Brevet FR2950670A1 — publié le 20110401

La présente invention concerne de manière générale le domaine de l'éclairage, en particulier les éclairages devant répondre à des spécificités particulières, notamment aptes à produire un éclairement sur une surface, éclairement de préférence sensiblement uniforme, et a pour objet un dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes. Dans certains domaines ou certaines applications, il est nécessaire de disposer d'un éclairage répondant à certaines spécifications techniques, voire réglementaires, par exemple en termes d'intensité ou d'uniformité de l'éclairage au niveau de la zone à éclairer. Tel est notamment le cas, à titre d'exemple illustratif, dans le domaine des éclairages architecturaux ou les éclairages d'oeuvres d'art. Les appareils du type précité, qui sont commercialisés actuellement comportent généralement comme source(s) lumineuse(s) des ampoules halogènes ou à incandescence, ou des tubes fluorescents ou des lampes à décharge et une vitre de protection frontale, ils forment une zone lumineuse de largeur typique de l'ordre de un à plusieurs mètres, cela sur une longueur allant de un à plusieurs mètres. Néanmoins, les appareils munis de lampes à incandescence ou à décharge existants sont relativement lourds, peu performants ou ne fournissent pas un éclairement avec un bon degré d'uniformité dans la zone cible à éclairer. De plus, du fait de la nature même des sources lumineuses utilisées, ces appareils d'éclairage connus émettent beaucoup de chaleur et nécessitent des interventions fréquentes pour changer les ampoules (durée de vie limitée de quelques dizaines d'heures à 2 000 heures maximum). On connaît d'autre part des dispositifs d'éclairage à diodes électroluminescentes (généralement désignées par DEL ou LED). De telles diodes présentent une grande durée de vie, présentent une faible consommation et ne produisent pas une chaleur excessive. Généralement les DELs disposent d'un élément transparent bombé, généralement en matériau plastique collé sur la zone émissive. Cet élément transparent peut être de forme hémisphérique et il est alors appelé dôme. Dans d'autres cas, les DELs possèdent une surface émissive recouverte d'une surface de protection plane transparente. Il existe en particulier, depuis peu, des DEL blanches, ou de couleur, de plus en plus performantes et puissantes, en termes de luminosité, qui peuvent se substituer aux lampes à incandescence ou halogènes. Il est toutefois nécessaire d'associer à ces DEL des dispositifs ou systèmes permettant de récupérer le flux lumineux émis par elles et de l'amener au niveau de la surface à éclairer. Ces dispositifs sont d'autant plus intéressants que les trois critères suivants sont au mieux vérifiés : - le flux récupéré est le plus grand possible (meilleur rendement), 10 - l'éclairement est uniforme, - la zone éclairée est adaptée à l'objet que l'on veut éclairer. Les dispositifs existants permettant une collecte maximale de lumière du flux de la DEL sont des composants optiques que l'on dispose contre la DEL et dénommés collimateurs. 15 Toutefois, ils sont très mauvais en termes d'uniformité et de concentration de la lumière. L'association d'un grand nombre de collimateurs sur une même ligne ne permet pas un éclairage efficace et uniforme sur une zone de grande surface. La présente invention s'intéresse plus particulièrement aux DEL ayant 20 une indicatrice d'émission sensiblement Lambertienne. Pour une émission parfaitement Lambertienne, l'indicatrice de rayonnement s'exprime par la variation I(0) suivante : I = Io*cos(0), où lo est l'intensité lumineuse en candelas ou en watts par stéradian dans la direction de l'axe d'émission du faisceau optique de la 25 DEL et I est l'intensité lumineuse dans une direction faisant un angle e avec l'axe. Certaines DEL disponibles dans le commerce, comme par exemple celle connues sous la désignation Luxeon K2® ou Luxeon Rebel®, ont, par construction, une indicatrice dont les variations sont très semblables à la 30 formule ci-dessus. Ce rayonnement couvre tout le demi-espace en avant de la LED soit un angle solide total 0 = 2rr stéradians (6,28 stéradians). Si les dispositifs d'éclairage direct d'une surface disposée en face des diodes électroluminescentes sont déjà relativement complexes lorsque l'on désire un éclairage uniforme de la surface du fait de la mise en oeuvre de 35 dispositifs optiques spécifiques (on peut voir par exemple la demande FR08/58627 déposée le 16 décembre 2008 dans laquelle une lentille boule