Brevet FR2952997A1 — publié le 20110527

Concentrateur de lumière La présente invention concerne un concentrateur de lumière. Les concentrateurs de lumière peuvent être des projecteurs, ou des 5 dispositifs d'alimentation de guides optiques. Auparavant, les sources lumineuses étaient encombrantes, qu'il s'agisse d'ampoules ou de tubes luminescents, mais on dispose aujourd'hui de diodes électroluminescentes qui peuvent dans de nombreux cas se résumer à une très petite surface émettant de la lumière. L'homme de l'art appelé à 10 concevoir un concentrateur de lumière n'a pas pour autant changé sa façon de voir, et utilise généralement un convecteur parabolique ou similaire, souvent complété par une lentille. Le principe retenu ici est fondamentalement différent, et consiste à créer une image virtuelle à partir de la source lumineuse, en disposant 15 de part et d'autre de cette source deux miroirs AC et BD formant un convecteur 4, les miroirs étant accolés en amont à la périphérie de la source lumineuse 20 et formant entre eux un angle ouvert vers l'aval. Il peut s'agir d'une série de miroirs plans ou d'un miroir conique. L'image virtuelle générée est une série de sources lumineuses 20 juxtaposées, qui dépend de la géométrie du convecteur : celle générée par un ensemble de deux miroirs plans forme une portion de cylindre, tandis que celle générée par un ensemble de quatre miroirs plans ou par un miroir conique forme une boule qui peut être sphérique ou irrégulière. Cette image virtuelle peut être vue par la sortie du dispositif, soit 25 directement soit par réflexions successives sur le convecteur. Pour obtenir un faisceau d'angle solide faible sans trop augmenter son élément de surface émetteur, la solution proposée consiste à munir le dispositif d'un dioptre convergent 7 à la sortie du convecteur 4, et d'un second convecteur 9 en aval dudit dioptre convergent 7. 30 Le dispositif 1 selon l'invention comprend d'amont en aval une zone d'entrée de la lumière 2 et une zone de sortie de la lumière 3 raccordées par deux convecteurs 4 et 5 disposés en série dits respectivement convecteur amont 4 et convecteur aval 5, chacun de ces convecteurs ayant une section longitudinale en forme de trapèze, la zone d'entrée de la 35 lumière étant la petite base 6 du trapèze amont et la zone de sortie de la lumière étant grande base 8 du trapèze aval, caractérisé par le fait qu'un dioptre convergent 7 est situé entre les deux convecteurs amont 4 et aval 5. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : 40 ledit dioptre convergent 7 est constitué par l'extrémité amont convexe d'un guide de lumière 10 réalisé en matière transparente, dont les côtés s'écartent d'amont en aval ; - ledit dioptre convergent 7 dévie les rayons lumineux provenant directement ou par réflexion(s) de ladite zone 2 d'entrée de la 45 lumière pour qu'ils forment dans le convecteur aval un faisceau dont l'axe est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du dispositif 1, - le dispositif 1 comprend une source lumineuse 20 et la surface amont dudit dioptre convergent 7 est sensiblement tangente à ladite source 50 lumineuse 20 ; - le dispositif est muni d'un second dioptre convergent 9 à la sortie du convecteur aval 5 ; - l'un des deux foyers dudit second dioptre convergent 9 est situé sensiblement à l'intersection des côtés du trapèze constituant la 55 section dudit convecteur aval - ledit second dioptre convergent 9 dévie les rayons lumineux pour qu'ils convergent en un point P tel que les rayons du faisceau les plus éloignés de son axe soient parallèles à l'axe du dispositif 1 lors de leur sortie dudit dioptre convergent 9 ; - une partie au moins des miroirs constituant le convecteur amont 4 est en métal ; le dispositif 1 est associé en série avec un autre dispositif lb selon l'invention ; le dispositif 1 comprend un prisme 30 reliant deux portions 10a et 10b successives d'un guide de lumière 10, et ce prisme 30 est séparé desdites parties amont l0a et aval 10b par deux volumes 301 et 302 d'un matériau d'indice de réfraction sensiblement