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Guide optique de lumière
La présente invention concerne un guide optique de lumière du type gaine-âme pour la transmission de lumière et en particulier pour la transmission à distance de traits continus lumineux.
Il est déjà connu, notamment par la demande de brevet japonais 23165/78, de réaliser un guide optique en matières thermoplastiques constitué par un assemblage de fibres optiques de section droite non circulaire et résistantes aux sollicitations mécaniques. Pour faciliter l'assemblage des fibres, celles-ci sont de préférence de section carrée, rectangulaire ou hexagonale, les dimensions de la section étant de l'ordre de quelques millimètres. Cet assemblage de fibres optiques en vue de réaliser un guide optique présente néanmoins trois inconvénients : la lumière transmise se présente sous forme de points discrets illuminés, l'encombrement est important et le raccordement entre les extrémités des fibres optiques présente des problèmes. Ainsi, un tel guide optique ne peut convenir pour réaliser, par exemple, des lettrages facilement lisibles.
La présente invention vise dès lors à fournir un guide optique de lumière du type gaine-âme de section droite constante allongée apte à la transmission de la lumière par des traits continus lumineux, sans présenter les inconvénients susmentionnés.
Le guide optique selon l'invention peut en outre être utilisé comme panneau de signalisation ou publicitaire ou encore comme élément décoratif en enlevant, localement, la gaine qui recouvre l'âme de façon à faire apparaître des textes ou dessins qui deviennent lumineux lors d'un éclairage latéral du guide optique de lumière.
La présente invention concerne à cet effet un guide optique de lumière du type gaine-âme, constitué de polymères transparents
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et d'indices de réfraction différents, de telle manière que l'indice de réfraction de la gaine soit inférieur à l'indice de réfraction de l'âme, dans lequel l'âme présente une section droite constante allongée, le rapport de la plus grande dimension sur la plus petite dimension de cette section étant compris entre 5 et 1000 et, de préférence, entre 10 et 200.
Dans le guide optique conforme à l'invention, la plus petite dimension de la section droite est de préférence comprise entre 0,5 et 5 mm et la section qui peut être de forme quelconque est de préférence rectangulaire. Le guide optique conforme à l'invention se présente dès lors sous la forme d'une lanière, d'un ruban plat ou encore d'une feuille.
Il a été constaté qu'un tel guide optique permet une transmission de la lumière très satisfaisante sur une distance appréciable suffisante, notamment pour la réalisation de lettrages, de tableaux d'affichage, de supports publicitaires etc., de qualité améliorée.
La qualité principale exigée des matériaux utilisables pour réaliser l'âme du guide optique est la transparence. Les matières thermoplastiques utilisables pour l'âme doivent en outre être totalement pures et dépourvues de matières étrangères ou de constituants volatils. En plus, ces matières thermoplastiques doivent présenter une bonne stabilité thermique de façon à permettre leur mise en oeuvre notamment par extrusion à l'état fondu. Parmi les matières thermoplastiques très transparentes pouvant être utilisées pour réaliser l'âme du guide optique, on peut citer les homo-et copolymères de méthacrylate de méthyle, le polystyrène, le polycarbonate.
Ces matières thermoplastiques sont normalement préparées selon un procédé spécifique de polymérisation en continu et en masse donnant un taux de conversion très élevé en utilisant une faible concentration de catalyseur, comme décrit notamment dans la demande de brevet FR-2252586 (MITSUBISHI RAYON Co., Ltd.). D'autres techniques peuvent toutefois être utilisées pour autant qu'elles fournissent un polymère de haute pureté et exempt de contamination microscopique
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pouvant affecter la qualité optique. Parmi les matières thermoplastiques précitées, l'homopolymère de méthacrylate de méthyle est le plus performant au point de vue transparence.
La propagation d'un rayon lumineux à l'intérieur d'un guide optique de lumière résulte essentiellement du principe de la réflexion totale des ondes sur l'interface formé par les deux milieux, l'âme et la gaine, d'indices de réfraction différents, le milieu réfléchissant (la gaine) ayant l'indice le plus faible. Au niveau de la gaine, outre l'indice de réfraction approprié, la matière thermoplastique doit présenter une grande transparence et une bonne adhérence à la matière thermoplastique utilisée pour l'âme, afin d'éviter toute rupture du chemin optique par un délaminage même très partiel.
