Brevet FR3042587A1 — publié le 20170421

Domaine technique L'invention concerne un collimateur optique massique comprenant une calotte tronquée présentant une surface interne fonctionnant en réflexion total interne et ayant 5 une petite base s'ouvrant sur un évidement traversant en forme de tronc de cône coaxial à la calotte, et au centre de laquelle est destiné à être placée une source de lumière, et ayant une grande base réfractive de telle sorte que la lumière incidente émise par la source de 10 lumière est guidée en totalité par la surface interne vers la grande base de la calotte. L'invention concerne aussi des dispositifs d'éclairage comprenant de tels collimateurs optiques, et en particulier les dispositifs d'éclairages opératoires 15 utilisés notamment pour éclairer un champ opératoire médical. Technique antérieure De manière connue, dans un dispositif d'éclairage 20 pour éclairer un champ opératoire médical, un ou plusieurs systèmes optiques sont prévus dans une coupole d'éclairage pour faire converger la lumière émise par une source de lumière sur le champ opératoire pour notamment former une tache d'éclairement de dimension plus ou moins 25 grande. Ce système optique est généralement un collimateur standard massique qui se présente sous forme d'une calotte tronquée avec une surface interne fonctionnant en réflexion totale interne, la calotte ayant un évidement 30 sous forme d'un tronc de cône coaxial à la calotte, la grande base du tronc de cône étant ouverte et confondue 3042587 2 avec la petite base de la calotte. La source de lumière est placée au dessus de l'ouverture du tronc de cône, au niveau d'un fond de la calotte. Une lentille coaxiale à la calotte est agencée en dessous du tronc de cône de sorte à réfracter des faisceaux lumineux en direction du champ opératoire. Aujourd'hui, il y a une demande du monde médical d'avoir un éclairage opératoire capable de fournir des petites taches d'éclairement, de l'ordre de quelques centimètres, pour éclairer une zone du corps où on réalise des petites incisions par exemple. Il est connu, qu'avec un collimateur standard tel que décrit ci-dessus et une LED donnée comme source de lumière, il est nécessaire d'augmenter la hauteur et le diamètre du collimateur standard pour faire une petite tache d'éclairement par rapport à un collimateur standard qui donne une grande tache d'éclairement. Le collimateur standard dit « petite tache d'éclairement » sera alors beaucoup plus encombrant que le collimateur standard dit « grande tache d'éclairement ». Or, les fabricants de dispositifs d'éclairage opératoire cherchent à diminuer le volume et le poids des coupoles d'éclairage afin de faciliter leur manipulation par du personnel médical au dessus d'un champ opératoire. Le surplus de volume et de poids apporté par un collimateur standard « petite tache d'éclairement » n'est pas compatible avec la demande de fournir une coupole d'éclairage la plus fine et légère possible. D'autre part, les collimateurs standards massiques 30 tels que décrits ci-dessus sont réalisés par injection plastique. Or, le cout d'une pièce réalisée par injection 3042587 3 plastique est fortement lié à son épaisseur car elle a un impact sur le temps d'injection. Ainsi, un collimateur standard dit « petite tache d'éclairement » ayant une hauteur supérieure à un collimateur standard dit « grande 5 tache d'éclairement », sa durée de production augmentant, le coût de fabrication augmente. Enfin, il est connu que dans un collimateur standard, des rayons réfléchis par perte de Fresnel sur le cône coté LED passent par la lentille et prennent un chemin 10 optique non utile pour créer un halo parasite sur le champ opératoire qui est incommodant pour le personnel médical. De différents documents, on connait des dispositifs d'éclairage avec des collimateurs présentant des 15 modifications par rapport à un collimateur standard massique, mais ceux-ci ne permettent pas encore de répondre correctement à la demande petite tache d'éclairement. 