inférieur à celui du guide de lumière 10 et à celui dudit prisme 30. L'invention sera bien comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, laquelle est illustrée par les figures 1 à 7 qui représentent toutes de dispositifs selon l'invention. La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention. On distingue les deux convecteurs 4 et 5, le dioptre 7 proche de la zone d'entrée de la lumière 2, et le second dioptre 9 proche de la zone de sortie de la lumière 3. La figure 2 est une vue en perspective du dispositif illustré à la figure 1, qui est coupé en deux longitudinalement par un plan vertical. Il permet de voir plus clairement le volume de matière transparente qui est un guide de lumière 10 dont les parois s'écartent d'amont en aval. Les deux dioptres 7 et 9 sont les surfaces convexes terminant ce guide de lumière en amont et en aval. La figure 3 est une section longitudinale du dispositif illustré aux figures 1 et 2. La figure 4 une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention dans un second mode de mise en oeuvre de l'invention. Les deux convecteurs coniques amont 4 et aval 5 sont vides, et séparés par une lentille sphérique 7. La figure 5 une vue en perspective de deux ensembles identiques 1000a et 1000n comprenant chacun quatre dispositifs selon l'invention chacun, assemblés en parallèle, ces dispositifs servant à alimenter en lumière formes de pupilles différentes : rectangulaires pour 1000a et 1000b, carrées pour 1000c et 1000d et circulaires pour 1000e et 1000f. Ces formes de pupilles génèrent des fonctionnements optiques différents, et l'élongation dans un plan de la pupille a généralement pour effet d'augmenter l'angle solide du faisceau émis dans ce plan, ce qui correspond à certains projets d'éclairage. La figure 7 une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le dioptre convergent 7 étant ici une lentille cylindrique. Par ailleurs, ce dispositif comprend un prisme 30 reliant deux convecteurs successifs. Le convecteur amont 4 est vide, tandis que le convecteur aval 5 est réalisé par deux volumes de matière transparente 10a et 10b. Ce prisme 30 est séparé des parties amont et aval du dispositif par deux volumes 301 et 302 d'un matériau d'indice de réfraction sensiblement inférieur à celui du volume compris par la tranche un guide de lumière 100 qui peut par exemple être un dispositif de rétro-éclairage dépoli pour un écran LCD. La figure 6 est une vue en perspective de six ensembles 1000a à 1000f de dispositifs selon l'invention dans des modes de mise en oeuvre de l'invention similaires à celui illustré à la figure 1, mais avec des dans le convecteur considéré et à celui dudit prisme 30. Dans le cas présent, ce matériau est de l'air. La figure 3 permet de comprendre le fonctionnement la présente invention. Le premier convecteur 4 dit amont est composé de deux miroirs AC et BD 5 formant un trapèze isocèle ABDC. Le point O est l'intersection des deux droites supportant les segments AC et BD. La source lumineuse plane 20, qui va de A à B est donc réfléchie par ces miroirs pour former deux images virtuelles AA' et BB'. Il n'y a que deux images virtuelles parce que les images virtuelles de AB obtenues par 10 réflexions multiples ne sont pas visibles depuis CD. Avec un angle plus petit entre les miroirs AC et BD, on obtiendrait évidemment plus d'images virtuelles de la source AB. La caractéristique de ces images virtuelles est que leurs extrémités latérales sont situées sur un cercle de centre O. 15 Le faisceau lumineux émis par la source lumineuse a un angle solide qui est ici de 1800. Il est représenté en A' par l'angle a. Le faisceau lumineux traversant le dioptre convergent 7 (qui va de C à D), qui est convexe vu de O, parvient en C sous la forme d'un faisceau délimité d'une part par le rayon provenant de A' et d'autre part par le 20 rayon Ci tangent à la surface convexe du dioptre 7. La courbure du dioptre convergent 7 est telle que ce faisceau ressort de C sous forme d'un faisceau d'axe parallèle à l'axe du dispositif. L'homme de l'art sait calculer