Brevet FR2963085A1 — publié le 20120127

i La présente invention concerne une lentille, ainsi qu'un modèle d'éclairage utilisant une telle lentille dans le but d'éclairer de manière sensiblement homogène une zone déterminée à éclairer. Un module d'éclairage incorporant une telle lentille peut notamment être utilisé dans l'éclairage public, plus particulièrement dans les têtes d'éclairage de candélabres, ainsi que dans le domaine de l'éclairage professionnel, par exemple pour éclairer les zones de travail. L'invention ne se limite cependant pas à ces deux domaines d'application privilégiés, mais peut s'appliquer à n'importe quel domaine où une zone déterminée doit être éclairée de io manière sensiblement homogène. La présente invention s'applique de manière privilégiée, mais non exclusive, au module d'éclairage utilisant une diode électroluminescente en tant que source lumineuse. Elle s'applique encore de manière plus privilégiée aux diodes électroluminescentes présentant une surface active de grande 15 taille, c'est-à-dire de l'ordre de 10 mm2 ou plus. Dans le domaine de l'éclairage public au moyen de candélabres, l'éclairage généré par le ou les module(s) d'éclairage intégré(s) dans la tête d'éclairage montée au sommet d'un mât doit être réparti de manière sensiblement homogène sur la totalité de la surface à éclairer. De manière 20 conventionnelle, il est prévu qu'un candélabre de 5 mètres de hauteur éclaire une zone rectangulaire de 20 m X 7 m. Lorsque le candélabre est situé au milieu du côté le plus long, il doit éclairer de manière symétrique deux zones faisant chacune 10 m X 7 m. Dans chacune de ces zones, l'éclairage doit être réparti de manière homogène. En d'autres termes, l'éclairement au pied 25 du candélabre ne doit pas être significativement plus grande qu'à l'extrémité diagonalement opposée de la zone à éclairer. De plus, l'éclairement varie selon une loi inverse au carré de la distance de la source à la zone éclairée. Dans l'art antérieur, on connaît déjà des candélabres utilisant une tête d'éclairage formée d'une rangée ou d'un réseau de diodes 30 électroluminescentes disposé(e) de manière appropriée pour éclairer de manière sensiblement homogène la zone à éclairer. En général, les diodes électroluminescentes utilisées sont des diodes de 1 watt présentant une surface active de l'ordre de 1 mm2. Il est même déjà prévu d'associer une lentille à chaque diode électroluminescente pour dévier les faisceaux lumineux issus des diodes électroluminescentes. Etant donné que les diodes électroluminescentes utilisées sont très petites et assimilables à un point, on peut utiliser une lentille asphérique classique ou collimateur présentant un axe de révolution. Ces lentilles ne sont absolument pas adaptées à des diodes électroluminescentes de grande taille, présentant une surface active de l'ordre de 10 mm2 ou plus, pour une puissance de 10 à 20 watts. La présente invention a pour but de concevoir une lentille io particulièrement bien adaptée aux diodes électroluminescentes de surface active de grande taille. La lentille de l'invention pourra toutefois être utilisée avec d'autres types de sources lumineuses. Le but de la lentille de l'invention est de distribuer de manière sensiblement ou parfaitement homogène les faisceaux lumineux issus d'une source lumineuse sur l'ensemble de la zone 15 à éclairer. Pour ce faire, la présente invention propose une lentille destinée à être associée à une source lumineuse pour constituer un module d'éclairage permettant d'éclairer une zone déterminée à éclairer, la lentille comprenant un corps massif, avantageusement en verre, définissant une face arrière 20 destinée à être orientée vers la source lumineuse, une face avant destinée à être orientée vers la zone à éclairer, la source lumineuse définissant un axe optique, caractérisée en ce que la face arrière comprend au moins un évidement localisé qui s'étend sur une partie mineure de la face arrière. Avantageusement, l'évidement est situé à proximité de l'axe optique. 25 Avantageusement, l'évidement est excentré par rapport à l'axe optique. Selon un mode de réalisation, l'évidement définit un bord périphérique de forme sensiblement elliptique. Avantageusement, l'évidement présente une surface lisse continue sans arête. Selon un mode de réalisation particulier, la lentille comprend au moins deux évidements en contact l'un de l'autre. 