et une lentille à échelons de Fresnel sont notamment mises en oeuvre), le cas de l'éclairage indirect des surfaces est encore bien plus complexe car il est alors nécessaire de mettre en oeuvre des moyens réflecteurs de type miroir. Or l'éclairage indirect est très souvent utilisé notamment lorsque l'on recherche une discrétion et/ou compacité du système d'éclairage comme par exemple pour l'éclairage de tableaux artistiques ou informatifs. En effet, pour projeter le rayonnement des diodes électroluminescentes sur l'objet que l'on veut éclairer, par exemple sur un écran éloigné typiquement de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres, il est nécessaire de prévoir un dispositif optique composé d'une ou plusieurs lentilles et/ou un miroir ou plusieurs miroirs ou dispositifs réfléchissants. D'une manière générale, les dispositifs à lentilles ont l'avantage de former une image très nette de la surface émissive de la DEL ce qui est très intéressant pour obtenir un éclairage uniforme, délimité et localisé sur la zone utile. De plus, pour obtenir une zone lumineuse uniforme avec une série de DELs, les DELs sont alignées sur un support longitudinal parallèlement à une direction appelée axe du dispositif, elles sont séparées l'une de l'autre par une distance appelée pas, puis un miroir cylindrique dont les lignes directrices sont parallèles à l'axe permet alors la formation sur l'objet de la zone lumineuse par focalisation. Classiquement, la ligne de DELs est disposée sur un radiateur principalement en aluminium qui permet un refroidissement correct des DELs. Pour caractériser la qualité de l'éclairement on peut considérer un paramètre de rendement du système optique qui est le rapport entre le flux total émis par les DELs et le flux total qui permet l'éclairement de la bande lumineuse. Ce rendement est une donnée très importante du système car il permet soit d'augmenter l'éclairement pour un pas donné, soit d'augmenter le pas avec un éclairement identique. L'augmentation du pas permet de disposer de moins de DELs par mètre et permet de réduire les problèmes de refroidissement. Dans le cas d'un éclairage indirect, on sait que l'utilisation d'un seul miroir autorise un rendement de l'ordre de 40%, ce qui est relativement faible 35 et il est donc primordial d'augmenter ce rendement. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif d'éclairage indirect à diodes électroluminescentes, comprenant un ensemble de diodes électroluminescentes ou DELs, alignées le long d'un axe d'alignement, les DELs étant associées à un système optique apte à récupérer le flux lumineux émis par lesdites DELs et à produire à distance, sur une surface, une zone lumineuse éclairée, ledit dispositif étant disposé latéralement par rapport à la surface à éclairer. Selon l'invention, le système optique comprend, d'une part, sur chaque DEL une lentille qui est une boule tronquée en matériau transparent, la DEL et la lentille boule étant assemblées de manière à ce que pour une lentille boule de rayon de courbure R et d'indice n, le centre de la zone émissive de la DEL soit à une distance du sommet de ladite lentille boule égale à R+R/n pour que la réfraction soit aplanétique, et, d'autre part, un miroir cylindrique renvoyant les rayons lumineux issus des DELs à lentilles boules vers la surface, l'axe principal du miroir cylindrique étant parallèle à l'axe d'alignement des DELs, la valeur du rayon de courbure en chaque point du miroir étant telle que le système composé de l'association de DELs avec leurs lentille boule et le miroir aient une indicatrice donnée par la loi mathématique I = 1 cos(9)3 où / est l'intensité lumineuse dans la direction d'émission du faisceau optique du système, cette direction faisant un angle 9 avec l'axe horizontal. Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont employés : - le miroir a un rayon de courbure qui varie le long d'un plan perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs et la valeur du rayon de courbure en chaque point du miroir est telle que la zone lumineuse est éclairée sensiblement uniformément en terme d'éclairement, - dans le dispositif, pour une lentille boule de rayon de courbure R et d'indice n, le centre de la zone émissive de la DEL est à une distance du sommet (c'est la distance en ligne droite de la zone émissive au sommet passant par le centre de la lentille boule) de ladite lentille boule égale à R+R/n pour que la réfraction soit aplanétique, - la DEL et la lentille boule sont assemblées ensembles de manière à ce que