20 Exposé de l'invention Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un collimateur optique massique avec une nouvelle structure. A cet effet, l'invention a pour objet un collimateur 25 optique massique comprenant une calotte tronquée présentant une surface interne fonctionnant en réflexion totale interne et ayant une petite base s'ouvrant sur un évidement traversant en forme de tronc de cône coaxial à la calotte et au centre de laquelle est destiné à être placée une source de lumière et ayant une grande base réfractive de telle sorte que la lumière incidente émise 3042587 4 par la source de lumière est guidée en totalité par la surface interne vers la grande base de la calotte, caractérisé en ce que l'évidement est disposé dans la calotte de telle sorte à présenter une petite base 5 ouverte et confondue avec la petite base de la calotte. Plus particulièrement, selon l'invention : - l'évidement débouche dans la grande base de la calotte ; - l'évidement comprend un premier évidement en tronc de 10 cône avec une petite base ouverte et confondue avec la petite base de la calotte et un second évidement coaxial sous le premier évidement et entre les deux évidements un épaulement annulaire porte un écran pour la lumière incidente ; 15 - l'écran est absorbant coté source de lumière ; - l'écran est diffusant coté source de lumière ; - l'écran est collé sur l'épaulement ; - l'épaulement forme une surface plane perpendiculaire à l'axe de la calotte ; 20 - le collimateur est rigide ; - le collimateur est en plastique injecté ; - le collimateur est en PMMA ; - un support du collimateur comprend des moyens de fixation de l'écran pour la lumière incidente. 25 L'invention s'étend à un dispositif d'éclairage comprenant un collimateur optique tel que défini plus haut et une source de lumière disposée au centre de la petite base de la calotte. Ce dispositif d'éclairage peut encore présenter la 30 particularité suivante : - la source de lumière peut être une LED. 3042587 5 Avec un tel agencement, on a donc un collimateur complètement évidé axialement, l'évidement étant traversant et se présentant en partie sous forme d'un tronc de cône renversé par rapport au tronc de cône d'un 5 collimateur massique standard. Ici le collimateur présente un trou à la place de la lentille normalement agencée dans un collimateur standard. Avec cet agencement, dans un dispositif d'éclairage la source de lumière peut être agencée au plus près du 10 collimateur. Le collimateur comporte une première interface optique utile correspondant aux parois du tronc de cône renversé qui réfractent la lumière, la lumière non réfractée débouchant sur un trou du coté de la grande 15 base du tronc de cône ; une seconde interface optique utile correspondant à la face interne de la surface externe du collimateur fonctionnant en réflexion totale interne ; une troisième interface optique utile annulaire en sortie de collimateur correspondant à la grande base 20 de la calotte tronquée pour réfracter la lumière vers un champ opératoire pour former une tache d'éclairement. Avec cet agencement, l'évidement traversant est une superposition de deux troncs de cône coaxiaux avec une interface ouverte, ou trou central, pouvant être masqué 25 avec un écran pour empêcher lumière émise en direct d'atteindre le champ d'éclairage. Ainsi, il n'y a plus de halos parasites sur le champ d'éclairage. Avec cet agencement, on obtient un collimateur pouvant former une petite tache d'éclairement présentant 30 une hauteur réduite, donc un coût de fabrication réduit. 3042587 6 L'invention s'étend encore à un dispositif d'éclairage opératoire, comportant une coupole d'éclairage avec plusieurs dispositifs d'éclairage tels que définis plus haut. 5 Avec cet agencement la coupole d'éclairage du dispositif d'éclairage opératoire présente un encombrement réduit et permet de produire sur le champ opératoire une petite tache d'éclairement de 4 à 30 centimètres de diamètre lorsque la coupole d'éclairage 10 est à une distance entre 70 et 150 centimètres du champ opératoire. Présentation des dessins La présente invention sera mieux comprise et d'autres 15 avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective 20 d'un dispositif d'éclairage opératoire selon l'invention utilisé dans un bloc opératoire ; la figure 2 est une vue schématique en perspective du dessous d'une coupole d'éclairage comportant des collimateurs selon l'invention ; 25 - la figure 3 est un schéma de principe illustrant la réflexion totale interne et la réfraction des rayons lumineux produits par une source de lumière dans un collimateur massique de l'état de l'art ; la figure 4 est un schéma de principe illustrant la 30 réflexion et la réfraction des rayons lumineux 3042587 7 produits par une source de lumière dans un collimateur massique selon l'invention ; - la figure 5 est une vue