cette courbure très facilement. Ce faisceau a un élément d'angle solide b, représenté en tenant compte de l'indice de 25 réfraction du matériau formant l'élément transparent CDEF, qui est ici de 1,5. Ensuite, ce faisceau d'angle b est réfléchi par un second convecteur 5 dit aval, qui est composé de deux miroirs CE et DF formant un trapèze isocèle CDFE. Le point Q est l'intersection des deux droites supportant 30 les segments CE et DF. La source lumineuse plane formée par le dioptre convergent 7 (qui va de C à D) est réfléchie par mes miroirs du convecteur aval 5 pour former des images virtuelles CM et DN. La caractéristique de ces images virtuelles est que leurs extrémités sont situées sur un cercle de centre Q. 35 Le point M est l'extrémité visible depuis le point E, en tenant compte de l'angle solide b de 50° du faisceau à la sortie du dioptre 7. Le faisceau virtuel d'origine M a donc une incidence maximale de b/2 par rapport à la normale au cercle MCDN, c'est-à-dire cet angle par rapport au rayon QM. Le faisceau lumineux traversant le dioptre convergent 7, qui est concave 40 vu de Q, parvient en E sous la forme d'un faisceau d'angle solide c correspondant à l'angle MEM', M' étant le symétrique de M par rapport à la droite passant par QC et E. Cet angle est ici d'environ 20°. La courbure du dioptre convergent EF est telle que ce faisceau ressort de C sous forme d'un faisceau d'axe parallèle à l'axe du dispositif. Ce 45 faisceau a un élément d'angle solide d de l'ordre de 43°, en tenant compte de l'indice de réfraction du matériau formant l'élément transparent CDEF. On a ainsi transformé un faisceau d'angle solide de 180° en un faisceau d'angle solide d'environ 43°, avec un dispositif de petite taille très 50 simple et peu couteux à fabriquer. Cet angle est adapté à la réalisation d'un projecteur peu directionnel, mais on peut, en jouant sur les dimensions des convecteurs et les caractéristiques des deux dioptres, obtenir un angle solide du faisceau de sortie qui est beaucoup plus petit. 55 Avantageusement, un ou plusieurs des trapèzes ACBD et CEFD sont isocèles. Dans l'exemple des figures 1 et 2, ledit dioptre convergent 7 est constitué par l'extrémité amont convexe d'une pyramide 10 réalisée en matière transparente, dont le convecteur aval 5 est l'enveloppe. C'est une solution préférée. On peut cependant simplifier le dispositif en plaçant une lentille convergente 7 entre deux convecteurs amont 4 et aval 5 vides comme représenté à la figure 4. Lorsque l'objectif est d'introduire de la lumière dans un guide de lumière 100, ledit guide de lumière 10 est avantageusement l'extrémité amont du guide de lumière 100 considéré. Le dioptre aval n'est en effet pas nécessaire, surtout lorsque l'on veut faire entrer le faisceau dans un matériau dont l'indice de réfraction est proche de celui dudit guide de lumière 10. Le présent dispositif est particulièremet adapté à l'introduction de lumière dans les dispositifs munis d'une pluralité de dispositifs connus de déviation de la lumière dits déviateurs, ces déviateurs décomposant le faisceau reçu en faisceaux lumineux élémentaires ayant le même élément d'angle solide mais un plus faible élément de surface émetteur que le faisceau entré dans le conduit de lumière. Certains de ces dispositifs sont décrits dans les demandes FR/09-04902 et FR/09-04437. On a décrit plus haut une caractéristique particulièrement avantageuse du dioptre convergent 7 qui est de redresser le faisceau lumineux émis par le convecteur amont 4, afin de rendre son axe parallèle à l'axe longitudinal du dispositif selon l'invention. L'angle solide du faisceau se déplaçant par réflexion multiples dans un guide de lumière vide ou plein est en effet l'angle entre l'axe longitudinal dudit guide et le rayon s'en éloignant le plus rapidement. En rendant l'axe du faisceau parallèle à l'axe longitudinal du dispositif, on minore ainsi l'angle solide du faisceau émis par ledit guide. On peut faire la même chose en sortie du convecteur aval 5, pour que le dioptre convergent 9 dévie les rayons lumineux