30 L'invention définit également un module d'éclairage pour éclairer de manière sensiblement homogène une zone déterminée à éclairer, le module comprenant une source lumineuse émettant des faisceaux lumineux et définissant un axe optique, et une lentille comprenant un corps massif, avantageusement en verre, définissant une face arrière destinée à être orientée vers la source lumineuse, une face avant destinée à être orientée vers la zone à éclairer, les faisceaux incidents lumineux émis par source lumineuse parvenant sur la face arrière avec un angle a par rapport à l'axe optique et les faisceaux lumineux réfractés quittant la face avant avec un angle R par rapport à l'axe optique, caractérisée en ce que la source lumineuse comprend une diode électroluminescente, présentant avantageusement une surface active supérieure ou égale à environ 10 mm2. io Avantageusement, la valeur de l'angle R répond, pour chaque faisceau lumineux incident d'angle a, à une fonction arc-tangente du type R = a.arctan (b.a + c) + d, le long d'au moins une première ligne traversant la zone à éclairer et contenant l'axe optique. Un principe intéressant du module d'éclairage de l'invention est 15 d'utiliser une lentille avec une face arrière pourvue d'un ou de plusieurs évidements permettant de faire disperser les faisceaux lumineux de manière à obtenir une répartition ou distribution sensiblement homogène à l'intérieur de la lentille, et de ce fait sur la totalité de la zone à éclairer. L'invention sera maintenant plus amplement décrite en référence aux 20 dessins joints donnant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention. Sur les figures : La figure 1 est une vue schématique montrant une zone à éclairer à l'aide d'un module d'éclairage selon l'invention, 25 La figure 2 est une vue schématique en coupe transversale à travers une lentille selon l'invention éclairée par une source lumineuse, Les figures 3, 4 et 5 sont des vues représentant une lentille réalisée selon l'invention, La figure 6 est un graphe représentant l'angle R en fonction de 30 l'angle a, La figure 7 est une représentation schématique représentant une zone à éclairer, La figure 8 est une vue en perspective d'une lentille selon l'invention, La figure 9 est une vue en coupe transversale à travers la lentille de la figure 8, La figure 10 est une représentation schématique visant à illustrer la trajectoire des faisceaux lumineux issus de la source et traversant la face arrière d'une lentille selon l'invention, Les figures 11 a et 11 b sont des graphes isolux correspondant respectivement à une lentille de l'art antérieur et à une lentille selon l'invention, et io La figure 12 est un graphe 13 = f(a) pour une lentille classique et pour une lentille selon l'invention. Il sera tout d'abord fait référence à la figure 1 pour décrire en détail le contexte dans lequel la lentille et le module d'éclairage de l'invention peuvent être mis en oeuvre. Pour illustrer l'invention, elle a été appliquée au domaine 15 technique de l'éclairage public, où l'on utilise des candélabres pour illuminer des espaces publics, comme par exemple une chaussée pour la circulation des véhicules automobiles. En général, de tels candélabres comprennent un mât A au sommet duquel est installée une tête d'éclairage comprenant un ou plusieurs module(s) d'éclairage M. Conventionnellement, la hauteur Z du mât 20 A est de l'ordre de 5 m. Toujours de manière conventionnelle, un candélabre A destiné à éclairer une chaussée doit couvrir de part et d'autre du candélabre une zone C dont la largeur Y est de l'ordre de 7 m et la longueur X est de l'ordre de 10 m. Au total, le candélabre doit donc couvrir une zone totale 2XC faisant 7 m X 20 m. Pour des raisons de simplicité, nous allons 25 considérer dans la suite de la description uniquement une zone C destinée à être éclairée par un ou plusieurs module(s) d'éclairage M selon l'invention. Chaque zone à éclairer C présente une forme généralement rectangulaire, qui définit ainsi quatre coins 1, 2, 3 et 4. En se référant à la figure 1, on peut voir que le module d'éclairage M est situé au niveau du coin 1, les coins 2 et 30 4 étant adjacents au coin 1 du module M, alors que le coin 3 est disposé de manière diagonalement opposée. On peut ainsi tracer la diagonale D partant du coin 1 et allant au coin 3. Cette diagonale D représente la distance la plus grande que le module