Brevet FR2690999A1 — publié le 19931112

"Optique de source pour projecteur à lampe à arc à haut rendement" L'invention se rapporte à une optique de source pour projecteur diascopique équipé d'une lampe à arc à électrodes alignées suivant un axe principal pour diriger sur la pupille d'entrée d'un condenseur un flux lumineux émis latéralement par l'arc entre des cônes de pénombre créés par les électrodes autour de l'axe principal, l'optique comprenant des moyens réflecteurs concaves. Les lampes à arc utilisées couramment dans les projecteurs, notamment projecteur diascopique, présentent généralement un ballon central où se trouve confinée une atmosphère appropriée, prolongé par deux pieds alignés supportant les électrodes, elles-mêmes alignées avec leurs extrémités rapprochées pour définir un intervalle, sensiblement au centre du ballon, où jaillit l'arc. L'arc émettant de soi un flux lumineux sensiblement isotrope sur un angle solide de 4 , les électrodes déterminent des cônes de pénombre dont le sommet est situé sensiblement au centre de l'arc, et les axes coïncident avec l'axe principal de la lampe, sur lequel sont alignés les électrodes. Le flux lumineux présente donc une symétrie de révolution autour de l'axe principal, mais est émis essentiellement latéralement. L'axe optique de la source est donc normalement pris perpendiculairement à l'axe principal de la lampe, et l'ouverture utile du faisceau, prise perpendiculairement à l'axe principal de lampe, qui est l'axe de symétrie du rayonnement, est nécessairement réduite. On peut doubler le flux dans l'ouverture utile en disposant un réflecteur en arrière de l'arc par rapport à l'ouverture utile, ce réflecteur présentant une concavité tournée vers l'arc, de forme sphérique ou parabolique. Mais il n'est pratiquement pas possible d'utiliser un flux lumineux sur plus de 1800 autour de l'axe principal ; plus de la moitié du flux est perdue. On remarquera que ce mode de réalisation de l'optique de source est mieux adapté aux lampes de projection à incandescence, dont la source lumineuse est constituée de filaments répartis dans une surface plane, dont l'émission lumineuse se concentre autour d'une normale à la surface de filament. En outre la récupération de flux lumineux importants de sources quasi omnidirectionnelles suppose des optiques de condenseurs de grande ouverture, par exemple proche de l'unité. Avec des ouvertures aussi importantes, si l'on utilise des optiques de condenseur simples, les aberrations, qui se traduisent par des inégalités de luminance dans le "plan net" du condenseur sont élevées si l'on corrige les optiques, dont les verres sont de grande dimension, pour optimiser la luminance dans le "plan net", les optiques sont coûteuses. On rappelle que l'on appelle "plan net" le plan perpendiculaire à l'axe optique du condenseur, où la répartition de lumière est la plus régulière, et où l'on place le motif à projeter (plan objet de l'objectif réglé). L'invention a pour objectif la réalisation d'une optique de source apte à utiliser une partie importante du flux émis par une lampe à arc, et le diriger sur la pupille d'entrée d'un condenseur d'ouverture limitée. A cet effet l'invention propose une optique de source pour projecteur diascopique équipé d'une lampe à arc à électrodes alignées suivant un axe principal pour diriger sur la pupille d'entrée d'un condenseur un flux lumineux émis latéralement par l'arc entre des cônes de pénombre créés par les électrodes autour de l'axe principal, l'optique comprenant des moyens réflecteurs concaves, caractérisée en ce que les moyens réflecteurs comprennent deux miroirs de révolution autour de l'axe principal de lampe qui constitue axe optique de source, en forme de calottes à concavités tournées l'une vers l'autre et bases dans un plan commun normal à l'axe optique et passant par l'arc, un premier miroir épousant un ellipsoïde avec deux foyers disposés, l'un en coïncidence avec l'arc et l'autre avec le centre de la pupille d'entrée du condenseur, la concavité du premier miroir étant tournée vers cette pupille d'entrée, tandis que le second miroir épouse un hémisphère centré sur l'arc et comporte une ouverture de passage du faisceau réfléchi par le premier miroir. Il est manifeste que cette disposition utilise un