L'ensemble de ces exigences impose l'utilisation de couples de matières thermoplastiques appropriées pour réaliser l'âme et la gaine. En sélectionnant les homo-ou copolymères de méthacrylate de méthyle, ayant un indice de réfraction de l'ordre de 1,49, pour l'âme, le choix des matières thermoplastiques pour la gaine se limite à des matières thermoplastiques fluorées ou à leurs mélanges avec les polymères de méthacrylate de méthyle pour autant qu'ils soient compatibles, tels que par exemple les homopolymères et copolymères de fluorure de vinyle, de tétrafluoroéthylène, d'hexafluoropropylène et d'esters fluorés d'acide acrylique ou méthacrylique. La gamme des polymères fluorés utilisables est limitée par les exigences de transparence et de température d'extrusion.
Des mélanges de polymère de méthacrylate de méthyle avec un copolymère de fluorure de vinylidène et d'hexafluoropropylène conviennent particulièrement bien.
Si l'âme du guide optique de lumière est produite à partir de polycarbonate, ayant un indice de réfraction de 1, 59, le choix des matières thermoplastiques utilisables pour la gaine devient plus large, celles-ci pouvant par exemple être les matières thermoplastiques fluorées, les polymères de méthacrylate de méthyle, le polyméthylpentène, etc.
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Il a encore été constaté que lorsque la matière thermoplastique constitutive de l'âme contient un pigment fluorescent, on améliore l'effet lumineux du guide optique selon l'invention.
Des pigments fluorescents utilisables à cet effet sont notamment décrits dans les demandes de brevet EP 4655, EP 33079, EP 41274, EP 46164, EP 46861, EP 73007, EP 77496 dont le contenu technique est incorporé par référence dans la présente invention.
Selon l'invention, la section droite allongée du guide optique de lumière peut y avoir n'importe quelle forme, pour autant que le rapport de la plus grande dimension sur la plus petite dimension soit de 5 à 1000. La forme préférée, au point de vue facilité de mise en oeuvre, étant la forme rectangulaire.
Les guides optiques de lumière du type gaine-âme selon l'invention peuvent être fabriqués par toute technique d'addition séquencée des diverses couches constitutives. Le mode de réalisation qui se révèle le plus avantageux sur le plan économique est la technique de coextrusion. Dans ce mode préféré de réalisation du guide optique de lumière selon l'invention, on peut faire appel aux techniques usuelles de coextrusion à travers une filière, l'épaisseur des couches polymériques constitutives respectives et l'épaisseur totale du guide optique n'étant pas critiques. En général, on préfère toutefois, ainsi qu'il a été dit, que l'épaisseur de l'âme soit comprise entre 0,5 et 5 mm.
L'épaisseur de la gaine est en général comprise entre 0,010 et 0,5 millimètre et, de préférence, entre 0,020 et 0,250 millimètre.
La température à laquelle on extrude l'âme et la gaine du guide optique de lumière à travers la filière varie selon les matières thermoplastiques particulières utilisées pour le réaliser et elle est généralement comprise dans la gamme de 180 à 300OC, de préférence de 210 et 280OC. Les viscosités à l'état fondu des matières constituant la gaine et l'âme doivent être aussi voisines que possible, de façon à obtenir un écoulement multicouche stable et un extrudat présentant une géométrie aussi parfaite que possible. De préférence, la viscosité en fondu du
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polymère de la gaine doit être inférieure ou, au plus, égale à celle du polymère de l'âme, à la température de travail et aux gradients de vitesse existant dans la tête et la filière.
On peut éventuellement modifier la viscosité à l'état fondu en choisissant de façon appropriée le poids moléculaire des matières constituant la gaine ou l'âme.
On peut en outre avantageusement orienter les molécules du guide optique de lumière coextrudé pour accroître ses propriétés mécaniques et, en particulier, sa flexibilité. On peut réaliser cette orientation en étirant axialement le coextrudat, généralement à 1,3 à 2,5 fois sa longueur d'origine, dans un stade suivant l'extrusion et ce, à une température induisant des tensions d'orientation.
Pour certaines applications, le guide optique de lumière selon l'invention peut être entouré d'une troisième matière thermoplastique pour en assurer la protection mécanique ou chimique, et éviter la dégradation de la surface de la gaine lors des manipulations et de l'utilisation. La mise en place de cette troisième couche peut être réalisée par coextrusion, en même temps que la réalisation de l'âme et de la gaine, ou peut être réalisée en ligne par une troisième extrudeuse assurant le gainage de cette troisième matière après l'étirage du guide optique de lumière.
Ainsi qu'il a été dit précédemment, il est possible avec le guide optique selon l'invention de réaliser des panneaux décoratifs ou autres en enlevant localement la gaine recouvrant l'âme de façon à faire apparaître un motif quelconque désiré qui est rendu lumineux lors d'un éclairage latéral. Le motif désiré peut notamment être réalisé par gravure par abrasion. Il convient évidemment que cette gravure soit réalisée selon une profondeur suffisante pour enlever la totalité de l'épaisseur de la gaine.