schématique de profil d'un collimateur massique selon l'invention ; 5 Description d'un exemple de réalisation La figure 1 illustre un dispositif d'éclairage opératoire 1 selon l'invention qui est utilisé dans un bloc opératoire pour former une tache d'éclairement 2 de 10 petite dimension sur un champ opératoire 3, par exemple sur le corps d'un patient opéré par un chirurgien 4. Le dispositif d'éclairage 1 présente ici une coupole d'éclairage 5 du type suspendue au plafond du bloc opératoire par l'intermédiaire d'un bras de suspension 6 15 articulé. Comme illustré schématiquement sur la figure 1, la coupole d'éclairage 5 présente ici une pluralité de quartiers formant autant de modules d'éclairage M différents. 20 Chaque module d'éclairage tel que Ml, M2 peut être pourvu d'une pluralité de sources de lumière associées respectivement à une pluralité de collimateurs qui sont orientés pour concentrer les flux lumineux des sources de lumière sur la tache d'éclairement 2 qui est centrée dans 25 l'axe d'éclairement AA de la coupole d'éclairage 5. La tache d'éclairement 2 est typiquement située entre 0,7 et 1,5 mètre de la coupole d'éclairage 5. De façon générale, la tache d'éclairement 2 peut avoir un diamètre de quelques centimètres à plusieurs 30 dizaines de centimètres. 3042587 8 Les sources de lumière dans les différents modules Ml, M2 sont ici alimentées sélectivement et individuellement en courant par une ou plusieurs unités d'alimentation électrique couplées à une unité de 5 contrôle/commande (non représentées). Les différentes sources de lumière peuvent donc être alimentées avec des courants ayant des intensités I différentes et variables. La figure 2 illustre un exemple de coupole d'éclairage 5 vue de dessous sur laquelle on peut 10 distinguer des profils de collimateurs 6, 6' issus de plusieurs modules d'éclairage M. La figure 3 illustre un collimateur standard 6 massique selon l'état de l'art. Le collimateur standard se présente sous forme d'une calotte tronquée avec une 15 surface interne 10 fonctionnant en réflexion totale interne. La calotte tronquée a une petite base et une grande base. Du coté de la petite base, la calotte a un premier évidement sous forme d'un tronc de cône 7 coaxial à la calotte, la grande base du tronc de cône 7 étant 20 ouverte et confondue avec la petite base de la calotte. La petite base de l'évidement en forme de tronc de cône 7 est fermée. Les deux surfaces internes du tronc de cône 7 et la petite base du tronc de cône 7 réfractent les faisceaux de lumière incidente émis par une source de 25 lumière 8 placée au dessus de l'ouverture du tronc de cône 7, au niveau d'un fond de la calotte. Un second évidement 9 coaxiale à la calotte et au premier évidement est agencé en dessous du tronc de cône 7. Ce second évidement 9 présente une interface optique 30 comme une lentille, de sorte à réfracter des faisceaux lumineux reçus en direction du champ opératoire 3. 3042587 9 La surface interne 10 réfléchie les faisceaux lumineux reçus, en direction du champ opératoire 3. De manière connue, le collimateur 6 standard combine la lumière réfractée par l'interface optique 9 et la 5 lumière réfléchie par la surface interne 10 en un point sur le champ opératoire de sorte à former une tâche d'éclairement 2. La figure 4 illustre un collimateur 6' selon l'invention. Le collimateur 6' selon l'invention se 10 présente ici sous forme d'une calotte tronquée, avec une surface interne 10' fonctionnant en réflexion total interne. Cette calotte s'étend suivant une direction axiale XX' entre une petite base 11' et une grande base 12'. 15 Une source de lumière 8', une LED par exemple, est agencée centralement par rapport à la petite base 11' de la calotte tronquée. Le collimateur 6' guide les faisceaux de lumière vers la grande base 12'. La petite base 11' s'ouvre sur un évidement 7' 20 traversant. Cet évidement a la forme d'un tronc de cône agencée axialement à la calotte avec une petite base ouverte et confondue avec la petite base 11' de la calotte, et une grande base orientée vers la grande base 12' de la calotte. 