Brevet FR2870079A1 — publié le 20051111

Dispositif d'éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED (Light Emefting Diodes) à haute luminosité. La présente invention concerne un dispositif d'éclairage destiné à uniformiser la lumière très directionnelle issue de plusieurs groupes de diodes électroluminescentes, (ou LED) à haute luminosité, en la diffractant au moyen d'un système constitué d'une seule pièce optique plane à multiples focales divergentes et variables. L'utilisation de ce dispositif dans un appareil d'éclairage à diodes électroluminescentes (ou LED), permet d'obtenir un éclairage uniforme, très économe en énergie et d'une très grande longévité, particulièrement adapté à l'éclairage urbain ou tertiaire alimenté par le réseau électrique ou alimenté au moyen des énergies renouvelables naturelles, solaires ou éoliennes, en site isolé ou éloigné du réseau électrique. Les appareils d'éclairage destinés à l'éclairage urbain ou tertiaire étaient constitués jusqu'à aujourd'hui de lampes à incandescence, fluorescence, halogène ou sodium haute pression. Ces lampes alimentées principalement en 220 volts présentent les inconvénients d'être très consommatrices en énergie (de 60 à 500 W selon les besoins d'éclairage), de dégager une chaleur importante (50 à 200 ) et de ne disposer que d'une faible durée de vie (de 4.000 à 10.000 heures) . Les diodes électroluminescentes appelées aussi LED (Light Emetting Diodes) , économes en énergie, émettant une lumière rouge, jaune, ambre, verte, ou bleue, d'une intensité lumineuse comprise entre 30 et 800 milliCandelas ne pouvaient être utilisées auparavant, que pour un usage limité au balisage au sol ou à la signalisation lumineuse, sans application à l'éclairage. Les utilisations les plus connues de ces types de LED, sont destinées à la réalisation de balisage au sol au moyen de plots lumineux, de journaux lumineux à défilement de messages, pilotés par des logiciels reliés à des circuits intégrés, ou de voyants lumineux de contrôle de matériels informatiques ou robotiques, d'ordinateurs, d'appareils vidéos, audios, ou ménagers. L'absence de diodes d'une intensité lumineuse suffisamment puissante et émettant une lumière blanche ne permettait pas alors d'envisager un éclairage identique à celui des lampes utilisées habituellement, tant en puissance qu'en température de couleur, . De 1999 à 2001, l'apparition sur le marché de diodes électroluminescentes blanches d'une luminosité de plus en plus puissante (3 à 10 Candelas) dépassant le rendement de la lampe halogène, avec une très faible consommation d'énergie (15 à 20 MilliAmpères sous 3,6 Volts par LED) a permis d'envisager leur utilisation au lieu et place de lampes d'éclairage habituelles (incandescence, fluorescence ou sodium haute pression), les lampes à LED ayant en outre une durée de vie d'environ 100.000 heures. Un dispositif, qui n'est plus utilisé par le déposant, objet d'une demande de brevet N 00/06658 déposé le 24/05/2000 était constitué par un système diffractant la lumière de chaque LED dans l'axe de chaque logement optique correspondant, ce système présentait des coûts de mise en oeuvre pénalisants et occasionnait des pertes lumineuses importantes. Ce brevet a été abandonné. A la différence des lampes habituelles, la particularité des LED à grande luminosité, est d'émettre un faisceau de lumière très étroit (10 à 20 degrés d'angle), ainsi limité par la structure même de ces LED composées notamment de deux électrodes émettant des photons réflectorisés par une coupelle. Le faisceau lumineux émis est ainsi très puissant en distance (plusieurs centaines de mètres) au détriment d'une propagation lumineuse étalée réclamée dans un éclairage d'ambiance extérieur ou intérieur d'un angle variant entre 90 et 150 degrés. En cet état de la technique ce type de diode ne pouvait être utilisé et substitué aux moyens d'éclairage habituels, urbain, tertiaire ou domestique, sans envisager préalablement la transformation de la lumière ponctuelle puissamment émise, à l'aide de dispositifs propres à rediriger, étaler et égaliser la lumière selon les angles divers imposés par les besoins d"éclairage les plus courants ainsi qu'à assurer la