Brevet FR2642182A1 — publié le 19900727

La présente invention se rapporte à un moyen pour coupler une source de lumière à des fibres optiques pour produire un éclairage pour des séries d'affichages. Les séries d'affichages que concerne la présente invention sont usuellement mais non nécessairement agencées en rangées et colonnes et ont un état en circuit et hors circuit. Les fibres optiques sont appropriées pour une utilisation dans de tels affichages, on peut par exemple voir la demande de Brevet en FRANCE N 81 22 486 publiée le 3 Juin 1983 sous le NO 2 517 445 au nom de World Arclux S.A., montrant des fibres dont les extrémités d'entrée de lumière reçoivent la lumière d'une source en lampe. Usuellement, le trajet de la lumière de la lampe à l'extrémité d'entrée de la lumière de la fibre se faisait à travers l'air. La différence dtindice de réfraction entre le verre et l'air à l'interface lampe-aJr et entre l'air et la fibre à l'interface correspondante crée des pertes par réflexion qui réduisent la lumière le long du trajet de la fibre. Comme la quantité de lumière de la lampe qui fait impact sur la fibre varie inversement avec la distance entre les extrémités de la fibre et la lampe, on considère le rapprochement des extrémités de la fibre par rapport à la lampe pour compenser les pertes par réflexion. Cependant, le chaleur de la lampe dans l'air (de l'ordre de 300 C, variant largement avec la lampe, en debors 'de l'enveloppe) limitera la proximité des extrémités des fibres. Bien que des fibres de verre puissent être placées bien plus près de la lampe que des fibres en plastique, des fibres de verre sont difficiles à travailler et sont coûteuses, donc cette invention concerne principalement l'usage potentiel de fibres synthétiques qui sont extrêmement sensibles à la chaleur (par exemple une matière acrylique changera de caractéristiques de fonctionnement et physiques au-delà de sa température de fonctionnement de 75 C). La présente invention a par conséquent pour objet de produire un milieu liquide transparent entre les extrémités d'entrée de fibres optiques et l'enveloppe de la lampe, le liquide ayant un indice de réfraction très proche de celui de l'enveloppe de la lampe et de celui de la fibre que l'air et au moins aussi important que celui de l'eau. De cette manière, les pertes par réflexion sont réduites à la fcis aux interfaces enveloppe de la lampe-liquide et liquide-fibre. Ainsi, l'espace entre la fibre et l'enveloppe de la lampe peut être plus long tout en produisant la même intensité de lumière dans la fibre -utilisant le milieu d'accouplement. Inversement, la puissance de la lampe peut être diminuée avec le refroidissement de l'enveloppe de la lampe pour un intervalle donné entre l'enveloppe et l'extrémité de la fibre. L'utilisation du milieu liquide réduit la tolérance critique du polissage. La présente invention a pour objet de produire le milieu liquide indiqué dans le paragraphe précédant, le liquide étant forcé à s'écouler entre les fibres et l'enveloppe de la lampe. Le liquide sortant d'entre lesdites extrémités de fibres et l'enveloppe est refroidi d'une manière appropriée et le liquide refroidi est remis en circulation entre les fibres et la lampe. Le refroi- dissement réduit évidemment la distance nécessaire entre les fibres en plastique et l'enveloppe de la lampe et refroidit à la lois l'extérieur de l'enveloppe de la lamoe et les extrémités des fibres tandis que l'indice plus précisément adapté du milieu réduit les pertes par réfiexis. -Le zorollaire des deux réductions ci-dessus est que la puissance des lampes peut être plus faible que celle requise pour un environnement d'air pour un espace 2 6 4 2 182 donné entre enveloppe et fibre à cause des pertes réduites par réflexion ou de l'espace réduit entre la fibre et l'enveloppe, ou les deux. Le milieu liquide, en plus de permettre une précise adaptation des indices, doit présenter les qualités suivantes: transparence, chaleur spécifique raisonnable pour servir de milieu de transfert de chaleur, pour être inerte au point de ne pas réagir avec la lampe, les fibres ou l'environement pendant son cycle. Le liquide est de préférence isolant pour éviter tous les risques de choc lorsqu'il est à proximité d'une lampe électriquement activée ou d'autres zones. Le point d'éclair doit être plus important que la température rencontrée par le fil lors du fonctionnement. Le milieu doit être liquide dans la plage de fonctionnement et le pcint d'écoulement doit être en dessous de la plus basse température rencontrée de fonctionnement. Comme exemple seulement, on donnera ci-après certaines valeurs typiques approximatives de composants