Brevet FR2718825A1 — publié le 19951020

GENERATEUR DE LUMIERE A HAUT RENDEMENT POUR FIBRES OPTIQUES La présente invention concerne un générateur de lumière à haut rendement destiné plus particulièrement à des applications d'éclairage par fibres optiques. Les générateurs de lumière actuels à lampes à décharge du marché, type lampes à iodures métalliques, utilisés dans ce domaine d'application, sont généralement destinés à une utilisation sélective soit en liaison avec des fibres optiques en verre ou silice, soit avec des fibres optiques en PMMA (polymethyl methacrylate). ns présentent pour des surfaces utiles d'éclairage de fibres optiques de l'ordre de 350mm2 ,outre des rendements lumineux globaux faibles (de l'ordre de 30%), de nombreux problèmes d'homogénéité photométrique et chromatique. lls sont généralement basés sur des dispositifs optiques combinant réflecteurs sphériques et condenseurs, ou utilisant des réflecteurs elliptiques seuls condensant la lumière émise par la lampe sur une faible surface utile de sortie optique, souvent à un niveau de température élevé, empêchant la mise en oeuvre de fibres optiques en polymères. Ces générateurs sont généralement encombrants et rendent leur logement difficile dans des espaces réduits en épaisseur. Les dispositifs selon l'invention permettent de remédier à ces inconvénients lorsque, pour des surfaces utiles de sortie lumineuse de l'ordre de 350mm2 et plus, de hauts rendements lumineux sont recherchés, des conditions sévères d'homogénéité chromatique et photométrique sont requises en entrée des faisceaux de fibres optiques, et enfin lorsque les générateurs de lumière doivent pouvoir être utilisés indifféremment avec des fibres optiques en polymères ou en verre ou silice. lls consistent en effet, selon une première caractéristique, à utiliser en liaison avec une source de lumière un réflecteur elliptique dont le calcul de l'éllipse correspond précisément à l'ouverture numérique des fibres optiques à alimenter en lumière. La source de lumière peut être une lampe du commerce à filament ou à arc. Le schéma d'éclairage utilisant un condenseur est décrit dans la figure 1. Le flux lumineux injecté dans les fibres optiques est proportionnel à l'angle solide d'émission, et donc à l'ouverture numérique du condenseur. Si celle-ci est par exemple de 0,8 (système très ouvert), L'angle de sortie est de 38 , et par conséquent l'angle solide de 211 (l-cos 380) soit 211 x 0,22. Le miroir arrière renvoie dans le meilleur des cas la même quantité de lumière, soit au total une quantité de lumière proportionnelle à 411 x 0,22. Un procédé beaucoup plus avantageux consiste à utiliser un réflecteur elliptique comme décrit dans la figure 2. Si l'angle d'occultation du faisceau sur l'avant et l'arrière de la lampe est de 300 environ, le flux lumineux renvoyé vers le second foyer du réflecteur est proportionnel à 411 x cos 30 soit 411 x 0,86 soit sensiblement quatre fois plus que dans le cas du système à condenseur. Cependant toute la lumière n'est pas injectée dans les fibres optiques. En effet, les dimensions de la surface éclairée dépendent des dimensions de l'arc ou du filament de la source lumineuse, ainsi que de l'amplification du système optique. Or dans le cas de l'ellipse, l'amplification des rayons lumineux varie directement en fonction de la position de leur impact sur la génératrice de l'ellipse. Les conditions de variation sont liées aux caractéristiques de l'ellipse. Par ailleurs, l'ouverture numérique dans l'espace image est également liée à la forme de l'ellipse. n y a lieu de préciser deux phénomènes liés à l'utilisation de réflecteurs elliptiques: la variation de l'amplification optique entrâîne l'apparition d'un point chaud au centre de l'image. la pupille du système optique (ouverture de passage de tous les rayons lumineux) est le plan de sortie du réflecteur, et présente un trou noir en son centre. Ces deux phénomènes ont des conséquences particulièrement gênantes, le premier si l'on désire éclairer des fibres optiques en polymères dont la température maximale de fonctionnement ne peut dépasser 75"C, et le deuxième si l'on désire éclairer un faisceau de fibres optiques de courte longueur (inférieur à quelques dizaines de mètres), car les modes de propagation n'étant pas mélangés, on reproduira le phénomène en sortie des faisceaux de fibres éclairées, ce qui introduit une détérioration significative de l'homogénéité photométrique du système. On s'aiaanclrra de ces inconvénients en inclinant l'axe optique, afin de sortir le trou noir du champ d'entrée des fibres optiques, et d'étaler