protection visuelle des utilisateurs. Les éclairages obtenus à l'aide de ces diodes électroluminescentes seront alors 5 à 10 fois plus économes en énergie (en moyenne 22 Watts au lieu de 150 Watts) et d'une durée de vie 15 fois supérieure à un éclairage traditionnel (environ 100.000 heures au lieu de 4.000 à 10.000 heures). Le but de l'Invention était donc de régler les problèmes techniques liés à la mise en oeuvre de cet éclairage à diodes électroluminescentes (LED) appliqué notamment à l'éclairage urbain et tertiaire. Il s'agissait donc; 1 ) D'uniformiser au moyen d'un système optique simple et adapté, les faisceaux de lumière ponctuelle et directionnelle provenant de ces LED groupées selon un 5 nombre et un pas variable en fonction de l'éclairement à obtenir. 2 ) De permettre un réglage directionnel de la lumière en rapport avec l'angle d'éclairement souhaité dans les applications urbaines, tertiaires ou domestiques les plus courantes, 3 ) D'assurer la protection visuelle des utilisateurs en évitant d'autre part toute pollution lumineuse. 4 ) De synchroniser la position groupée des LED avec le système optique 15 déterminant l'uniformisation de la lumière, pour former des lampes ou des rampes d'éclairage avec leurs raccordements ou connexions. 5 ) D'insérer ce dispositif formant une lampe à LED, dans une infrastructure compatible en encombrement et en esthétique avec la commercialisation d'un produit 20 destiné principalement à l'éclairage urbain, tertiaire ou domestique. 6 ) D'assurer l'alimentation électronique de cette lampe à LED en transformant le courant alternatif de 220 Volts, issu du réseau électrique, en courant continu de 12 à 48 Volts sous un Ampérage contrôlé et régulé de façon à protéger les LED de toute 25 détérioration. Les avantages principaux d'un dispositif ayant résolu les points susdécrits sont: 30 - sa faible consommation énergétique par rapport à son éclairement. - sa durée de vie d'éclairage sans maintenance (environ 100. 000 heures), sa diversité d'applications par son fonctionnement à base d'électronique alliée à 35 la propriété des diodes électroluminescentes (programmation de l'éclairage). la possibilité d'assurer son alimentation sans dépendance énergétique du réseau électrique, L'Invention a donc pour but d'apporter les solutions au cahier des charges ci-avant défini. La présente invention concerne donc un dispositif d'éclairage destiné à uniformiser la lumière très directionnelle issue de plusieurs groupes de diodes électroluminescentes, (ou LED) à haute luminosité, en la diffractant au moyen d'un système constitué d'une seule pièce optique plane à multiples focales divergentes et variables. Selon une première caractéristique l'invention comporte (planche 1 /5 figure 1 et planche 2/5 figures 2, 3 et 4), une pièce optique plane (1) constituée d'un matériau transparent possédant un indice de réfraction égal à celui du verre, de préférence en matière plastique transparente ou transparente teintée (dont le verre acrylique ou PMMA, le polycarbonate ou le PVC transparents) Sur la face interne (1 a) de cette pièce optique plane (1) sont usinées ou moulées 15 des cavités optiques (2) polies et transparentes. La pièce optique plane (1) est assemblée à un circuit imprimé (3) portant des groupes de LED (5) au moyen de quatre axes solidaires filetés (10) permettant le coulissement et le réglage avec précision du circuit imprimé (3) sur ces axes solidaires filetés (10) et le blocage dans la position focale souhaitée des groupes de LED (5) face aux cavités optiques (2) au moyen de l'écrou de réglage (11) et de l'écrou de blocage (12) Chaque groupe de LED (5) comporte un nombre de LED (4) variable en fonction de la dimension de chaque cavité optique et de l'éclairement à obtenir. Chaque groupe de LED (5) est implanté sur le circuit imprimé (3) selon un pas 25 régulier ou irrégulier identique au pas des cavités optiques (2) usinées sur la face interne (1 a) de la pièce optique (1). Selon une seconde caractéristique de l'invention, (planche 2/5 figure 4 et planche 3/5, figure 5) les perçages de positionnement de chaque groupe de LED (5) soudées sur le circuit imprimé (3) sont effectués sur un ou plusieurs cercles