Brevet FR3030061A1 — publié le 20160617

Matériau diffusant Objet de l'invention La présente invention concerne le domaine des matériaux diffusants, notamment pour la réalisation de sources lumineuses diffuses de forte puissance sans échauffement et la réalisation de fibres optiques présentant une zone diffusante radialement. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet international WO 2008045181 décrivant un matériau pour diffuseur global de lumière à base d'un copolymère séquencé hydrogéné, mais comprenant un composant diffuseur de lumière particulaire. Il peut se présenter sous la forme d'un film, d'une feuille ou d'un article moulé. La demande de brevet EP 2321675 décrit un composant optique diffuseur de lumière et son procédé de fabrication. Le composant comprend au moins un matériau de substrat ayant un indice de réfraction de n1 et au moins un revêtement optique sur le substrat ayant un indice de réfraction de n2. Les indices n1 et n2 sont différents. Le composant optique diffuseur de lumière produit un motif de lumière uniforme et diffus à partir d'une source de lumière concentrée, telle une lampe à DEL, présentant une transmission optique élevée. La transmission optique est supérieure à 90 % dans la partie visible du spectre de la lumière. Le brevet US5337381 décrit une fibre optique diffusante. La fibre optique cylindrique présente à une extrémité un diffuseur de lumière à usage médical non gainée. Un manchon en contact avec la portion de gaine de la fibre définit une chambre fermée à l'extrémité distale de la fibre. La chambre est remplie avec un matériau de diffusion de lumière. La 3030061 - 2 distribution de la lumière de sortie très homogène sur les pièces de diffuseur et est capable de transporter des densités de puissance relativement élevées. Le brevet américaine US 5219346 décrit un diffuseur 5 de lumière pour une thérapie photo-dynamique de tumeurs dans l'oesophage d'un patient. Une extrémité tubulaire de la fibre optique comprend une composition chargée de particules et est fermée par un miroir à l'extrémité avant située en face de la fibre optique. Les grains de particules déviant la lumière 10 présentent un diamètre supérieur à la longueur d'onde de la lumière et ont un indice de réfraction différent de l'indice de réfraction de la composition ou masse. La demande internationale W0200655554 décrit une tête de diffusion lumineuse contentant un milieu de diffusion 15 lumineuse monolithique. Ce milieu de diffusion lumineuse monolithique comprend une première région de diffusion situé à une première position, cette région de diffusion possédant une première propriété de diffusion et, une seconde région de diffusion située à une seconde position, cette seconde région de 20 diffusion possédant une seconde propriété de diffusion différente de la première propriété de diffusion, la première région de diffusion et la seconde région de diffusion sont coextensives le long d'une partie substantielle d'une longueur du boîtier. 25 Inconvénient de l'art antérieur. Les solutions de l'art antérieur mettent en oeuvre des charges diffusantes, absorbant une partie de la lumière. Ces 30 charges produisent perte d'efficacité en raison de l'absorption partielle, et un échauffement du matériau dans lequel elles sont incorporées. Le rendement optique est donc dégradé, une partie de l'énergie lumineuse incidente étant convertie en chaleur. 35 Pour des applications telles que des fibres endoscopiques, un tel échauffement est préjudiciable. 3030061 - 3 Solution apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention 5 concerne selon son acception la plus générale un élément diffuseur de lumière caractérisé en ce qu'il est constitué par une matrice en silicone transparente chargée avec des microbilles de fumée de silice transparentes. Les microbilles de fumée de silice sont transparente 10 et présente un indice de réfraction intermédiaire entre celui de l'air et celui du silicone, également transparent. L'interaction entre la lumière entrante et l'élément se fait donc non pas par diffusion sur les microbilles, mais par des phénomènes de réfractions multiples, selon des directions aléatoires. On évite 15 ainsi les phénomènes d'échauffement et de perte