Pour atteindre ce résultat avec certitude, la gravure peut être réalisée sous une profondeur légèrement supérieure à l'épaisseur de la gaine, l'épaisseur de la couche d'âme enlevée n'excédant pas 0,1 mm. Pour renforcer la luminosité du motif gravé, il est
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souhaitable de rendre opaque l'extrémité du guide optique opposée à celle recevant la source lumineuse. Cette luminosité peut encore être renforcée en incorporant un pigment fluorescent dans la matière constitutive de l'âme du guide optique. En variante, on peut également appliquer sur le motif gravé une couche d'un vernis transparent, à base de polyméthacrylate de méthyle, contenant des pigments fluorescents.
L'atténuation, exprimée en db/km de longueur, qui est le standard usuel d'évaluation de la transmission de la lumière, est déterminée selon le mode opératoire suivant. Une diode, émettant une lumière monochromatique de longueur d'onde de 565 nm, est utilisée comme source lumineuse stabilisée. Cette longeur d'onde a été choisie dans la partie intéressante du spectre de transmission de lumière que se situe entre 500 et 680 nm pour les guides d'ondes à base de polymère de méthacrylate de méthyle. On mesure l'intensité de la lumière transmise en utilisant une photodiode, dont la sensibilité maximale à la lumière correspond à une longueur d'onde d'environ 565 nm.
Pour un échantillon de guide optique de lumière de longueur quelconque supérieure à 5 mètres, on note alors la valeur de la tension Vo lue au voltmètre raccordé à la sortie de l'amplificateur de mesure de la photodiode. On diminue ensuite la longueur du guide optique de 1 mètre et on mesure à nouveau la lumière transmise. En répétant cette opération de diminution de la longueur du guide optique, on obtient des valeurs de la tension Vo correspondant à des segments du guide optique dont la longueur L diffère chaque fois de la précédente de 1 mètre.
Un diagramme du logarithme de la tension Vo en fonction de la longueur L donne alors une droite dont la pente constitue un coefficient b qui est fonction de l'atténuation selon la formule : Vo = a ebL dans laquelle a est une constante qui dépend de la photodiode, e est la base des logarithmes naturels et L est la longueur du guide d'ondes en mètres. L'atténuation, exprimée en db/km de
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longeur, est égale à 10. 000 b/2,3 ou à 4348 b.
L'invention est en outre illustrée par l'exemple de réalisation pratique donné ci-après.
Exemple
Une extrudeuse GOTTFERT, de 20 mm de diamètre et d'un taux de compression de 4, est alimentée par des granules séchés sous vide de polymère de méthacrylate de méthyle (PMMA de la marque PLEX 8699F commercialisé par Röhm). On maintient la température de la matière fondue à la sortie de l'extrudeuse à 2350C et le débit à 980 g/heure.
Une extrudeuse COLLIN, de 20 mm de diamètre et d'un taux de compression de 4, est alimentée par des granules séchés sous vide d'un mélange contenant 65 pour cent en poids de polymère de méthacrylate de méthyle (PMMA de la marque Diakon MG102 commercialisé par Imperial Chemical Industries) et 35 pour cent en poids d'un copolymère de fluorure de vinylidène et d'hexafluoropropylène (PVDF de la marque SOLEF 21010 commercialisé par la Demanderesse). On maintient la température de la matière fondue à la sortie de l'extrudeuse à 235 C et le débit à 220 g/heure.
Un bloc de coextrusion de 12 mm de diamètre sert de jonction entre les deux extrudeuses.
On obtient par coextrusion à l'aide d'une filière plate, de section droite rectangulaire de 15 mm de largeur et de 2 mm d'ouverture, chauffée à 235 C, une lanière de 11, 5 mm de largeur et de 1,7 mm d'épaisseur. L'épaisseur de l'âme est d'environ 1,4 mm et de la gaine est d'environ 0,15 mm. La vitesse linéaire de sortie de lanière après les cylindres entraîneurs est égale à 52 m/heure.
L'atténuation lumineuse, mesurée à 565 nm de longueur d'onde et suivant le mode opératoire décrit ci-dessus, est égale à 3000 db/km.
En incorporant une deuxième paire de cylindres entraîneurs, entre la filière et les cylindres entraîneurs de la lanière, on a réalisé un étirage uniaxial sur un taux de 125 % à une température d'environ 130 C. Après étirage, la lanière a une section
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droite rectangulaire de 10 mm de largeur et de 1,6 mm d'épaisseur et présente des propriétés, en particulier une flexibilité, mécaniques améliorées. L'atténuation lumineuse, mesurée à 565 nm de longueur d'onde reste à la valeur de 3000 db/km.