le point chaud sur une surface plus grande. Selon une deuxième caractéristique, I'axe optique du système formé par l'axe du réflecteur elliptique, est incliné d'un angle CL par rapport à la normale au plan d'entrée des fibres optiques comme le montre la figure 3, afin de viser le centre d'une zone éclairée de l'ellipse. Selon un mode particulier de réalisation, I'axe optique et celui du générateur peuvent être confondus et seule la normale au plan d'entrée des fibres optiques est inclinée d'un angle CL par rapport à l'axe optique, comme le montre la figure 4. Certaines lampes à arc du marché présentent des dépôts métalliques verdâtres en partie inférieure du bulbe. Or chaque lampe d'éclairage a une température de couleur définie par ses coordonnées X et Y dans le triangle des couleurs. La lumière de l'arc ou du filament émise vers la partie inférieure de la lampe est filtrée par ce dépôt, et va envoyer vers le plan des fibres optiques une couleur constituée par un mélange de blanc et de ver. n résulte de ce phénomène une détérioration de la pureté spectrale de la lampe, et par conséquent une réduction significative de l'homogénéité chromatique de la lumière sur la surface utile d'éclairement des fibres optiques. On s'affianclrira de cet inconvénient par la caractéristique suivante. Selon une troisième caractéristique, le réflecteur elliptique du système optique est coupé dans le sens longitudinal, et selon un plan horizontal, en deux parties égales. Seule la partie supérieure du réflecteur est utilisée. Cette caractéristique, combinée à la deuxième caractéristique permet d'éliminer la pollution chromatique par le dépôt verdâtre précité, des rayons lumineux projetées sur les fibres optiques, tout en réduisant l'encombrement extérieur en épaisseur du générateur de lumière. Selon un mode particulier de réalisation, le plan de coupe longitudinal du réflecteur elliptique peut être vertical. Cene particularité autorise l'utilisation indifférente de sources lumineuses à filaments ou arcs orientés soit dans le sens de l'axe optique, soit perpendiculairement à l'axe optique. De même les sources lumineuses peuvent être montées horizontalement ou verticalement par rapport à l'axe optique. Les dispositifs d'éclairage par fibres optiques permettent, outre l'alimentation de nombreux points lumineux à l'aide d'une seule source de lumière, de déporter les dites sources de lumière par rapport aux zones à éclairer. Dans la pratique, les générateurs de lumière doivent souvent être dissimulés à la vue, et logés dans des volumes réduits (par exemple double-plafonds, double-sols, coffrages). Leurs dimensions en hauteur ou épaisseur doivent de ce fait être réduites au maximum, ce qui sera rendu possible grâce à l'utilisation de demi réflecteurs. Selon une quatrième caractéristique, la cote globale de 120mm représentant la hauteur du générateur de lumière est réduite à une proportion de 0,35 fois la longueur et 1,7 fois la largeur du générateur. Le désalignement de la normale au plan d'entrée des fibres optiques par rapport à l'axe du réflecteur elliptique entraine une réduction globale de l'ouverture numérique du système du fait de l'augmentation de l'ouverture numérique de l'éclairage dans la zone opposée du réflecteur. Cet inconvénient sera traité par la caractéristique suivante. Selon une cinquième caractéristique, la moitié inférieure du réflecteur elliptique du système optique est remplacée par un réflecteur sphérique notamment en métal. De cette tçon, tous les rayons lumineux captés par le réflecteur sphérique sont renvoyés sur la même zone active du réflecteur elliptique, ainsi que le montre la figure 5. Le dispositif optique aura de ce fait un rendement lumineux accru et présentera une bonne homogénéité photométrique sur toute la surface utile d'éclairage des fibres optiques. Le dispositif optique pourra néanmoins fonctionner de facon satisfaisante sans réflecteur sphérique, mais avec un rendement lumineux global plus faible. Selon un mode particulier de réalisation, le réflecteur sphérique peut etre exécuté notamment en verre revêtu d'un traitement dichroïque transparent à l'infrarouge, ce qui améliore les caractéristiques thermiques du système. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente un dispositif optique de générateur de lumière associant un système d'éclairage constitué par une source lumineuse (lampe), à un système optique constitué par un réflecteur sphérique et un condenseur de lumière, et à un système de réception constitué par un plan de fibres optiques compactées ou non. La figure 2 représente un dispositif optique de générateur de lumière associant un système d'éclairage constitué par une source lumineuse (lampe) à un système optique constitué pur un réflecteur elliptique, et à un système de réception constitué par un plan de fibres optiques compactées ou non. La figure 3 représente un dispositif optique de générateur de lumière associant un système d'éclairage constitué par une source lumineuse (lampe) à un système optique constitué par un réflecteur elliptique, et à un système de réception constitué par un plan de fibres optiques. L'axe optique est incliné d'un angle a par rapport à la normale au plan d'entrée des fibres optiques compactées ou non. La figure 4 représente un dispositif optique de générateur de lumière associant un système d'éclairage constitué par une source lumineuse (lampe) à un système optique constitué par un réflecteur elliptique, et à un système de réception constitué par un plan de fibres optiques compactées ou non La normale au plan d'entrée des fibres optiques est inclinée d'un angle a pur rapport à l'axe optique. La figure 5 représente un dispositif optique de générateur de lumière associant un système d'éclairage constitué par une source lumineuse (lampe) à un système optique constitué par un demi réflecteur elliptique et un réflecteur sphérique, et à un système de réception constitué par un plan de fibres optiques compactées ou non En référence à ces dessins le dispositif comporte une source de lumière (1) à arc ou à filament(s) dont une partie du rayonnement lumineux est captée par la zone utile (6) d'un réflecteur elliptique complet (2), ou d'un semi réflecteur elliptique (7) coupé longitudinalement selon un plan horizontal, et complété ou non par un réflecteur sphérique (8), puis renvoyée sur le plan d'entrée des fibres optiques compactées ou non (3). L'axe optique (4) formé par le réflecteur elliptique complet (2) ou par un demi réflecteur elliptique (7) est incliné par rapport à la normale (5) au plan d'entrée des fibres optiques (3) de telle fliçon que celle REVENDICATIONS 1) Générateur de lumière à haut rendement pour fibres optiques, caractérisé en ce que son boitier comporte un système d'éclairage constitué par une source de lumière (I) à arc ou à filament(s) émettant un rayonnement lumineux capté partiellement par un système optique constitué de réflecteurs dont au moins un, considéré comme réflecteur principal, comporte une partie elliptique (2), et dont l'axe optique (4) est incliné d'un angle a (fig. 3) par rapport à la normale (5) au plan d'entrée des fibres optiques compaaées ou non (3), de telle facon que celles vise le centre d'une zone éclairée (6) de l'ellipse du réflecteur principal. Le rayonnement lumineux ainsi capté est amplifié puis renvoyé sur un système de réception constitué par un plan de fibres optiques compactées ou non (3). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réflecteur principal (2) est elliptique et que le calcul de l'ellipse correspond précisément à l'ouverture numérique des fibres optiques (3) à alimenter en lumière. 3) Dispositif selon la revendication 1 et la revendication 2 caractérisé en ce que le réflecteur principal elliptique (2) est coupé par moitié par son axe dans le sens longitudinal, selon un plan horizontal ou vertical de telle facon que l'orientation de l'arc ou du ou des filaments de la lampe (1) puisse correspondre à celle du réflecteur principal quelle que soit l'orientation de l'axe de la lampe (1). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que une moitié (7) (inférieure ou latérale) de réflecteur elliptique (2) est remplacée par un réflecteur sphérique (8) dont les caractéristiques permettent le renvoi des rayonnements lumineux captés vers la surface utile (6) du demi réflecteur elliptique (7) supérieur ou latéral. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'axe optique (4) formé par le réflecteur principal elliptique (2) est parallèle à l'axe du générateur de lumière, et que la normale (5) au plan d'entrée des fibres optiques compactées ou non (3) est inclinée d'un angle a par rapport à l'axe optique (4) formé par le réflecteur elliptique (2) de telle façon que celles vise le centre d'une zone éclairée (6) de l'ellipse du réflecteur (fig.4). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la cote globale de 120mm représentant la hauteur globale du générateur de lumière peut être réduite à 0,35 fois sa longueur et 1,7 fois sa largeur. 7) Dispositif selon la revendication 1 et la revendication 2 caractérisé en ce que le réflecteur principal (2) est entier et constitue le seul réflecteur du système optique.