concentriques (15 - 15a) à chaque cavité optique (2), de telle sorte que les deux pattes inclinables (9) de chaque LED (4) calées au ras du circuit imprimé (3) au moyen de leurs deux ergots plats (6), soient inclinées selon un axe variable (A-A') afin que, quelle que soit l'inclinaison de chaque LED (4) du groupe de LED (5) chaque LED soit toujours en position concentrique à la cavité optique (2) lui faisant face, permettant ainsi de diriger précisément la lumière issue de la LED (4) sur la cavité optique (2) formant ainsi un faisceau de lumière élargi à un angle (F) variable en fonction des profils et diamètres d'usinage ou de moulage utilisés pour les cavités optiques (2). Selon une troisième caractéristique de l'invention (planche 2/5, figure 2) les cavités optiques (2) usinées ou moulées sur la face interne (1 a) de la pièce optique plane (1) peuvent être de forme sphérique (2a) selon un rayon (R) et une profondeur (P) variables et déterminés en fonction de la direction et de la diffraction lumineuse à obtenir. Selon une quatrième caractéristique de l'invention (planche 2/5, figure 3) les cavités optiques (2) usinées ou moulées sur la face interne (1a) de la pièce optique plane (1) peuvent être de forme cônique (2b) selon une pente (i) et une profondeur (P) variables et déterminés en fonction de la direction et de la diffraction lumineuse à obtenir. Selon une cinquième caractéristique de l'invention (planche 2/5, figure 4) d'une manière plus générale, les cavités optiques (2) usinées ou moulées sur la face interne (1 a) de la pièce optique plane (1) peuvent présenter selon les cas différents profils d'usinage ou de moulage en creux tenant du polyèdre (2x) selon une profondeur (P) variable et déterminée en fonction de la direction et de la diffraction lumineuse à obtenir. Selon une sixième caractéristique de l'invention (planche 1 /5 figure 1 et planche 2/5, figure 4), la face interne (1 a) d'une même pièce optique plane (1) peut être composée de cavités optiques (2) de formes mélangées entre des formes sphériques (2a), coniques (2b) ou tenant du polyèdre (2x) , dont la profondeur (P) et les formes ainsi que leur mixité, sont variables et déterminées en fonction de la direction et de la diffraction lumineuse à obtenir. Selon une septième caractéristique de l'invention (planche 1/5, figure 1) le circuit imprimé (3) porte lui même au moyen de 4 vis filetées (13) et d'écrous de fixation (8) une alimentation à découpage (7), assurant la transformation du courant alternatif provenant du réseau électrique en haut voltage, entrant par le fil d'alimentation électrique (14), en courant continu en bas-voltage sortant par le fil (14a) alimentant directement le circuit imprimé (3) portant les groupes de LED (5). Selon une huitième caractéristique de l'invention (planche 1/5, figure 1) un boîtier étanche (16) comportant dans sa partie inférieure une gorge (18) pourvue d'un joint d'étanchéité (19) est percé sur sa partie supérieure de 4 trous, correspondant aux entr'axes des 4 axes solidaires filetés (10) permettant de réunir ainsi au moyen de 4 écrous de serrage (17) et de 4 rondelles d'étanchéité (20), les différents éléments constitués par la pièce optique (1), le circuit imprimé (3) portant les groupes de LED (5) et leur alimentation régulée (7) facilitant ainsi le montage et le démontage de l'ensemble. Selon une neuvième caractéristique de l'invention (planche 4/5, figure 6 et figure 7 et 5/5, figure 8 et figure 9), l'aération du boîtier étanche (16) et le passage du fil d'alimentation électrique (14) sont assurés au moyen de boulons creux filetés (21) vissés dans chaque bague coulissante (23) réglant la distance entre le boîtier étanche (16) et un tube cintré circulaire (22) percés dans le même axe. Une vis d'arrêt (26) bloque, d'une part la position de chaque bague coulissante (23) sur le tube cintré circulaire (22), les écrous (24) vissés sur chaque boulon creux fileté (21) permettant, d'autre part, de serrer le boîtier étanche (16) tout en pressant un joint torique interne (25). Le tube cintré circulaire (22) est sectionné à l'axe selon une longueur (L) déterminée afin d'être inséré dans une bague de liaison (28) s'articulant sur le