provenant du dioptre convergent 7 afin de former en sortie un faisceau dont l'axe est sensiblement parallèle à celui du dispositif. Ceci est obtenu lorsque l'un des deux foyers dudit second dioptre est 35 situé sensiblement à l'intersection des côtés du trapèze constituant la section dudit convecteur aval. Une autre solution particulièrement avantageuse qui peut être mise en oeuvre par l'homme de l'art dans le cadre de l'invention, consiste à ce que ledit second dioptre convergent 9 dévie les rayons lumineux pour 40 qu'ils convergent en un point P tel que les rayons du faisceau les plus éloignés de son axe soient parallèles à l'axe du dispositif 1 lors de leur sortie dudit dioptre convergent 9. Cela permet de générer un faisceau dont l'enveloppe est droite jusqu'au point P. Les dioptres 7 et 9 peuvent évidemment être tous types de systèmes 45 optiques convergents, comme des dioptres sphériques ou asphériques complexes, des dioptres cylindriques comme représenté à la figure 7, ou même des lentilles de Fresnel (version non représentée). Il est particulièrement avantageux, pour obtenir la plus grande diminution d'angle solide du faisceau lors de son passage dans le 50 convecteur amont 4, que la surface amont dudit dioptre convergent 7 soit la plus proche possible de la zone 2 d'entrée de la lumière. Dans le cas où le dispositif 1 comprend une source lumineuse 20, la surface amont dudit dioptre convergent 7 est avantageusement sensiblement tangente à ladite source lumineuse 20. La seule distance à conserver est le cas 55 échéant celle qui peut être nécessaire à un bon refroidissement de la source lumineuse 20, ou pour que le dioptre convergent 7 ne soit pas détérioré par la chaleur de la source lumineuse 20. Lorsque l'un et/ou l'autre des convecteurs amont 4 et aval 5 sont constitués d'un volume 10 de matériau transparent, il n'est pas nécessaire de recouvrir la totalité de leur surface externe de miroirs, puisqu'à partir d'une certaine distance de la source lumineuse, l'angle solide du faisceau est dans certains cas suffisamment faible pour que les rayons se réfléchissent totalement sur les parois dudit guide de lumière. Lorsqu'on utilise des miroirs, il est avantageux qu'une partie au moins des miroirs constituant le convecteur amont 4 soit en métal pour participer à la dispersion de la chaleur émise par la source lumineuse 20. Les figures 5 et 6 montrent tout l'intérêt qu'il y a à disposer plusieurs dispositifs en parallèle, par exemple pour créer des luminaires fonctionnant avec des rubans de diodes électroluminescentes, ou pour nourrir en lumière des panneaux transparents par leur tranche. Il est également avantageux d'associer des dispositifs selon l'invention en série, par exemple pour réduire l'angle solide du faisceau émis par 15 l'ensemble. Dans de nombreux cas, par exemple pour limiter l'encombrement d'un dispositif dans lequel le calcul commanderait à l'homme de l'art d'utiliser un convecteur amont ou aval très long, il est possible de réaliser des convecteurs coudés. La figure 7 montre comment procéder avec 20 des convecteurs réalisés en matériau transparent : le dispositif 1 comprend un prisme 30 reliant deux portions 10a et 10b successives du guide de lumière 10, et ce prisme 30 est séparé desdites parties amont 10a et aval 10b par deux volumes 301 et 302 d'un matériau d'indice de réfraction sensiblement inférieur à celui du guide de lumière 10 et à 25 celui dudit prisme 30. Cette séparation a pour avantage de poursuivre la réflexion totale des rayons transportés par les parois du guide de lumière 10 pratiquement jusqu'à la surface du prisme réfléchissant les rayons vers la portion 10b du guide de lumière. Cette surface peut être rendue réfléchissante si l'indice de réfraction du matériau n'est pas 30 suffisant pour obtenir une réflexion totale. L'homme de l'art peut aussi disposer des miroirs sur certaines faces de certains éléments du dispositifs pour canaliser la lumière dans une direction déterminée, par exemple sur les faces latérales du dispositif représenté à la figure 7 dont le