flux émis sur 3600 autour de l'axe principal de la lampe et, dans chaque plan passant par l'axe, dans les directions où le flux est maximal, entre les cônes de pénombre. De plus, le miroir qui épouse un ellipsoïde, et que l'on appellera ci-après miroir elliptique pour simplifier, envoie sur la pupille d'entrée, non seulement le flux émis par l'arc directement vers lui, d'un côté du plan des bases, mais également le flux émis symétriquement de l'autre côté du plan des bases, et renvoyé par le miroir sphérique vers le miroir elliptique en passant par la région de l'arc. De préférence le second miroir, sphérique, est en une matière transparente aux infrarouges. En raison des puissances mises en jeu dans l'arc, les lampes à arc fonctionnent à températures élevées, et supportent mal les surchauffes, telles que celles qui résulteraient du renvoi d'un flux élevé concentré dans la région de l'arc. En rendant le miroir sphérique transparent aux infrarouges, on élimine du flux réfléchi les composantes énergétiques. Par ailleurs le flux réfléchi par le miroir elliptique passe en majeure partie autour de la lampe. De préférence, les deux miroirs présentent, centrés sur l'axe optique, des passages circulaires dont la périphérie correspond sensiblement avec les intersections des cônes de pénombre respectifs. En soi le passage dans le miroir sphérique est nécessaire pour laisser passer le faisceau de sortie, tandis que le passage dans le miroir elliptique est utile pour le refroidissement de la lampe et sa tenue mécanique ; mais, en les disposant dans les cônes de pénombre, on ne provoque aucune perte sensible de flux. De plus, le rayon de l'hémisphère épousé par le miroir sphérique est de préférence tel que la périphérie du passage dans ce second miroir correspond sensiblement avec l'intersection d'un cône à sommet au second foyer du miroir elliptique et prenant appui sur la base de calotte de ce miroir. On comprend que ce cône forme limite du faisceau émergeant du miroir elliptique et concentré au second foyer. La condition exprimée ci-dessus définit le rayon minimal de miroir sphérique qui n'intercepte pas le bord du faisceau de sortie, sans perdre de flux lumineux utile autour du cône de pénombre. En disposition préférée, l'ellipsoïde épousé par le premier miroir présente une excentricité de 0,8 environ cette valeur d'excentricité constitue un bon compromis entre les diverses contraintes géométriques et optiques telles que : adaptation aux dimensions des lampes usuelles sans exagération des diamètres des miroirs, ouverture optique du faisceau de sortie et uniformité du flux dans le plan net du condenseur. Dans la pratique, compte tenu que les cônes de pénombre ont des limites floues, le flux décroissant progressivement avec l'angle au sommet du cône dont l'axe coïncide avec l'axe principal de la lampe et le sommet coïncide avec le centre de l'arc, on admettra que le demi-angle au sommet de la section du cône de pénombre par un plan passant par l'axe principal de la lampe avoisine 450. Des caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement la coupe d'un projecteur diascopique équipé d'une optique de source selon l'invention, passant par l'axe optique la figure 2 représente, agrandie, la partie optique de source du projecteur de la figure 1 la figure 3 est une courbe de répartition du flux lumineux dans la pupille d'entrée d'un condenseur. Comme représenté figure 1, un projecteur diascopique comprend, classiquement, une optique de source 1 dans son ensemble équipée d'une lampe à arc 10 à électrodes alignées, l'optique de source délivrant un flux lumineux à un condenseur 2. Ce condenseur 2 répartit le flux lumineux, avec une luminance régulière, dans un plan 3, dit plan net. C'est dans ce plan que sera placé le motif à projeter. Au-delà du plan net 3, un objectif 4 forme, du motif disposé dans le plan net 3 une image sur un écran disposé à distance dans la direction 5. Tous les éléments, optiques de source 1, condenseur 2, plan net 3, et objectif 4 sont alignés sur un axe principal X-X' qui sera appelé axe optique. La lampe à arc 10 est classique et comporte dans un ballon prolongé par deux pieds en regard l'un de l'autre, deux tiges électrodes en matériau conducteur réfractaire, alignées et portées par les pieds. L'arc