pour une lentille boule de rayon de courbure R et d'indice n, le centre de la zone émissive de la DEL soit à une distance du sommet de ladite lentille boule égale à R+R/n pour que la réfraction soit aplanétique, - la partie tronquée de la lentille boule est adaptée à la forme de la DEL, - la DEL possède au moins coté émission lumineuse un élément transparent et la lentille boule possède une troncature complémentaire de l'élément transparent de la DEL et dans le cas où la DEL possède un dôme, la lentille boule possède un orifice complémentaire pour loger ledit dôme de la DEL, - dans le cas où la DEL possède une surface émissive recouverte d'une surface de protection plane transparente, la lentille boule comporte une troncature plane, - dans le cas où la DEL possède une surface émissive recouverte d'un dôme, la partie tronquée de la lentille boule comporte un orifice centré sur l'axe de la lentille boule qui a une dimension légèrement supérieure à celle du dôme, - la lentille boule est collée sur la DEL avec une colle transparente, - l'indice optique ne de la colle transparente est comprise en 1,45 et 1,55, - la colle transparente est par exemple la colle Norland Optical Adhesive 68®, - après collage, le centre de la zone émissive est à une distance du sommet de la lentille très proche de R+R/n pour que la réfraction sur la face de sortie de la lentille boule soit aplanétique, - une tolérance de positionnement en tout sens de la zone émissive par 25 rapport à la lentille boule égale à la moitié de la dimension latérale de ladite zone émissive est admise, - le miroir cylindrique a une directrice parallèle à l'axe d'alignement des DELs, - les DELs sont fixées sur un radiateur d'axe parallèle à l'axe d'alignement 30 des DELs, - le miroir cylindrique est dans un matériau choisi parmi l'aluminium, les alliages d'aluminium, une matière plastique, du verre ou leurs associations, - la surface réfléchissante du miroir cylindrique est traitée pour être réfléchissante, 35 - le traitement réfléchissant est un polissage, - le traitement réfléchissant est un dépôt d'une couche réfléchissante, - la/les radiations lumineuses des DELs sont choisies parmi des radiations blanches, des radiations colorées autres que blanches, ou leurs associations au sein de l'ensemble des DELs, - la/les radiations lumineuses sont variables en intensité et/ou longueur d'onde au cours du temps, - les DELs avec leurs lentilles boules et le miroir cylindrique sont dans un boîtier étanche possédant une fenêtre transparente. Ainsi, selon l'invention, la lumière émise par les DELs est réfléchie par un miroir cylindrique qui a une méridienne dont la courbure est variable afin de répartir uniformément la lumière sur la zone éclairée. La loi de variation de la courbure est calculée de façon à uniformiser au mieux l'éclairement en utilisant un lien mathématique entre les logiciels Excel® et Lighttools® permettant une optimisation par pas successifs. A titre d'exemple, un dispositif suivant l'invention, situé à 500 mm de la base d'un mur de 3 mètres de hauteur, permet, d'éclairer ledit mur sur toute sa hauteur avec une uniformité de +/- 10%. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'éclairage selon l'invention comprenant une ligne de cinq DELs avec les lentilles boules associées et un miroir cylindrique, pour des lignes plus longues le même schéma est reproduit autant de fois que nécessaire le long de l'axe d'alignement des DELs, La figure 2 est une vue en coupe, du dispositif dans un plan perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs, il comprend la DEL, la zone émissive, le dôme de la zone émissive qui peut être collé à la lentille boule, la lentille boule, le miroir cylindrique et la zone de concentration des rayons lumineux, La figure 3 est une vue en coupe de la lentille boule tronquée, La figure 4 est une vue en coupe d'une DEL dont la lentille de sortie est quasi plane non collée à la lentille boule, cette dernière tronquée par un plan poli et qui est disposé très près de la zone émissive de la DEL sans être collée, La figure 5 est une vue d'ensemble du dispositif d'éclairage disposé dans un boîtier étanche et de la surface éclairée, La figure 6 montre un exemple de la méridienne à courbure variable de la surface réfléchissante du miroir et la propagation des rayons lumineux, et La figure 7 est une vue d'ensemble du dispositif d'éclairage et de la surface éclairée. Comme le montre la figure 1 des dessins annexés, le dispositif d'éclairage 1 comprend plusieurs DELs 2 associées à un