convecteur amont 4 et la lentille 35 convergente 7 ne condensent les rayons que verticalement. Les dispositifs selon l'invention peuvent aussi être utilisés dans l'autre sens, la lumière pénétrant dans le dispositif par la zone 3 dite de sortie de la lumière et ressortant par l'extrémité opposée 2. Le dispositif fonctionne alors comme un transmetteur d'une partie de la 40 lumière ambiante vers une sortie de plus petite taille que la surface d'entrée de la lumière. Ce peut être utile pour réaliser des capteurs de lumière ambiante. Les dispositifs selon l'invention sont alors avantageusement assemblés en parallèle, leurs petites extrémités 2 se terminant par un déviateur inséré dans un guide de lumière rassemblant la 45 totalité de la lumière reçue des dispositifs pour la transporter plus loin. Les principales applications de la présente invention sont : - les projecteurs de tous types (dont les phares des automobiles, des bateaux et des aéronefs, 50 - l'alimentation des dispositifs de rétro-éclairage pour écrans électroniques (téléviseurs, ordinateurs, appareils photo, consoles de jeux, téléphones, tableaux de bord, etc.) ou pour images imprimées (cadres photo, panneaux publicitaires, enseignes, etc.), - les luminaires pour la maison et les lieux publics, l'éclairage 55 urbain, la signalisation urbaine et routière, - les dispositifs de chauffage par rayonnement, - les transmetteurs optiques, 6 - les capteurs de lumière ambiante, - les armes, - les jouets et les gadgets. Revendications1. Concentrateur de lumière comprenant d'amont en aval une zone d'entrée de la lumière 2 et une zone de sortie de la lumière 3 raccordées par deux convecteurs 4 et 5 disposés en série dits respectivement convecteur amont 4 et convecteur aval 5, chacun de ces convecteurs ayant une section longitudinale en forme de trapèze, la zone d'entrée de la lumière étant la petite hase 6du t apeze amont et la zen` d sortie de la roizoere étant grande nase 8 du trapèze aval, caractérisé par le fait qu'un dioptre convergent 7 est situé entre les deux convecteurs amont 4 et aval 5. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit dioptre convergent 7 est constitué par l'extrémité amont convexe d'un guide de lumière 10 réalisé en matière transparente, dont les cotés s'écartent d'amont en aval. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit dioptre convergent 7 dévie les rayons lumineux provenant directement ou par réflexion(s) de ladite zone 2 d'entrée de la lumière pour qu'ils forment dans le convecteur aval un faisceau dont l'axe est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du dispositif 1. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend une source lumineuse 20 et que la surface amont dudit dioptre convergent 7 est sensiblement tangente à ladite source lumineuse 20. ris - itif selon. la revendication 1, caractérise par le fait qu'il est muni d'un second dioptre convergent 9 à la sortie du convecteur aval5. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'un des deux foyers dudit second dioptre convergent 9 est situé sensiblement à l'intersection des côtés du trapèze constituant la section dudit convecteur aval. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit second dioptre convergent 9 dévie les rayons lumineux pour qu'ils convergent en un point P tel que les rayons du faisceau les plus éloignés de son axe soient parallèles à l'axe du dispositif 1 lors de leur sortie dudit dioptre convergent 9. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que une partie au moins des miroirs constituant le convecteur amont 4 est en métal. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif 1 est associé en série avec un autre dispositif lb selon l'invention. 10 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un prisme 30 reliant deux portions 10a et lOb successives dudit guide de lumière 10, et ce prisme 30 est séparé desdites parties amont l0a et aval 10b par deux volumes 301 et 302 d'un matériau d'indice de réfraction sensiblement inférïel à celui du guide de lumière ru et à celui dudit. prisme ut.