jaillit dans un espace entre les extrémités affrontées des tiges électrodes, dans une atmosphère appropriée. Le flux lumineux émis par l'arc comporte une symétrie de révolution autour d'un axe principal suivant lequel sont alignées les électrodes, et comporterait une symétrie sphérique si les extrémités des électrodes ne déterminaient pas des ombres portées.Ces ombres portées sont délimitées par des cônes de pénombre 10a et 10b dont le sommet est situé sur l'arc, les axes correspondent à l'axe principal de la lampe, et le demi-angle au sommet est souvent de l'ordre de 450 En fait, le volume de l'arc et les surfaces extrêmes des électrodes étant contiguës, à distance de l'arc le flux lumineux décroît en dégradé, de sorte que l'on parle de cônes de pénombre, à l'extérieur desquels est rassemblé le flux utile. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figures 1 et 2, la lampe 10 est disposée avec son axe principal, ou axe des électrodes, confondu avec l'axe optique X-X' du projecteur. Les sources optiques classiques comportent au moins un miroir derrière la lampe pour récupérer une partie du flux arrière et la renvoyer vers le condenseur. Selon l'invention, la source comporte deux miroirs 11 et 12, en forme de calottes de révolution autour de l'axe optique X-X', avec des concavités tournées l'une vers l'autre et des bases lla, 12a dans un plan commun 13, normal à l'axe optique et passant par l'arc.Un premier miroir 11 épouse un ellipsoïde de révolution autour de son grand axe, qui coïncide avec l'axe optique X-X', avec un premier foyer 16 en coïncidence avec l'arc, et le second foyer 17 en coïncidence avec le centre de la pupille d'entrée du condenseur 2. Le second miroir 12 épouse une demi-sphère centrée sur l'arc. Il comporte une ouverture circulaire 15 pour le passage du faisceau lumineux vers le second foyer 17. En outre, le premier miroir 11 présente un passage circulaire 15, par lequel pourra être introduite la lampe 10. Les périphéries des passages circulaires 14 et 15 correspondent sensiblement à l'intersection des miroirs 11 et 12 par les cônes de pénombre 10a et 10b respectivement, de sorte que pratiquement tout le flux lumineux émis par l'arc frappera l'un ou l'autre des miroirs 11 et 12. Par ailleurs la périphérie de l'ouverture circulaire 15 dans le second miroir 12 correspond sensiblement à l'intersection de l'hémisphère épousé par ce miroir avec un cône dont le sommet est situé au second foyer 17, et qui s'appuie sur la base îîa du premier miroir 11. On remarquera que la double condition imposée à l'ouverture 15 définit relativement aux dimensions de la source optique, le rayon de la demi-sphère épousée par le miroir 12. Le flux lumineux émis par l'arc entre le plan commun 13 et le cône de pénombre arrière 10a frappe le miroir 11, qui le réfléchit en direction du second foyer 17 où se forme une image de l'arc. Le flux lumineux émis par l'arc entre le plan commun 13 et le cône de pénombre avant 10k est renvoyé en direction de l'arc pour venir s'ajouter au flux émis directement en direction du premier miroir 11, et se concentrer également au second foyer 17. Toutefois, pour éviter d'endommager la lampe 10 en raison de la concentration d'énergie réfléchie dans la région de l'arc, le miroir 12 est réalisé en une matière transparente aux infrarouges, de sorte que le flux réfléchi par ce miroir est constitué essentiellement par la partie visible du spectre de l'arc. On évite ainsi des surchauffes de la lampe 10. On remarquera que le faisceau réfléchi par le premier miroir 11 est limité par deux cônes dont les sommets sont situés au second foyer 17 et qui s'appuient respectivement sur la base îîa et la périphérie de passage 14 ; ce faisceau réfléchi passe à l'extérieur de la lampe 10. Les dimensions de l'ellipsoïde épousé par le premier miroir seront choisies à partir des considérations suivantes On appellera a le demi grand axe, b le demi petit axe et e l'excentricité de l'ellipsoïde La distance entre foyer 2c est 2 a e. Par ailleurs le rayon de la base îîa est R = a (1 - e2), de sorte que l'ouverture du faisceau 2R est O - 1 e2 2c e Le grandissement, ou rapport des dimensions linéaires d'une image au second foyer 17 d'un objet au premier foyer 16, à celles de cet objet varie avec la position où un