système optique complexe qui comprend des lentilles boule 3 collées aux DELs et un miroir cylindrique 4 dont la courbure est différente selon le point considéré le long dudit miroir dans la direction perpendiculaire à l'axe d'alignement des DEL et donc dans la direction de la surface à éclairer. Selon l'invention, la lentille boule 3, de rayon de courbure R, fabriquée dans un matériau d'indice n, est tronquée en sa partie inférieure suivant un plat 5 disposé de telle manière qu'il positionne la surface émissive de la DEL 6 à une distance du sommet 8 de la lentille boule approximativement égale à R+R/n de façon à ce que les réfractions des rayons lumineux 7 subissent une réfraction de type aplanétique. Le miroir cylindrique 4 est disposé et configuré de façon à éclairer uniformément la zone à éclairer 9. Le miroir est réalisé dans un matériau qui a un revêtement réfléchissant. Ce miroir peut avoir une forme plutôt concave ou plutôt convexe, le rayon de courbure local dans un plan perpendiculaire à l'axe d'alignement des LEDs étant variable et adapté à la configuration de l'éclairage à réaliser. Cette courbure locale dépend notamment de la distance et de la dimension de la zone à éclairer. Sur la figure 6 on visualise la méridienne à courbure variable de la surface réfléchissante du miroir ainsi que la propagation des rayons lumineux. Le tableau suivant donne la variation du rayon de courbure R de la méridienne représentée figure 6 en fonction de l'ordonnée Y. Le rayon de courbure correspond à l'inverse de la courbure. Y R 0 61.3 5 49.2 10 56.1 15 66.3 73.4 25 76.6 30 73.6 35 63.0 40 48.8 45 33.9 50 20.0 55 12.1 Le rayon de courbure local du miroir est calculé à partir des lois de l'optique géométrique et la déviation à appliquer à la lumière pour que le système composé de l'association de DELs avec leurs lentilles boules et le miroir ait une indicatrice donnée par la loi mathématique I = 1 cos(9)3 où I est l'intensité lumineuse en candelas dans la direction d'émission du faisceau optique du système, cette direction faisant un angle 9 avec l'axe horizontal comme cela est représenté Figure 7. Etant donné que l'on considère que par construction (les DELs sont relativement proches les unes des autres) l'uniformité de l'éclairage est obtenu dans une direction parallèle à celle de l'axe d'alignement des DELs, le calcul ne concerne en fait que la courbure du miroir dans une direction perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs. Les rayons de courbure le long de l'axe principal du miroir (axe qui est parallèle à l'axe d'alignement des DELs) sont identiques pour un même niveau le long d'un axe perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs. On rappelle en effet que l'axe principal du miroir est parallèle à l'axe d'alignement des DELs. Afin d'évacuer la chaleur dégagée, les DELs sont préférentiellement fixées sur un radiateur 11 parallèle à l'axe d'alignement des DELs. Dans l'exemple représenté Figure 5, le dispositif d'éclairage 1 est disposé dans un boîtier étanche 10 muni d'une fenêtre transparente 13 et peut ainsi éclairer une surface telle qu'un mur extérieur ou intérieur 9 à partir de la base du mur. Ainsi, le principe de base de l'invention consiste à interposer entre la DEL 2 et le miroir 4 un composant optique 3 d'indice n en verre ou en matériau plastique transparent, notamment à base de polycarbonate ou d'acrylique, qui permette une amélioration du rendement. 8 Ce composant optique 3 est préférentiellement une lentille boule, de rayon de courbure R, tronquée à sa base par un plan 5 est disposant d'un orifice 12 au centre de la zone plane, l'ensemble étant réalisé de façon à ce que la DEL et son élément transparent de protection ou dôme puisse s'insérer dans l'orifice 12 et de façon à ce que la surface émissive de la DEL soit à la distance R+R/n du sommet 8 de la lentille boule. Par exemple non limitatif pour une lentille boule de rayon de courbure 5 mm réalisée dans un plastique transparent tel le PMMA, la distance de la surface émissive de la DEL au sommet de la lentille boule doit être approximativement égale à 8,4 mm. Une incertitude de plus ou mois 0,5 mm est tolérable. Le collage de la DEL sur la lentille boule cumule deux avantages. Il permet une fixation solide de la lentille boule sur la DEL et évite ainsi une monture mécanique compliquée pour maintenir la lentille boule. En outre il évite les réflexions parasites sur la face de sortie du dôme de la DEL et de la face d'entrée des rayons lumineux dans la lentille boule, améliorant