25 L'interface optique formée par les parois de l'évidement 7' réfracte la lumière émise par la source de lumière 8' vers la surface interne 10' de la calotte. Selon l'invention, et comme visible sur les figures 4 et 5, l'évidement comprend un premier évidement en forme 30 de tronc de cône 7' avec la petite base ouverte et confondue avec la petite base 11' de la calotte et un 3042587 10 second évidement, ici sous forme d'un second tronc de cône, est agencé coaxialement sous le premier évidement. L'évidement, comprenant les premier et second évidements, étant traversant, il débouche dans la grande base 12' de 5 la calotte, et présente ainsi un trou en direction du champ opératoire 3. Entre les premier et second évidements, il est prévu un épaulement 14' annulaire formant une surface plane perpendiculaire à l'axe de la calotte ou un méplat, visible sur la figure 5. 10 Sur cet épaulement 14' peut être agencé un écran de sorte à empêcher les faisceaux lumineux de passer par le trou. L'écran 13' peut être absorbant ou diffusant du coté source de lumière 8'. L'écran 13' peut par exemple se 15 présenter sous forme d'une gommette ou pastille collée sur le méplat de sorte à boucher le trou. L'écran 13' peut aussi être se présenter sous la forme d'un cache intégré par tous moyens de fixation connus au support du collimateur 6' dans la coupole d'éclairage 5. L'écran 13' 20 peut aussi être bouterollé. L'écran 13' peut être clipsé. Il est à noter qu'ici seul le premier évidement en forme de tronc de cône 7' est fonctionnel optiquement. Il pourrait aussi y avoir plus de deux évidements agencés coaxialement. 25 Comme illustré sur figure 5, du fait de l'évidement traversant, la grande base 12' de la calotte du collimateur 6' massique est une interface optique annulaire 15' qui est réfractive de sorte à focaliser les faisceaux lumineux en direction du champ opératoire 2 30 pour former la tache d'éclairement 3. La grande base 12' peut être plane, mais selon 3042587 11 l'invention elle pourrait aussi être concave ou convexe. Dans certaines conditions, la grande base 12' pourrait aussi posséder une structure à micro-lentilles. Le collimateur 6' massique selon l'invention est 5 rigide. Le collimateur 6' massique est fabriqué en plastique injecté, comme visible en partie sur la figure 5. Il peut être en poly(méthacrylate de méthyle) ou PMMA. Le collimateur 6' pourrait aussi être usiné 10 directement dans la masse de plastique. Comme énoncé précédemment avec un collimateur standard tel qu'illustré sur la figure 3 et une LED donnée, pour faire une petite tache d'éclairement il est nécessaire d'augmenter la hauteur et le diamètre du 15 collimateur standard par rapport à un collimateur standard qui donne une grande tache d'éclairement. A titre d'exemple, pour une source de lumière à LED donnée, pour former une tache d'éclairement de 215 mm de diamètre avec un rendement optique de 80%, un collimateur 20 standard doit mesurer 26 mm de diamètre et 14 mm de hauteur. Avec la même LED, pour former une tache d'éclairement de 63 mm de diamètre avec un rendement optique de 72%, le collimateur standard doit mesurer 92 mm de diamètre et 52 mm de hauteur. Donc de manière 25 connue, pour une LED donnée, plus on veut une petite tache d'éclairement, plus les diamètres et hauteurs du collimateur sont grands. Toujours avec la même LED, pour former une tache d'éclairement de 79 mm de diamètre, le collimateur 30 standard doit avoir un diamètre de 85 mm et une hauteur de 48 mm, alors que pour former la même tache 3042587 12 d'éclairement, un collimateur selon l'invention présente un diamètre de 74 mm et une hauteur de 26mm. Ainsi, pour obtenir une même tache d'éclairement il est possible d'avoir un gain de 46% sur la hauteur du collimateur en 5 utilisant un collimateur selon l'invention. Avec un collimateur selon l'invention, il est alors possible de diminuer l'épaisseur d'une coupole d'éclairage d'un dispositif d'éclairage opératoire. De plus, la hauteur du collimateur selon l'invention étant réduit par rapport à 10 un collimateur standard, le cout du collimateur selon l'invention réalisé en plastique injecté est donc réduit. Dans un dispositif d'éclairage opératoire 1, chaque module d'éclairage M peut être pourvu d'une pluralité de sources de lumière 8' associées respectivement à une 15 pluralité de collimateurs 6' selon l'invention qui sont alors orientés pour concentrer les flux lumineux des sources de lumière 8' sur la tache d'éclairement 2 qui est centrée dans l'axe d'éclairement AA de la coupole d'éclairage 5. 