d'éclairage M doit illuminer. En se référant à la figure 2, on peut voir de manière schématique un module d'éclairage M réalisé selon l'invention. Ce module d'éclairage comprend une source lumineuse S qui émet des faisceaux lumineux incidents Fi en direction d'une lentille L qui intègre l'esprit de l'invention. La source lumineuse S définit un axe optique O. Cette lentille L, qui est de préférence réalisée de manière monobloc en verre, comprend une face arrière Lr et une face avant Lf. La périphérie externe de la lentille est formée io par une couronne périphérique Lc de forme annulaire, circulaire, rectangulaire, polygonale, etc, qui s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe optique O de la source lumineuse. La lentille L est orientée par rapport à la source S de sorte que les faisceaux incidents Fi parviennent sur la lentille au niveau de sa face arrière Lr avec un angle a par 15 rapport à l'axe optique O de la source S. Cette face arrière Lr peut être parfaitement plane, mais peut également être profilée en fonction des applications. On verra ci-après certaines caractéristiques intéressantes de la face arrière Lr. Les faisceaux incidents Fi sont réfractés au niveau de la face arrière Lr et traversent le corps massif de la lentille sous la forme de 20 faisceaux FI. Ensuite, ces faisceaux FI traversent à nouveau la face avant Lf de la lentille où ils sont à nouveau réfractés pour former des faisceaux réfractés Fr qui font un angle R par rapport à l'axe optique O de la source S. Les faisceaux réfractés Fr ont une direction qui est différente des faisceaux incidents Fi, comme on peut le voir sur la figure 2. Il s'agit jusque là de 25 caractéristiques tout à fait classiques pour un module d'éclairage comprenant une source et une lentille optique. Cependant, dans le cadre de la présente invention, la lentille a pour but de répartir ou distribuer de manière sensiblement homogène les faisceaux lumineux Fr sur l'ensemble de la zone à éclairer C. Or, comme on 30 l'a vu sur la figure 1, le module d'éclairage M est situé au niveau d'un coin 1 de la zone à éclairer C, de sorte que la répartition ne peut être ni isotrope, ni linéaire car l'éclairement varie selon une loi inverse au carré de la distance de la source à la zone éclairée. Il faut que la lentille dévie les faisceaux lumineux incidents de telle manière à ce que les faisceaux réfractés Fr issus de la lentille L soient distribués de manière régulière et homogène sur l'intégralité de la surface de la zone à éclairer C. On comprend aisément, à la vue de la figure 1, que la lentille L ne peut pas être de révolution, ni même symétrique selon un axe quelconque. Sur la figure 2, la lentille L a été représentée en coupe le long de la diagonale D représentée sur la figure 1. On peut tout de suite remarquer que la face avant Lf définit une courbe de forme complexe présentant un point d'inflexion I. io Ainsi, selon l'invention, la face avant Lf de la lentille a été conçue en partant de deux paramètres angulaires, à savoir a et R, et en déterminant la relation qui les lie. En se référant à nouveau à la figure 2, on peut voir que la source lumineuse S définit un axe optique O qui est ici horizontal. Cet axe optique O est défini comme étant perpendiculaire au plan défini par la 15 surface active de la source lumineuse S. On verra ci-après quelle peut être la nature de cette source lumineuse pour optimiser la présente invention. L'angle a est l'angle que font les faisceaux incidents Fi issus de la source et orientés vers la face arrière Lr de la lentille L. Quant à l'angle 13, c'est l'angle que font les faisceaux réfléchis Fr issus de la face avant Lf de la lentille par 20 rapport à l'axe optique O de la source lumineuse. Certains faisceaux sont représentés sur la figure 2, ainsi que leurs angles a et 13 respectifs. Sur la figure 2, il a également été représenté l'axe optique 01 de la lentille qui traverse la face avant Lf de la lentille au niveau d'un point d'inflexion I formé par la face avant Lf. 25 Après de nombreuses tentatives et calculs de modélisation, les inventeurs sont parvenus à modéliser de manière mathématique la relation qui lie les angles a et R. Il en est ressorti que la valeur de l'angle a répond à une fonction mathématique arc-tangente du type 13 = a.arctan (13.a + c) + d, avec a, b, c et d étant des constantes liées à l'endroit où est réalisée la 30 coupe