préférés: - Indice de réfraction de l'enveloppe de la lampe*: environ 1,55 - Température à l'extérieur de l'enveloppe de la lampe* à l'air,: environ 300 C - * (Lampe à arc à décharge de sodium) -Indice de réfraction de la fibre acrylique: environ 1,49 - Température de fluage de la fibre acrylique. environ 75 C - Indice de réfraction de l'eau: environ 1,33 - Indice de réfraction de la silicone liquide: environ 1,4 -Indice de réfraction de l'air: environ 1,0. La présente invention a pour objectif préféré de produire une lampe à arc ayant une enveloppe cylindrique pouvant servir de source de lumière, un manchon pour entourer ladite enveloppe à un espace prédéterminé et une série d'ouvertures dans ledit manchon, radialement dirigées vers l'intérieur, des fibres mortées dans lesdites ouvertures avec des extrémités tournées vers l'enveloppe de la lampe pour recevoir le rayonnement de la lampe. Les fibres montées dans lesdites ouvertures peuvent être des fibres simples ou des faisceaux. Des moyens sont prévus pour déterminer l'espace de l'extrémité de la fibre vers l'intérieur relativement au cylindre et par conséquent à la lampe. Un réservoir est prévu pour le milieu liquide préféré, là de la silicone liquide, permettant d'obtenir le refroidissement et l'adaptation optique. Le manchon est connecté à une paroi de réservoir pour entourer un orifice s'y trouvant. Un conduit est prévu le long duquel la silicone liquide est pompée hors dudit orifice; le manchon, ayant des ouvertures remplies des extrémités des fibres ou des faisceaux de fibres, forme une continuation du conduit de manière que le milieu refroidissant passe entre les extrémités des fibres et l'enveloppe de la lampe, refroidissant les extrémités de fibres et, en absorbant la chaleur dans le passage, l'entraîne. Après sortie du manchon, le liquide entre dans le corps principal du réservoir. Le liquide dans le réservoir est alors transporté vers un moyen de refroidissement, de préférence un radiateur et, après refroidissement, il est remis en circulation vers le réservoir par la pompe. Le radiateur refroidssant le liquide est le moyen préféré pour éliminer la chaleur de l'ampoule. Cependant, d'autres moyens d'échange de chaleur pour refroidir le liquide peuvent être utilisés. On notera que le réservoir doit être suffisamment grand pour abriter la lampe et le manchon et une étendue de chacune des fibres, dépassant en dehors du manchon. Il faut également noter que si les fibres étaient scellées dans les ouvertures de manière que le liquide ne puisse s'échapper à travers les ouvertures, autour des fibres, le réservoir pourrait être supprimé et le manchon utilisé comme partie du conduit qui transporterait alors le liquide du radiateur à travers le manchon et retour au radiateur (avec une pompe incorporée dans un tel circuit). Cependant, dans la pratique, on trouve qu'il est plus facile et moins coûteux d'utiliser le réservoir et d'éviter la précision et la dépense d'une etanchéification d'une ouverture du manchon autour de chaque fibre. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective partiellement schématique de l'environnement de la lampe; - - la figure 2 montre une vue en coupe verticale de l'environnement de la lampe et une indication schématique du restant du circuit du liquide; - la figure 3 est une vue schématique partielle montrant le trajet optique des fibres; - la figure 4 est une vue agrandie d'un faisceau de fibres optiques; - la figure 5 est une vue en coupe verticale d'une lentille et d'un manchon; - - la figure 6 est une vue extrême agrandie (entrée de lumière) de la lentille et du manchon; - la figure 7 est une vue en coupe verticale du support de la lentille; - la figure 8 est une vue de c8té du support de la lentille; - la figure 9 est une vue en coupe faite suivant la ligne 9- 9 de la figure 8; et - la figure 10 est une portion d'un panneau d'affichage. Sur le dessin, le système de refroidissement comprend un réservoir 10 ayant un orifice de sortie 11 vers un conduit i6 s'étendant jusqu'à l'entrée d'une pompe centrifuge 14 dont la sortie est connectée au radiateur 17. Le radiateur 17 peut être de toute forme appropriée pour accomplir le refroidissement requis. Comme on peut le voir, la forme préférée du radiateur comprend le conduit sinueux 19 avec des ailettes de refroidissement 20. L'extrémité de sortie du radiateur est connectée le long du conduit 22 à l'orifice d'entrée 24 du récipient. Le radiateur peut être remplacé par tout autre échangeur approprié de chaleur pour refroidir le licuide. Un moyen de montage 26 est fixé au réservoir 10 et comprend une plateforme sur laquelle est monté l'assemblage 28 de la douille pour la lampe 30.