Brevet FR2989148A1 — publié le 20131011

Dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes à lentilles ellipsoïdales astigmates 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 concentré uniforme sur une ligne, et a pour objet un dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes dénommées DELs. Dans certains domaines ou certaines applications, il est nécessaire de disposer d'un éclairage répondant à certaines spécifications techniques, voire 10 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 industriels nécessitant un éclairage linéaire intense permettant le contrôle de la qualité des produits plats sortant à grande vitesse de la machine. 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 associés à une surface réfléchissante (réflecteur) et à une vitre de protection frontale, ils forment une ligne lumineuse de largeur typique de l'ordre de un à deux centimètres, cela sur une longueur allant de 20 quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres. Certains dispositifs utilisent des sources de type DELs blanches ou de couleur. Dans le cas de machines rapides telles que les papeteries ou les laminoirs, la grande vitesse de propagation du matériau à contrôler nécessite de la part du dispositif de prise de vue des temps de pose très courts (entre un dix-millième et un cent-millième de seconde) qui imposent un éclairement très important impossible à obtenir avec des dispositifs à tubes fluorescents. Les dispositifs équipés de lampes à incandescence peuvent fournir une ligne lumineuse permettant un très fort éclairement mais ils sont peu efficaces, émettent beaucoup de chaleur et ont une durée de vie en moyenne 10 à 50 fois plus courtes que les DELs. 30 Les dispositifs équipés de DELs n'ont pas les inconvénients précités mais nécessitent des systèmes optiques performants pour faire converger le rayonnement des DELs sur 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) - 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 40 dénommés collimateurs. 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 linéaire de grande longueur. Pour projeter ce rayonnement sur l'objet que l'on veut éclairer 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. 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 50 uniforme, délimité et localisé sur la zone utile. Pour obtenir une bande lumineuse intense avec une série de DELs, les DELs sont alignées sur support longitudinal parallèlement à une direction appelée axe du dispositif, elles sont séparées l'une de l'autre par une distance appelée pas, puis une simple lentille cylindrique dont les lignes directrices sont parallèles à l'axe permet alors la formation sur l'objet de la bande lumineuse par focalisation. La ligne de DELs est disposée sur un radiateur principalement en aluminium qui permet un refroidissement correct des DELs. Le rendement du système optique est le rapport entre le flux total émis par les DELs et le flux total qui permet l'éclairement de la bande lumineuse. 60 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 moins de DELs par mètre et permet de réduire les problèmes de refroidissement. L'utilisation d'une seule lentille cylindrique convergente fournit un rendement de l'ordre de 40%, il est primordial d'augmenter ce rendement. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif d'éclairage à diode, comprenant un ensemble de diodes électroluminescentes ou DELs, alignées parallèlement à un axe, associées à un système optique apte à récupérer une part 70 importante du flux lumineux émis par les DELs et à produire à distance une bande lumineuse sensiblement uniforme en terme d'éclairement, dispositif caractérisé en ce que le système optique comprend, d'une part, en face de chaque DEL une première lentille dont la face en regard de la DEL est plane ou concave et dont la deuxième face est de forme ellipsoïdale et, d'autre part, une deuxième lentille cylindrique d'axe parallèle à l'axe d'alignement des DELs. La DEL a préférentiellement une face d'émission plane ou courbe située au plus près de la première face plane ou concave de la lentille plan-convexe. La lentille ellipsoïdale est en matériau transparent, sa première face est plane ou concave et sa deuxième face possède deux plans de symétrie perpendiculaires 80 qui génèrent deux méridiennes principales de formes différentes. Les plans de symétrie se coupent suivant un axe qui est l'axe de la lentille et qui coupe la face convexe en son sommet. En ce sommet, les rayons de courbure suivant les deux méridiennes principales sont différents. Le premier plan de symétrie, parallèle à l'axe d'alignement des DELs, coupe la lentille plan-convexe suivant une méridienne sensiblement elliptique permettant une concentration optimale de lumière sur la ligne lumineuse. Le deuxième plan de symétrie, perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs, coupe la lentille suivant une méridienne préférentiellement circulaire de rayon de courbure plus grand que celui de la méridienne elliptique. 90 La différence de longueur des rayons de courbure pour les dits plans de symétrie rend la lentille astigmate. De ce fait elle possède des distances focales différentes suivant deux plans de symétrie perpendiculaires. La lentille ellipsoïdale est associée à une lentille cylindrique d'axe parallèle à l'axe d'alignement des DELs. Préférentiellement la méridienne de cette lentille cylindrique est asphérique. La combinaison des lentilles ellipsoïdales astigmates et de la lentille cylindrique permet une parfaite concentration de lumière sur la ligne lumineuse avec un excellent rendement. Dans un exemple de réalisation non limitatif la lentille ellipsoïdale est 100 plan-convexe d'épaisseur notée E et elle est réalisée dans un matériau transparent d'indice de réfraction noté N. Pour optimiser le rendu de l'éclairage en terme de concentration de lumière et d'uniformité la face convexe possède deux rayons de courbure suivant deux plans perpendiculaires. La méridienne dans le plan de coupe parallèle à l'axe des DELs est