de la lentille. Cette relation mathématique est valable le long de la diagonale D, mais est également valable totalement ou en partie le long d'autres lignes, comme par exemple les lignes P0, P1 et P2 qui s'étendent de manière perpendiculaire à la diagonale D, comme on peut le voir sur la figure 1. Par exemple, la courbure de la face avant Lf de la lentille le long de la ligne PO est représentée sur la figure 5. La courbure de la face avant de la lentille est moins prononcée que celle au niveau de la diagonale D, et peut être construite à partir d'une courbe répondant à la relation R = a'.arctan (d'.a + c') + d' ou de plusieurs courbes (répondant à cette relation) raboutées de manière continue l'une à l'autre. Ceci est également valable pour la courbure de la face avant de la lentille le long des lignes perpendiculaires P1 et P2. Une représentation schématique en trois dimensions de la face avant io de la lentille représentée sur la figure 3. On peut remarquer que la configuration topographique de la face avant Lf est tellement complexe qu'il n'est pas possible de la définir à l'aide de termes. Le quadrillage qui est visible sur la face avant est totalement fictif, et n'est là que pour mieux visualiser la courbure complexe de la face avant. La courbe sensiblement 15 centrale et verticale représente la courbure représentée sur les figures 2 et 4. Quant à la courbure sensiblement horizontale et centrale, elle correspond à la courbure représentée sur la figure 5. En se référant à nouveau à la figure 1, on peut remarquer que l'axe optique O de la source lumineuse S est orienté de telle manière à couper la 20 diagonale D en un point optique CO. Pour obtenir une répartition homogène et régulière des faisceaux lumineux sur l'ensemble de la zone à éclairer C, le point optique Co a été positionné à 55% de la longueur de la diagonale D à partir du coin 1 où est situé le module d'éclairage M. Avec un tel positionnement, on garantit qu'il y a une répartition lumineuse homogène de 25 part et d'autre de l'axe optique O. Bien entendu, selon le cas d'utilisation et d'application, il est possible de déplacer quelque peu le point optique Co le long de la diagonale D, et même hors de la diagonale, si cela est nécessaire. Mais en règle générale, on peut dire que le point optique Co est positionné à 55% plus ou moins 10% de la longueur de la diagonale D à partir du coin où 30 est implanté le module d'éclairage M. En se référant à nouveau à la figure 2, on peut alors remarquer que les faisceaux réfractés Fr situés au-dessus de l'axe optique 0 sont ceux qui vont éclairer la partie de la zone C située entre le point optique Co et le coin 3, alors que les faisceaux réfractés Fr situés en-dessous de l'axe optique O vont éclairer la partie de la zone située entre le coin 1 et le centre optique Co. Les faisceaux réfractés Fr sont plus concentrés dans la partie qui est située au-dessus de l'axe optique O, et sont plus dispersés dans la partie située en-dessous de l'axe optique O. Ceci peut aisément se comprendre, étant donné qu'il faut plus de lumière pour éclairer correctement la partie de la zone C située entre le point optique Co et 3 que celle située entre le coin 1 et le point optique Co. On peut également remarquer sur la figure 1 que la ligne io perpendiculaire Po coupe de manière perpendiculaire la diagonale D au niveau du point optique Co. Quant à la ligne perpendiculaire P1, elle est située entre la ligne Po et le coin 3, alors que la ligne P2 est située entre le point optique CO et le coin 1. Comme on l'a décrit précédemment, la courbure de la face avant FI de la lentille répond le long de la diagonale D, et 15 des lignes perpendiculaires PO à P2 à la relation générale R = a.arctan (b a + c) + d, avec a, b, c et d variant en fonction de la ligne de coupe de la lentille. On peut ainsi construire une sorte d'ossature de courbure dans laquelle la courbure le long de la diagonale D constitue la colonne vertébrale avec les courbures le long des lignes PO à P2 constituant les vertèbres ou arêtes. A 20 partir de cette ossature, il est possible de construire la totalité de la surface de la face avant FI, par exemple à l'aide d'un algorithme de construction de surface qui est généralement intégré dans les logiciels de conception assistés pas ordinateur. C'est ainsi que la face avant FI représentée sur la figure 3 a été construite, et cette face avant