-La lampe est visée dans la douille 28 et la douille 28 reçoit du courant le long des conducteurs 32 d'une source, non représentée. La plate-forme localise la douille de manière que la lampe, de préférence cylindrique, s'étende long tudina2lement vers le bas, en alignement avec l'orifice d'entrée 24 du réservoir. Autour de la lampe est fixé un manchon 34 avec des pièces d'espacement 36 pour contr8ler son espace avec l'enveloppe 38 de la lampe. Le manchon 34 est de préférence scellé au fond du réservoir autour de l'orifice 24 de manière que le liquide refroidi entrant dans le réservoir soit dirigé vers le haut, par les parois du manchon, pour passer entre l'enveloppe 38 de la lampe et les extrémités 35 des fibres optiques qui se trouvent à peu près à fleur avec la surface interne du manchon. Les ouvertures de sortie 31 à proximité du sommet du manchon permettent l'échappement du liquide hors de celui-ci. Il y a un certain nombre de lampes dont la performance est appropriée à une utilisation avec la présente invention. Il est préférable d'utiliser une lampe à arc électrique au sodium à haute pression 30 o l'arc est prodUit par du sodium vaporisé. La couleur de la lumière produite est usuellement décrite comme blanc doré et le rayonnement de la lampe est très intense dans les longueurs d'onde de 550 à 550 nm. De telles lampes se trouvent sous une grande variété de formes, de longueurs et de puissance et la lampe sera chcisie de la manière la mieux appropriée pour une application particulière. La forme de l'enveloppe de la lampe sera de préférence celle d'un cylindre étendu car cela facilite l'utilisation d'un manchon cylindrique. Avec chaque lampe est associé un ballast qui est à la base un circuit d'entraînement électrique. Certaines lampes ont des ballasts spéciaux (quelquefois appelés "ballasts d'atténuation de la lumière" qui donnent la possibilité d'une modulation automatique de l'intensité qui est une caractéristique utile avec des systèmes d'affichage. Le manchon est pourvu d'une série d'ouvertures A0 comme on peut le voir. Celles-ci seront usuellement en une série rectangulaire représentée sur un développement en plan de la surface cylindrique. Chaque ouverture 40 est concue pour recevoir une fibre ou un faisceau de fibres avec ses extrémités vers l'intérieur, vers la lampe. Une virole 44 entoure l'extrémité de la fibre du faisceau de fibres et définit un épaulement 46 agencé pour être tourné vers l'intérieur relativement au manchon. L'extrémité des fibres du du faisceau de fibres dans une telle virole est thermo-scellée pour former un fini de miroir à peu près à fleur avec l'extrémité interne de la virole 44. La virole 44 est conçue pour s'ajuster très précisément dans l'ouverture du manchon et pour être maintenue en place par tout moyen souhaité tandis que son épaulement 46 sert de butée et porte contre l'extérieur dé la paroi du manchon tandis que la longueur de la vrirole 44 et des fibres vers l'intérieur de l'épaulement 46 établit l'espace entre les extrémités internes de la lanmpe et localise celles-ci à peu près à fleur avec la surface interne du manchon. Il faut noter que, bien qu'il soit préférable que les extrémités des fibres soient polies à un fini de miroir, perpendicu- lairement à l'axe longitudinal de la fibre, il n'est pas nécessaire qu'un fini optique soit obtenu et, c'est l'un des avantages de l'invention que la dépense d'un tel fini optique peut être évitée. Il est préférable que chaque virole contienne sept fibres acryliques 48 (avec des extrémités 35) en agencement hexagonal comme on peut le voir à la figure 4. Un moyen d'atténuation peut être prévu pour la lampe. La lampe peut être électroniquement atténuée par un moyen non représenté comme le ballast précédemment indiqué. Un réducteur mécanique d'éclairage peut être prévu sous la forme d'un écran en maille en fil métallique 50 mobile en glissant dans et hors de position entre le manchon et l'enveloppe de la lampe et supporté sur un bras 52 par une tige 54 filetée en spirale comm. andée par un bouton 56 (le bouton 56 peut être remplacé par un moteur). Comme tous les éléments d'image 9- ont une valeur similaire de luminosité dans la série usuelle, le réducteur mécanique d'éclairage ne fonctionnera usuellement qu'en deux positions. Le réducteur mécanique peut être utilisé pendant la nuit ou le jour afin de produire des effets spéciaux et peut par conséquent quelquefois prendre des positions intermédiaires. Le réducteur mécanique 50 est de préférence construit en ur.e maille en fil d'acier inoxydable. Le réducteur peut être conçu pour produire tout degré souhaité d'atténuation de la lumière. Les pièces