tube cintré circulaire (22) bloquée en position par deux vis (31) et bloquée en position par une vis (32) sur le noyau (29) vissé et collé sur le manchon (30) bloqué dans sa rotation sur un support (X) par 3 vis de blocage (33), permettant ainsi en toute étanchéité, par rotation et blocage en position dans les trois axes, de diriger précisément le faisceau lumineux, d'assurer l'aération du boitier et le passage entièrement sécurisé du fil d'alimentation électrique (14) sans aucune possibilité de le détériorer quelle que soit la rotation imposée au dispositif d'éclairage. Le manchon (30) peut être emmanché sur un support (X) constitué soit d'un mât 20 d'éclairage, soit d'un tube posé en console murale et bloqué en position sur son support (X) par 3 vis de blocage (33). Selon une dixième caractéristique de l'invention (planche 1/5, figure 1), l'ensemble constitué par la pièce optique (1), le circuit imprimé (3) portant les groupes de LED (5) et leur alimentation régulée (7) peut être inséré dans tout type d'appareil d'éclairage disposant de caractéristiques similaires en termes d'étanchéité. Compte-tenu de sa très faible consommation en énergie électrique, de sa très longue durée de vie, de son absence de pollution environnementale ou lumineuse, comparées aux appareils d'éclairage utilisant les lampes existantes, (incandescence, haute pression à vapeur de mercure ou de sodium, fluorescentes, néon), l'invention est particulièrement indiquée en substitution ou en remplacement d'appareils d'éclairages ou de lampes de tous types, notamment dans l'éclairage public, tertiaire ou domestique alimenté par le réseau électrique ou par les énergies renouvelables. 7 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité, (planche 1/5 figure 1 et planche 2/5 figures 2, 3 et 4), caractérisé en ce que le dispositif est composé d'une pièce optique plane (1) constituée d'un matériau transparent possédant un indice de réfraction égal à celui du verre, de préférence en matière plastique transparente ou transparente teintée (dont le verre acrylique ou PMMA, le polycarbonate ou le PVC transparents) comportant sur sa face interne (1 a) des cavités optiques (2) usinées ou moulées, polies et transparentes. Quatre axes solidaires filetés (10) fixés à la pièce optique plane (1), permettent d'une part, le coulissement et le réglage avec précision, du circuit imprimé (3), sur lequel sont implantés et soudés des groupes de LED (5) selon un pas régulier ou irrégulier identique au pas des cavités optiques (2) et d'autre part le blocage dans la position focale souhaitée des groupes de LED (5) face aux cavités optiques (2) au moyen de l'écrou de réglage (11) et de l'écrou de blocage (12), chaque groupe de LED (5) étant constitué d'un nombre de LED (4) variable en fonction de la dimension de chaque cavité optique (2) et de l'éclairement à obtenir. 2 Dispositif d'éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans ce dispositif (planche 2/5, figures 2, 3 et 4 et planche 3/5, figure 5), les groupes de LED (5) sont implantés et soudés sur le circuit imprimé (3) selon un ou plusieurs cercles concentriques (15 - 15a) à chaque cavité optique (2), de telle sorte que les deux pattes inclinables (9) de chaque LED (4) calées au ras du circuit imprimé (3) au moyen de leurs deux ergots plats (6), soient inclinées selon un axe variable (A-A') afin que, quelle que soit l'inclinaison de chaque LED (4) du groupe de LED (5) chaque LED soit toujours en position concentrique à la cavité optique (2) lui faisant face, permettant ainsi de diriger précisément la lumière issue de la LED (4) sur la cavité optique (2) formant ainsi un faisceau de lumière élargi à un angle (F) variable en fonction des profils et diamètres d'usinage ou de moulage utilisés pour les cavités optiques (2). 3, Dispositif d'éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans ce dispositif (planche 2/5 figure 2), les cavités optiques (2) usinées ou moulées sur la face interne (1 a) de la pièce optique plane (1) peuvent être de forme sphérique (2a) selon un rayon (R) et une profondeur (P) variables et déterminés en fonction de la direction et de la diffraction lumineuse à obtenir. 