20 Selon l'invention, la petite tache d'éclairement formée a un diamètre entre 4 et 30 centimètres lorsque la coupole d'éclairage 5 est à une distance entre 70 et 150 centimètres du champ opératoire. Dans une coupole d'éclairage 5, il est possible 25 d'avoir un mélange de collimateurs 6 standards pour faire une grande tache d'éclairement et de collimateurs 6' selon l'invention pour faire une petite tache d'éclairement. Selon l'invention, en pilotant séparément les 30 courants des LEDs couplées aux collimateurs 6 standards de ceux des LEDs couplées aux collimateurs 6' selon 3042587 13 l'invention, on peut ajuster le diamètre de la tache d'éclairement. Dans une coupole d'éclairage 5, il serait aussi possible d'avoir un mélange de collimateurs 6' selon 5 l'invention pour faire différentes petites taches d'éclairement, de diamètre dl et d2, avec dl différent de d2, en combinaison ou pas de collimateurs 6 standards pour faire une grande tache d'éclairement. Selon l'invention, la source de lumière 8' peut être 10 une LED, une LED COB, une diode laser couplée à un élément de phosphore, une LED multichip de couleur, ou encore une matrice de LEDs. Selon l'invention, la source de lumière 8' peut être agencée au plus près du collimateur 6'. Les rayons 15 proches de l'axe seront perdus, entrainant une perte d'énergie lumineuse. Néanmoins, cette perte d'énergie lumineuse n'est pas très importante car pour former une petite tache d'éclairement, moins d'énergie lumineuse est demandée. 20 Il va de soi que la présente invention ne saurait être limitée à la description qui précède de certains modes de réalisation, susceptibles de subir quelques modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 25 REVENDICATIONS1. Collimateur (6') optique massique comprenant une calotte tronquée présentant une surface interne (10') fonctionnant en réflexion totale interne et ayant une petite base s'ouvrant sur un évidement traversant en forme de tronc de cône (7') coaxial à ladite calotte et au centre de laquelle est destiné à être placée une source de lumière (8') et ayant une grande base réfractive de telle sorte que une lumière incidente émise par ladite source de lumière (8') est guidée en totalité par ladite surface interne (10') vers ladite grande base de ladite calotte, caractérisé en ce que ledit évidement est disposé dans ladite calotte de telle sorte à présenter une petite base ouverte et confondue avec ladite petite base de ladite calotte. 2. Collimateur (6') optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit évidement débouche dans ladite grande base de ladite calotte. 3. Collimateur (6') optique selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit évidement comprend un premier évidement en tronc de cône (7') avec une petite base ouverte et confondue avec ladite petite base de ladite 25 calotte et un second évidement coaxial sous ledit premier évidement et entre lesdits deux évidements un épaulement (14') annulaire porte un écran (13') pour ladite lumière incidente. 3042587 15 4. Collimateur (6') optique selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit écran (13') est absorbant coté source de lumière (8'). 5 5. Collimateur (6') optique selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit écran (13') est diffusant coté source de lumière (8'). 6. Collimateur (6') optique selon les revendications 3 à 10 5 caractérisé en ce que ledit écran (13') est collé sur ledit épaulement (14'). 7. Collimateur (6') optique selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit épaulement (14') forme une 15 surface plane perpendiculaire à l'axe de ladite calotte. 8. Collimateur (6') optique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est rigide. 20 9. Collimateur (6') optique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est en plastique injecté. 10. Collimateur (6') optique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est en PMMA. 11. Collimateur (6') optique selon la revendication 3, 30 caractérisé en ce qu'un support du collimateur comprend 3042587 16 des moyens de fixation dudit écran (13') pour ladite lumière incidente. 12. Dispositif d'éclairage (1), caractérisé en ce qu'il 5 comprend un collimateur (6') optique selon l'une des revendications précédentes et une source de lumière (8') disposée au centre de ladite petite base (11') de ladite calotte. 10 13. Dispositif d'éclairage selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite source de lumière (8') est une LED. 14. Dispositif d'éclairage opératoire, caractérisé en ce 15 qu'il comporte une coupole d'éclairage (5) avec plusieurs dispositifs d'éclairage (1) selon l'une des revendications 12 et 13.