d'espacement 36 du manchon doivent être localisées afin de ne pas interférer avec l'étendue souhaitée de mouvement de réducteur de lumière. :5 Le licuide de refroidissement est de préférence un fluide de silicone et il est préférable d'utiliser de la silicone liquide connue sous le nom' de Dow Corning 200 commercialisée par Dow Corning Canada Inc., 6747 Campobello Road, Mississauga, Ontario, Canada, L5N '2M1. Ce fluide peut être considéré comme étant optiquement transparent, a un fort point d'éclair, un faible point d'écculement, un très haut pouvoir diélectrique et un indice de réfraction de 1,399. Il n'est pas toxique et ne réagit pas avec l'équipement qu'il rencontre. Sa chaleur spécifique est de 0,379 cal/g/C à 250C. Tout fluide ayant des qualités comparables sera également approprié. Il est préférable d'utiliser une lampe ayant la spécification suivante: Puissance: 400 Watts - Tension: 100 Volts - Lumière moyenne de sortie: 42300 Lumens - Durée de vie moyenne nominale: 24000 Heures - Ampoule de forme-cylindrique. Les fibres optiques synthétiques sont de préférence faites en fibre acrylique en utilisant une fibre par élément d'image et ayant sept de ces fibres en agencement hexagonal dans chaque virole 44 (figure 4). L'indice de réfraction de la matière acrylique est d'environ 1,49 et le diamètre d'une fibre sera de 1,5 mm dans l'agencement ci-dessus (7 fibres par virole). De telles fibres permettent typiquement un c8ne du faisceau de sortie formant un angle de 30 avec l'axe de la fibre. Dans l'usage préféré, les fibres de sortie sont pourvues d'une lentille réduisant l'angle du faisceau en c8ne de sortie à 1 par rapport à l'axe de la fibre. Le manchon est de préférence fait en acier inoxydable et son épaisseur est égale à celle de la virole 44. Les faisceaux de fibres sont, à leur extrémité de sortie, de préférence, divisés en sept fibres individuelles 48, une pour chaque élément d'image dans une série d'affichage. Chaque fibre est de préférence couplée à une lentille 66 faite de la même matière acrylique et ayant le même indice que la fibre. Les lentilles 66 ont de préférence la forme d'une lentille sphérique. La lentille est formée sur un manchon creux 68 avec un perçage 70, la fibre s'étendant de l'extrémité éloignée de la lentille jusqu'à un emplacement approprié pour produire l'angle souhaité du c5ne du faisceau de 150, étant donné le rayon de la lentille. Le perçage 70 est de préférence de section carrée comme noté ici. Les fibres individuelles sont dimensionnées pour s'ajuster fermement dans les milieux des côtés carrés de l'extrémité étroite du perçage 70 et sont pclies pour avoir un fini de miroir (non optique) à extré-mitA extérieure. Le perçage 70 est pourvu d'un épcxy non durci avant l'insertion de la fibre de manière que lors-ue l'expoxy durcit cela produise un accouplement optique de l'extrémité de la fibre avec la lentille car l'indice de l'époxy, lorsqu'il est durci, est d'environ 1,503, choisi pour être proche de celui de la matière acrylique pour réduire les pertes par reflexion. L'époxy durci sert également d'adhésif pour attacher la fibre au manchon. Tout matériau ayant une transparence et un indice approprié de réfraction peut être utilisé pour le couplage optique des fibres à la lentille. Cependant, si, par exemple, un fluide de silicone était utilisé dans ce but, alors une méthode différente de fixation de la fibre au manchon (et contenant le fluide de silicone) devrait être utilisée. Le perçage 70 pour la fibre est de préférence carré pour laisser des passages d'échappement pour l'époxy et empêcher le risque que de l'air ne soit piégé à l'extrémité de la fibre quand la fibre 48 est insérée car cet air piégé nuirait à l'accouplement optique. Pour la fixation des fibres individuelles et des lentilles en un agencement, des moyens sont prévus comme le montrent les figures 7 à 10. Un manchon de montage 71, de forme généralement cylindrique, est pourvu d'un perçage avant 72 pour recevoir la lentille, le manchon, d'un perçage arrière pour recevoir une fibre 48 et d'un percage de communication 75 entre.eux pour recevoir la fibre. La section transversale cylindrique du manchon 68 de la lentille est réduite à son extrémité arrière pour former une surface courte et plate opposée 76, parallèle à la direction souhaitée d'insertion du manchon de la lentille dans le manchon de montage. Le perçage 72 du manchon de montage est complémentaire, par sa forme, donc la lentille est calée contre une rotation relativement au manchon. Le manchon de montage a une forme avec deux côtés opposés convexes vers l'extérieur 78 et deux c8tés opposés plats 74. Les c8tés plats sont interrompus pour