rayon issu du premier foyer 16 frappe le miroir elliptique, prise suivant l'axe optique X-X' (le miroir étant de révolution autour de ce grand axe, le grandissement est le même pour tous les points du miroir situés dans un même plan normal à 1 ' axe X-X'). En première approximation, le grandissement est égal au rapport des distances aux second et premier foyers, du point de miroir frappé. On comprend que les variations du grandissement provoquent des inégalités d'éclairement dans un plan normal à l'axe X-X' au second foyer 17, qui se traduisent par des inégalités d'éclairement dans le plan net 3. Ces inégalités d'éclairement sont fonction, d'une part, de l'excentricité de l'ellipsoïde, et, d'autre part, de l'étendue du miroir elliptique utilisée, l'excentricité accusant les inégalités d'éclairement, tandis que la restriction de l'étendue du miroir réduit ces inégalités. Compte tenu de ce qui précède, une bonne valeur d'excentricité est d'environ 0,8. Plus précisément pour une lampe à arc classique avec une longueur d'arc de 24 mm, qui nécessite que la distance de l'arc au sommet de l'ellipsoïde soit de 90 mm, on utilisera avantageusement un miroir pour lequel le demi grand axe est de 450 mm, le demi petit axe de 270 mm, et la demi-distance entre foyers de 360 mm (soit une excentricité e = 0,80). Avec de telles valeurs, l'éclairement dans le plan focal relatif au second foyer 17 a sensiblement l'allure représentée figure 3, avec en abscisses la distance à l'axe X-X' de part et d'autre de celui-ci, et en ordonnées la luminance. On constate que la luminance est sensiblement égale dans la surface utile. En outre le rayon de la base est R = 129,6 et l'ouverture de l'optique de source O = 0,45 ou 1/2,2. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits mais en embrasse toutes les variantes d'exécution. D'autre part les mêmes démonstrations sont valables pour des lampes à incandescence de type "crayon". REVENDICATIONS 1. Optique de source (1) pour projecteur diascopique équipé d'une lampe à arc à électrodes alignées suivant un axe principal (X-X') pour diriger sur la pupille d'entrée d'un condenseur (2) un flux lumineux émis latéralement par l'arc entre des cônes de pénombre (10a, 10b) créés par les électrodes autour de l'axe principal (X-X'), l'optique (1) comprenant des moyens réflecteurs (11, 12) concaves, caractérisée en ce que les moyens réflecteurs comprennent deux miroirs (11, 12) de révolution autour de l'axe principal de lampe qui constitue axe optique de source (X-X'), en forme de calottes à concavités tournées l'une vers l'autre et bases (lla, 12a) dans un plan commun (13) normal à l'axe optique (X-X') et passant par l'arc, un premier miroir (11) épousant un ellipsoïde avec deux foyers (16, 17) disposés, l'un (16) en coïncidence avec l'arc et l'autre (17) avec le centre de la pupille d'entrée du condenseur (2), la concavité du premier miroir étant tournée vers cette pupille d'entrée (2), tandis que le second miroir (12) épouse un hémisphère centré sur l'arc et comporte une ouverture de passage (15) du faisceau réfléchi par le premier miroir (11). 2. Optique de source selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second miroir (12) est en une ratière transparente aux infrarouges. 3. Optique de source selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les deux miroirs (11, 12) présentent, centrés sur l'axe optique, des passages circulaires (14, 15) dont la périphérie correspond sensiblement avec les intersections des cônes de pénombre (10a, 10b) respectifs. 4. Optique de source selon la revendication 3, caractérisée en ce que le rayon de l'hémisphère épousé par le second miroir (12) est tel que la périphérie du passage (15) dans ce miroir (12) correspond sensiblement avec l'intersection d'un cône à sommet au second foyer (17) du premier miroir (11) et prenant appui sur la base de calotte (lla) de ce premier miroir (11). 5. Optique de source selon une .quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'ellipsoïde de premier miroir (11) présente une excentricité d'environ 0,8. 6. Optique de source selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le demi-angle au sommet de la section du cône de pénombre (10a, 10b) par un plan passant par l'axe principal de lampe est pris d'environ 45 .