permet de répartir de la manière 25 la plus homogène possible l'éclairement sur une zone à éclairer C tel que représenté sur la figure 1. Dans le cadre de la présente invention, on peut utiliser n'importe quelle source lumineuse, mais de préférence, on utilise une source lumineuse comprenant une diode électroluminescente. Encore plus 30 préférentiellement, on utilise une diode électroluminescente de grande taille, c'est-à-dire présentant une surface active supérieure ou égale à environ 10 mm2, et fournissant une puissance de l'ordre de 10 à 20 watts. Avec une seule de ces diodes électroluminescentes, et grâce à la lentille de la présente invention, il est possible d'éclairer une zone C de 7 m de largeur et de 10 m de longueur. Si l'on souhaite un éclairage plus puissant, il suffit d'installer deux modules d'éclairage selon l'invention pour la même zone à éclairer. Un tel module d'éclairage M utilisant la lentille L de l'invention est particulièrement approprié pour l'éclairage public, mais peut également être utilisé pour l'éclairage d'autres zones déterminées, comme par exemple une zone de travail, et plus généralement toute zone ou surface déterminée de io manière sensiblement ou parfaitement homogène. La lentille L comprend également une face arrière Lr qui peut être parfaitement plane, ou encore profilée de manière appropriée selon les cas d'utilisation. Cependant, il est prévu dans le cadre de l'invention d'optimiser la surface de la face arrière afin d'augmenter la répartition homogène des 15 faisceaux lumineux à l'intérieur de la lentille. En théorie, les sources lumineuses sont toujours considérées comme étant des sources ponctuelles monodimensionnelles. En réalité, les sources lumineuses définissent toutes une surface active bidimensionnelle, de sorte que les images de cette source à travers la lentille est projetée sur une zone déterminée à éclairer C sont 20 légèrement décalées et se superposent en certains endroits, où l'intensité est maximale. Ceci est représenté de manière schématique sur la figure 7 dans le cadre d'une source ayant une surface active sensiblement rectangulaire. On peut alors voir que les différentes images Csl à Cs5 de la source lumineuse se chevauchent et se superposent avec un maximum éclairement 25 située dans la partie centrale de la zone à éclairer C. Ceci est le cas lorsque l'on utilise une lentille classique présentant une face arrière Lr parfaitement plane. Sur la figure 11, une représentation isolux montre le pic d'éclairement au niveau de la zone centrale de la zone C. Un tel phénomène de pic central d'éclairement est particulièrement présent lorsque l'on utilise une source 30 lumineuse comprenant une diode électroluminescente ayant une surface active considérable, par exemple de l'ordre de 10 mm2. Pour palier cet inconvénient lié à une mauvaise distribution angulaire du flux lumineux dans 2963085 i0 la lentille, il est prévu selon l'invention de former la face arrière Lr avec un ou plusieurs évidement(s) Lo, comme on peut le voir sur les figures 8 et 9. Les évidements peuvent venir en contact l'un de l'autre, comme représenté sur la figure 8. Chaque évidement définit un bord périphérique Lb de forme ovale, 5 oblongue ou elliptique. La surface de l'évidement Lo est parfaitement lisse et sans discontinuité. La profondeur de l'évidement peut être de l'ordre de 0.5 à 2 mm. On peut remarquer que chaque évidement n'occupe qu'une partie infime de la surface totale de la face arrière Lr. On peut estimer que chaque évidement occupe entre 2 et 15% de la surface totale de la face arrière de la io lentille. Grâce à cette caractéristique particulière de la face arrière de la lentille, les faisceaux FI à l'intérieur de la lentille sont déviés de valeur An, comme on peut le voir sur la figure 10. Les faisceaux incidents Fi qui parviennent au niveau de l'évidement Lo sont réfractés d'une valeur An, 15 permettant ainsi de répartir de manière sensiblement homogène les faisceaux lumineux à l'intérieur de la lentille. Le résultat est représenté sur la figure 11 b : hormis quelques zones isolées, l'éclairement est pratiquement homogène sur la totalité de la zone à éclairer. L'effet de l'évidement Lo (ou des évidements) est également visible à partir du graphe de la figure 12 qui 20 représente deux courbes R = f(a), à savoir une courbe continue relative à une lentille classique à face arrière complètement lisse et une courbe modifiée partiellement relative à la lentille de l'invention avec ses deux évidements Lo. On peut voir que R est supérieur avec la lentille de l'invention pour des valeurs de a entre 0 et 40°. 