4. Dispositif d'éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans le dispositif, (planche 2/5, figure 3) les cavités optiques (2) usinées ou moulées sur la face interne (1 a) de la pièce optique plane (1) peuvent être de forme cônique (2b) selon une pente (i) ou peuvent présenter selon les cas différents profils d'usinage ou de moulage en creux tenant du polyèdre avec des profondeurs (P) variables et déterminées en fonction de la direction et de la diffraction lumineuse à obtenir. Dispositif d'éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que, dans le dispositif (planche 1 /5 figure 1 et planche 2/5, figure 4), la face interne (1 a) d'une même pièce optique plane (1) peut être composée de cavités optiques (2) de formes mélangées entre des formes sphériques (2a), coniques (2b) ou tenant du polyèdre (2x), dont la profondeur (P) et les formes ainsi que leur mixité sont variables et déterminées en fonction de la direction et de la diffraction lumineuse à obtenir. Dispositif d"éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le dispositif (planche 1/5, figure 1) le circuit imprimé (3) porte lui même au moyen de 4 vis filetées (13) et d'écrous de fixation (8) une alimentation à découpage (7), assurant la transformation du courant alternatif provenant du réseau électrique en haut voltage, entrant par le fil d'alimentation électrique (14), en courant continu en bas-voltage, sortant par le fil (14a) alimentant directement le circuit imprimé (3) portant les groupes de LED (5). T Dispositif d'éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le dispositif, (planche 1/5, figure 1) un boîtier étanche (16) comportant dans sa partie inférieure une gorge (18) pourvue d'un joint d'étanchéité (19) est percé sur sa partie supérieure de 4 trous, correspondant aux entr'axes des 4 axes solidaires filetés (10) permettant de réunir ainsi au moyen de 4 écrous de serrage (17) et de 4 rondelles d'étanchéité (20), les différents éléments constitués par la pièce optique (1), le circuit imprimé (3) portant les groupes de LED (5) et leur alimentation régulée (7). & Dispositif d'éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le dispositif, (planche 4/5, figure 6 et 7 et planche 5/5, figure 8 et 9), l'aération du boîtier étanche (16) et le passage du fil d'alimentation électrique (14) sont assurés au moyen de boulons creux filetés (21) vissés dans chaque bague coulissante (23) réglant la distance entre le boîtier étanche (16) et le tube cintré circulaire (22) percés dans le même axe. Une vis d'arrêt (26) bloque d'une part la position de chaque bague coulissante (23) sur le tube cintré circulaire (22), les écrous (24) vissés sur chaque boulon creux fileté (21) permettant d'autre part de serrer le boîtier étanche (16) tout en pressant un joint torique interne (25). Le tube cintré circulaire (22) est sectionné à l'axe selon une longueur (L) déterminée afin d'être inséré dans une bague de liaison (28) s'articulant sur le tube cintré circulaire (22) bloquée en position par deux vis (31) et bloquée en position par une vis (32) sur le noyau (29) vissé et collé sur le manchon (30) bloqué dans sa rotation sur un support (X) par 3 vis de blocage (33), le tout permettant ainsi en toute étanchéité, l'orientation précise du faisceau lumineux dans les trois axes, sans endommager le fil d'alimentation électrique (14). 9. Dispositif d"éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le dispositif, (planche 1/5, figure 1) l'ensemble constitué par la pièce optique (1), le circuit imprimé (3) portant les groupes de LED (5) et leur alimentation régulée (7) peut être inséré dans tout type d'appareil d'éclairage disposant de caractéristiques similaires en termes d'étanchéité. 10. Dispositif d"éclairage à diffraction optique pour diodes électroluminescentes ou LED à haute luminosité selon les revendications 1, 3, 4 et 5, caractérisé en ce que dans le dispositif (planche 1/5, figure 1) la face interne (1 a) de la pièce optique plane (1), à l'exception des cavités optiques (2), est, soit dépolie, soit revêtue d'une peinture plastique adhérente ou d'une sérigraphie de fond formant décor, ces trois solutions excluant ainsi toute vision du circuit imprimé (3) portant les LED (4).