lumineuse. Par ailleurs, la multiplicité des réfractions au sein de la matrice chargée et à l'intérieur des microbilles assure une parfaite homogénéité de la diffusion. Selon un exemple de mise en oeuvre, l'élément selon 20 l'invention est formé par une pièce cylindrique présentant une surface d'entrée frontale et une zone de sortie cylindrique. Selon une variante, il présente à l'extrémité frontale opposée à la surface d'entrée un miroir. Selon un mode de réalisation particulier, l'élément 25 selon l'invention présente à l'extrémité frontale opposée à la surface d'entrée un bouchon en céramique liquide. Selon un autre exemple de réalisation, l'élément diffusant est formé par surmoulage d'une source lumineuse. De préférence, une partie au moins des microbilles de 30 fumée de silice est creuse. De préférence, la concentration de microbilles décroit depuis la surface d'entrée de lumière et selon l'axe d'illumination. L'invention concerne également une fibre optique 35 constituée par une âme guide d'onde et une gaine caractérisée en ce qu'elle est munie à l'une de ses extrémités d'un élément 3030061 - 4 - diffuseur constitué par une matrice en silicone chargée avec des microbilles de fumée de silice. Avantageusement, ladite matrice en silicone chargée est coulée dans un manchon présentent apte à être enfilée sur 5 l'extrémité de l'âme de la fibre. L'invention concerne aussi l'application d'une telle fibre optique pour la photothérapie. L'invention concerne aussi une source lumineuse constituée par un ensemble de diodes électroluminescentes 10 enrobées d'une matrice en silicone chargée avec des microbilles de fumée de silice. L'invention concerne également un procédé de préparation de microbilles de fumée de silice creuses pour la réalisation d'éléments diffusants caractérisé en ce qu'il 15 comporte une étape de séparation de microbilles de fumée de silice par densimétrie dans un fluide de densité inférieure à la densité moyenne des fumée de silice et de récupération du surnageant. 20 Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à des exemples de réalisations non limitatives illustrées par les dessins annexés où : 25 - la figure 1 représente une vue schématique d'une première application de l'invention, sous la forme d'un diffuseur pour fibre optique - la figure 2 représente une vue schématique des interactions optiques dans le diffuseur selon l'invention 30 - la figure 3 représente une vue schématique d'une variante de réalisation du diffuseur. La figure 1 représente une vue schématique d'une fibre selon l'invention. Elle est constituée de manière connue 35 par un coeur optique (1) en verre ou en polymère entouré par une 3030061 - 5 - gaine (2) formée par un revêtement en composé tétra-fluoré tel que du Tefzel (nom commercial). A son extrémité distale, la fibre est dénudée par retrait d'un tronçon de gaine qui est remplacé par un manchon 5 tubulaire (3), de même nature que la gaine (2). Ce manchon (3) est rempli d'un substrat (4) en silicone transparent chargé de microbilles transparentes de fumée de silice. La zone d'entrée (6) est raccordée à l'extrémité frontale du coeur optique (1) de la fibre optique, et le 10 rayonnement incident axial est transformé, par réfractions multiples et non pas par réflexion ou diffusion, en une sortie radiale vers une surface de sortie cylindrique. Le substrat, de préférence du silicone transparent, est un liant à bas indice optique, de 1,3 par exemple. Un gel 15 polymérisable de silicone est particulièrement adapté en raison de sa grande stabilité, sa grande transparence et de sa résistance à des températures élevées. Dans l'exemple non limitatif décrit, un miroir (5) ferme l'extrémité frontale du manchon (3). Ce miroir (5) peut 20 être constitué par un bouchon de céramique liquide. La fumée de silice désigne un matériau pulvérulent formé de microbilles de silices, transparentes et présentant une section variant entre quelques microns et un millimètre. Généralement, la fumée de silice est constituée par un mélange 25 de microbilles creuses, et de microbilles pleines ou cassées. Pour augmenter le nombre d'interaction de réfraction, il est opportun d'augmenter le nombre de microbilles creuses. Pour les microbilles creuses, un faisceau lumineux est réfracté une première fois à l'interface matrice/enveloppe de silice, une 30 deuxième fois à l'interface enveloppe de silice/air contenu à l'intérieur de la microbille, une troisième fois à l'interface air/surface intérieur de l'enveloppe de la bille, et une quatrième fois à l'interface de sortie enveloppe/matrice. Si le faisceau incident présente un angle d'incidence plus élevé, il 35 va se propager dans l'enveloppe de la microbille, par un jeu de réfractions multiples. 