au moins des interfaces est du type à "saut d'indice". 3. Dispositif selon la revendication 1, caracté--- risé en ce que l'une au moins des interfaces est du type à "gradient d'indice". 4. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que plusieurs structures élémentaires (11,12): entonnoirnoyau sont montées en parallèle, le noyau de la structure périphérique (11) devenant l'entonnoir (12.4) de la structure centrale (12) voisine et tous les enton- noirs étant raccordés à la même fibre coaxiale (11,7,12.7). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que plusieurs structures élémentaires (13 à 16): entonnoir-noyau sont montées en série, les fibres optiques (14.7 à 16.7) prolongeant les entonnoirs des struc- tures dérivées (14à16),étant branchées sur la face annulai- re d'entrée de la structure collectrice (13) correspondan- te.