ainsi le rendement lumineux. On comprend bien que l'invention peut être déclinée selon de nombreuses autres possibilités sans pour autant sortir du cadre défini par la description et les revendications. Ainsi, si sur les Figures, l'axe principal d'émission lumineuse de chaque DEL est sensiblement perpendiculaire à la surface à éclairer, dans des variantes, cet axe peut être plus ou moins incliné et on en tient compte dans la position et forme du miroir. Par exemple, dans le cas de l'utilisation d'un miroir métallique, notamment en aluminium ou alliage d'aluminium, celui-ci peut également jouer le rôle de radiateur des DELs éventuellement en plus d'un radiateur de DELs. A cette fin, le bord du miroir opposé à celui du côté de la surface à éclairer se prolonge par un élément qui après une courbure vient se plaquer contre les DELS ou leur circuit imprimé pour évacuer la chaleur qu'elles produisent. De préférence, ce miroir métallique à fonction de radiateur est monobloc. Une telle disposition permet d'obtenir une solidarisation entre les DELs et le miroir et d'obtenir une relation dimensionnelle entre ces deux éléments (les DELs et le miroir) plus stable et précise. REVENDICATIONS1. Dispositif d'éclairage indirect à diodes électroluminescentes (2) comprenant un ensemble de diodes électroluminescentes ou DELs, alignées le long d'un axe d'alignement, les DELs étant associées à un système optique apte à récupérer le flux lumineux émis par lesdites DELs et à produire à distance, sur une surface (9), une zone lumineuse éclairée, ledit dispositif étant disposé latéralement par rapport à la surface à éclairer, caractérisé en ce que le système optique comprend, d'une part, sur chaque DEL une lentille (3) qui est une boule tronquée en matériau transparent, la DEL et la lentille boule étant assemblées ensembles de manière à ce que pour une lentille boule de rayon de courbure R et d'indice n, le centre de la zone émissive (6) de la DEL (2) soit à une distance du sommet (8) de ladite lentille boule égale à R+R/n pour que la réfraction soit aplanétique, et, d'autre part, un miroir cylindrique (4) renvoyant les rayons lumineux issus des DELs à lentilles boules vers la surface, l'axe principal du miroir cylindrique étant parallèle à l'axe d'alignement des DELs, la valeur du rayon de courbure en chaque point du miroir étant telle que le système composé de l'association de DELs avec leurs lentille boule et le miroir aient une indicatrice donnée par la loi mathématique I = 1 cos(9)3 où / est l'intensité lumineuse dans la direction d'émission du faisceau optique du système, cette direction faisant un angle 0 avec l'axe horizontal. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir a un rayon de courbure qui varie le long d'un plan perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs et la valeur du rayon de courbure en chaque point du miroir est telle que la zone lumineuse est éclairée sensiblement uniformément en terme d'éclairement. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la DEL possède coté émission lumineuse un élément transparent et que la lentille boule possède une troncature (5, 12) complémentaire de l'élémenttransparent de la DEL et dans le cas où la DEL possède un dôme, la lentille boule possède un orifice complémentaire pour loger ledit dôme de la DEL. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la lentille 5 boule est collée sur l'élément transparent de la DEL à l'aide d'une colle transparente. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le miroir cylindrique a une directrice parallèle à l'axe 10 d'alignement des DELs. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les DELs sont fixées sur un radiateur (11) d'axe parallèle à l'axe d'alignement des DELs. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le miroir cylindrique est dans un matériau choisi parmi l'aluminium, les alliages d'aluminium, une matière plastique, le verre ou leurs associations. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la/les radiations lumineuses des DELs sont choisies parmi des radiations blanches, des radiations colorées autres que blanches, ou leurs associations au sein de l'ensemble des DELs. 25 9. Dispositif selon la revendications 8, caractérisé en ce que la/les radiations lumineuses sont variables en intensité et/ou longueur d'onde au cours du temps. 30 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les DELs avec leurs lentilles boules et le miroir cylindrique sont dans un boîtier (10) étanche possédant une fenêtre (13) transparente 15 20