3030061 - 6 - Comme représenté schématiquement en figure 2, on augmente ainsi significativement les modifications de trajets optiques, de manière aléatoire, ce qui assure une parfaite homogénéité omnidirectionnelle de la diffusion, sans perte par 5 absorption ni échauffement. Ces performances sont vérifiées sur une grande plage de longueur d'onde allant de l'infra-rouge à l'ultraviolet (400 à 1000 nm). Afin d'augmenter le pourcentage de microbilles creuses dans la fumée de silice, une solution consiste à plonger 10 la fumée de silice dans un liquide de densité proche de la densité de la fumée de silice. Les microbilles cassées ou pleines se déposent au fond, alors que les microbilles creuses forme un surnageant qui est récupéré pour l'incorporation dans un substrat en silicone. 15 La figure 3 représente une vue schématique d'une variante de réalisation du diffuseur. Le substrat (4) présente des charges de concentration croissante, et dans l'exemple décrit présente trois zones consécutives (41, 42, 43) coulées 20 successivement dans le manchon (3) pour former un gradient de concentration permettant de compenser l'affaiblissement lumineux sur le trajet optique à l'intérieur du diffuseur. Les solutions décrites concernent un diffuseur pour 25 fibre optique, mais l'invention ne se limite pas à cette application. Le diffuseur peut également être moulé sur un ensemble de diodes électroluminescentes, sur une source lumineuse quelconque ou encore formé un accessoire pour diffuser la lumière émise par une source ponctuelle ou un faisceau 30 lumineux. REVENDICATIONS1. Elément diffuseur de lumière caractérisé en ce qu'il est constitué par une matrice en silicone transparente chargée avec des microbilles de fumée de silice transparentes. 2 Elément diffuseur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est formé par une pièce cylindrique présentant une surface d'entrée frontale et une zone de sortie cylindrique. 10 3 - Elément diffuseur selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il présente à l'extrémité frontale opposée à la surface d'entrée un miroir (5). 4 - Elément diffuseur selon la revehtlication 2 caractérisé en ce qu'il présente à l'extrémité frontale opposée 15 à la surface d'entrée un bouchon en céramique liquide. - Elément diffuseur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est formé par surmoulage d'une source lumineuse. 6 Elément diffuseur selon l'une au moins des 20 revendications précédentes caractérisé en ce qu'une partie au moins des microbilles de fumée de silice est creuse. 7 - Elément diffuseur selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que la concentration de microbilles décroit depuis la surface d'entrée de lumière et__*inon l'qxe 25 d'illumination. 8 - Fibre optique constituée par une âme guide d'onde et une gaine caractérisée en ce qu'elle est munie à l'une de ses extrémités d'un élément diffuseur constitué par une matrice en silicone chargée avec des microbilles de fumée de silice. 30 9 - Fibre optique selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite matrice en silicone chargée- est coulée dans un manchon présentent apte à être enfilée sur l'extrémité de l'âme de la fibre. - Application d'une fibre optique selon l'une des 35 revendications 8 ou 9 pour la photothérapie. 11 - Source lumineuse constituée par un ensemble de diodes électroluminescentes enrobées d'une matrice en silicone chargée avec des microbilles de fumée de silice. 12 - Procédé de préparation de microbilles de fumée de silice creuses caractérisé en ce qu'il comporte une étape de séparation de microbilles de fumée de silice par densimétrie dans un fluide de densité inférieure à la densité moyenne des fumée de silice et de récupération du surnageant. 10