elliptique et a un rayon de courbure en son sommet proche de E(1-1/N). La méridienne dans le plan de coupe perpendiculaire à l'axe des DELs est circulaire et a un rayon de courbure proche de E/(1+1/N). Pour un indice de réfraction N proche de 1,5, le rayon de courbure de la méridienne circulaire est environ 1,8 fois celui de la méridienne elliptique. La lentille est ainsi astigmate et la distance focale de la lentille dans un plan perpendiculaire à l'axe des DELs est environ 1,8 fois 110 plus grande que sa distance focale dans le plan parallèle à l'axe des DELs. Le rapport des deux rayons de courbure de la face convexe doit être au moins égal à 1,5 pour obtenir un effet suffisant quel que soit le matériau composant la lentille. Le système optique comprend ainsi, associé à chaque DEL, une lentille ellipsoïdale astigmate ayant des distances focales différentes suivant deux plans perpendiculaires. Les lentilles ellipsoïdales peuvent avoir une face en regard de la DEL qui peut être plane ou concave. Chaque DEL étant associée à une lentille ellipsoïdale, il est avantageux de 120 lier les lentilles ellipsoïdales entre elles en réalisant une pièce moulée en matériau transparent comportant un certain nombre de lentilles. La lentille cylindrique permet une focalisation correcte du flux lumineux des DELs issu des lentilles ellipsoïdales à une distance variable du dispositif nécessitant une mise au point. Un réglage de distance entre la lentille cylindrique et les lentilles ellipsoïdales permet d'effectuer cette mise au point. Avantageusement la lentille cylindrique est plan-convexe, la méridienne de la face convexe est asphérique et cette lentille possède un réglage de mise au point. 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 130 expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : OXYZ est un trièdre trirectangle de l'espace orienté de telle façon que OX est la direction parallèle à l'axe d'alignement des DELs, OZ est la direction moyenne de propagation de la lumière émise par les DELs, OY est une direction perpendiculaire à OX et OZ. La figure 1 est une représentation schématique du dispositif dans le plan de symétrie XOZ du dispositif qui est parallèle à l'axe d'alignement des DELs. La figure 2 est une représentation schématique du dispositif dans le plan YOZ qui est perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs. La figure 3 est une représentation schématique de la lentille ellipsoïdale en 140 coupe dans un plan parallèle à l'axe d'alignement des DELs La figure 4 est une représentation schématique de la lentille ellipsoïdale en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs La figure 5 est une représentation schématique du dispositif comprenant une pièce moulée comportant 10 lentilles ellipsoïdales liées. Comme le montre les figures 1 et 2 des dessins annexés, le dispositif d'éclairage comprend plusieurs DELs (1) alignées suivant OX (7) associées à des lentilles ellipsoïdales astigmates (2) et une lentille cylindrique (3) d'axe parallèle à l'axe d'alignement des DELs. La lentille ellipsoïdale (2) possède une première face concave (4) située en 150 regard de la face de sortie de la DEL (1), un axe de propagation de la lumière suivant OZ (5) et une deuxième face convexe (6). La lentille cylindrique (3) est plan-convexe, la face convexe (8) a une méridienne non circulaire. La figure 3 est une représentation en coupe de la lentille ellipsoïdale (2) suivant le plan de symétrie XOZ. L'intersection de la face convexe (9) et du plan XOZ est une méridienne elliptique qui possède en son sommet un rayon de courbure RX. La figure 4 est une représentation en coupe de la lentille ellipsoïdale (2) suivant le plan de symétrie de la lentille parallèle à YOZ. L'intersection de la face convexe et de ce plan est une méridienne circulaire dont le rayon de courbure est RY 160 qui est environ 1,8 fois plus grand que RX. La distance focale de la lentille pour les rayons lumineux situés dans le plan YOZ est plus grande que la distance focale de la lentille pour des rayons situés dans le plan XOZ. Les différences entre les distances focales des deux plans de symétrie perpendiculaires rendent la lentille astigmate. La figure 5 est une représentation montrant la lentille cylindrique (12) et une série de 10 lentilles ellipsoïdales liées formant une pièce unique (11). Avantageusement cette pièce est moulée en plastique. REVENDICATIONS1. Dispositif d'éclairage à diode comprenant plusieurs diodes électroluminescentes ou DELs alignées suivant un axe associé à un système optique apte à produire une bande lumineuse sensiblement uniforme en termes d'éclairement caractérisé en ce que le système optique comprend, associé à chaque DEL, une lentille ellipsoïdale astigmate ayant des distances focales différentes suivant deux plans de symétrie perpendiculaires et une lentille cylindrique d'axe parallèle à l'axe des DELs. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la lentille ellipsoïdale a une face en regard de la DEL qui est concave. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la lentille ellipsoïdale a une face en regard de la DEL qui est plane. 4. Dispositif selon la revendication 1 à 3 caractérisé en ce que la lentille ellipsoïdale a une face convexe en regard de la zone à éclairer. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la face convexe de la lentille ellipsoïdale possède deux rayons de courbure dans deux plans perpendiculaires tels que le premier soit au moins 1,5 fois plus grand que le deuxième. 6. Dispositif selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que plusieurs lentilles ellipsoïdales sont liées en une pièce unique. 7. Dispositif selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la lentille cylindrique est plan-convexe. 8. Dispositif selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la lentille cylindrique a une face convexe de méridienne asphérique. 9. Dispositif selon les revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la lentille cylindrique possède un réglage de mise au point.