25 Cette caractéristique de la face arrière de la lentille peut être mise en oeuvre de manière avantageuse et synergique avec les caractéristiques de la face avant décrite précédemment. Toutefois, la face arrière de l'invention peut également être mise en oeuvre avec d'autres formes de face avant sans sortir du cadre de l'invention. En effet, de tels évidements au niveau de la 30 face arrière de la lentille peuvent être mis en oeuvre à chaque fois qu'une Il répartition homogène des faisceaux lumineux est souhaitée à l'intérieur de la lentille. Le ou les évidement(s) Lo peuvent être situés sur ou à proximité de l'axe optique de la source lumineuse O, comme représenté sur la figure 10. Dans le cadre de la présente invention avec la face avant profilée, on peut prévoir deux évidements Lo comme représenté sur la figure 1 disposés de manière quelque peu excentrée par rapport à l'axe optique de la source lumineuse S. Grâce à l'invention, on peut utiliser des sources lumineuses ayant une io surface active importante, comme par exemple les diodes électroluminescentes, et obtenir une répartition lumineuse homogène sur une zone étendue. La lentille L présente une taille en rapport avec la source lumineuse : le diamètre ou la longueur de la lentille est de l'ordre de 3 à 8 cm. De ce fait, il est préférable de réaliser la lentille en verre, plutôt qu'en 15 matière plastique, en raison des phénomènes de retrait de matière bien connus dans le moulage de matière plastique, et qui n'existent pas avec les lentilles en verre. On améliore aussi de manière significative la durée de vie des optiques (UV, abrasion lors du nettoyage, possibilité de placer les optiques 20 directement en contact avec l'environnement extérieur). De plus le verre possède une très bonne transmission de la lumière et une forte constringence limitant les problèmes chromatiques. 20 REVENDICATIONS1.- Lentille (L) destinée à être associée à une source lumineuse (S) pour constituer un module d'éclairage (M) permettant d'éclairer une zone déterminée à éclairer (C), la lentille comprenant un corps massif, avantageusement en verre, définissant une face arrière (Lr) destinée à être orientée vers la source lumineuse (S), une face avant (Lf) destinée à être orientée vers la zone à éclairer (C), la source lumineuse (S) définissant un axe optique (0), caractérisée en ce que la face arrière (Lr) comprend au moins un évidement localisé (Lo) qui s'étend sur une partie mineure de la face arrière (Lr). 2.- Lentille selon la revendication 1, dans laquelle l'évidement (Lo) est situé à proximité de l'axe optique (0). 3.- Lentille selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'évidement 15 (Lo) est excentré par rapport à l'axe optique (0). 4.- Lentille selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'évidement (Lo) définit un bord périphérique (Lb) de forme sensiblement elliptique. 5.- Lentille selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'évidement (Lo) présente une surface lisse continue sans arête. 25 6.- Lentille selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins deux évidements (Lo) en contact l'un de l'autre. 7.- Module d'éclairage (M) pour éclairer de manière sensiblement 30 homogène une zone déterminée à éclairer (C), le module comprenant 12une source lumineuse (S) émettant des faisceaux lumineux et définissant un axe optique (0), et une lentille (L) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, les faisceaux incidents lumineux émis par source lumineuse parvenant sur la face arrière (Lr) avec un angle a par rapport à l'axe optique (0) et les faisceaux lumineux réfractés quittant la face avant (Lf) avec un angle 13 par rapport à l'axe optique (0), caractérisée en ce que la source lumineuse (S) comprend une diode électroluminescente, présentant avantageusement une surface active supérieure ou égale à environ 10 mm2. 8.- Module d'éclairage selon la revendication 7, dans lequel la valeur de l'angle R répond, pour chaque faisceau lumineux incident d'angle a, à une fonction arc-tangente du type R = a.arctan (b.a + c)+d, le long d'au moins une première ligne (D) traversant la zone à éclairer (C) et contenant l'axe optique (0).