former des surfaces de coincement 81 qui divergent vers l'arrière et vers l'extérieur, sur des pattes divergentes élastiques 78 s'étendant vers l'arrière. A l'arrière des pattes 78, le manchon de montage est pourvu d'une bride 80 s'étendant vers l'extérieur. On peut noter que la lentille 66 est calée sur le manchon de montage 71 qui, à son tour, est calé sur le panneau 83. Cela est particulièrement avantageux quandla lentille 66 n'est pas sphérique mais cylindrique ou avec - toute autre qualité optique asymétrique autour de l'axe de la lentille. Les éléments d'image de.l'agencement seront sélectivement effacés par des moyens non représentés pour donner l'information au spectateur. Cela sera le plus couramment produit par des masques individuels choisis (pour chaque élément d'image) pour l'interruption du rayonnement d'éléments choisis d'image vers le spectateur. Un exemple est montré dans la demande de Brevet en FRANCE N 81 22 486 précédemment indiquée. En fonctionnement avec la lampe en circuit et le réducteur en fonctionnement ou non, la silicone liquide est pompée par la pompe 14 entre l'enveloppe de la lampe et les extrémités des fibres. Le liquide chauffé dans le passage sort du réservoir le long du conduit 16 et est pompé par la pompe à travers le radiateur pour son refroidissement. Le liquide refroidi retourne du radiateur pour remonter à travers le manchon 34, terminant son cycle. L'échange de chaleur maintiendra la température du liquide à l'extérieur de l'enveloppe de la lampe et des extrémités des fibres à 17 C au-delà de la température ambiante pour des températures.jusqu'à 55 C. Ainsi, le système de refroidissement, pour des températures ambiantes jusqu'à 55 C, maintiendra les fibres en dessous de leur température de fluage de 75 0C. REVEND I CAT I ONS 1. Source de lumière pour fibres optiques synthétiques, caractérisée en ce qu'elle comprend: - une source de lumière contenue dans une enveloppe transparente (38); - un manchon (34) entourant ladite enveloppe; - des ouvertures ('_- dans ledit manchon dirigées vers l'intérieur, vers la source de lumière; - des fibres optiques synthétiques (48) dépassant à travers lesdites ouvertures, jusqu'à des extrémités espacées de l'enveloppe; - un moyen pour provoquer un écoulement de liquide entre les extrémités des fibres et l'enveloppe, ledit liquide étant transparent et ne réagissant pas avec l'environnement et ayant un indice de réfraction au moins aussi important que celui de l'eau; - un moyen d'échange d'une chaleur (17, 19, 20) pour refroidir le liquide à la sortie d'entre les extrémités de fibres et l'enveloppe; - un moyen pour provoquer le retour de l'écoulement du liquide. 2. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe (38) de la lampe est cylindrique et le manchon (34) est approximativement coaxial avec elle et est pourvu d'un moyen pour son espacement par rapport à ladite enveloppe. 3. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que des moyens de montage (40) entourent un certain nombre desdites fibres et des moyens 320 coopérants (44, 46) sont prévus sur le manchon et les moyens de montage pour localiser les extrémités internes - des moyens de montage relativement au manchon pour qu'ainsi l'espace entre les extrémités de fibres et de l'enveloppe puisse être contr6lé. 4. Source selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de montage (40) entourent un certain nombre de fibres et des moyens coopérants sont prévus sur le manchon et les moyens de montage (44, 46) pour localiser les extrémités internes des moyens de montage relativement au manchon pour qu'ainsi l'espace des extrémités des fibres et de l'enveloppe puisse être contr8lé. 5. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que: - un réservoir de liquide (10) entoure le manchon; - un orifice (24) d'entrée de liquide est prévu dans une paroi dudit réservoir en dessous du niveau souhaité du liquide; - une extrémité dudit manchon est couplée à ladite paroi, entourant ledit orifice'pour qu'ainsi le liquide entrant dans ledit réservoir par l'orifice passe par le manchon. 6. Source selon la revendication 2, caractérisée en ce que: - un réservoir de liquide (10) entoure le manchon (34); - - un orifice d'entrée de liquide (24) est prévu dans une paroi du réservoir, en dessous du niveau souhaité du liquide; - une extrémité dudit manchon (34) est couplée à la paroi, entourant l'orifice pour qu'ainsi le liquide entrant dans le réservoir par l'orifice passe par le manchon. 7. Source selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la fibre (48) est acrylique. 8. Source selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le liquide est de silicone.