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Système optique comportant une lentille condensatrice
La plupart des systèmes optiques connus comportant un système condensateur, présentent l'inconvénient qu'une proportion relativement grande des rayons lumineux émis par la source lumineuse qui coopère avec le système optique, échappe au système condensateur. Comme le système condensateur a pour but de réunir en un faisceau la lumière émise par une source lumineuse dans différentes directions, il est clair que l'inconvénient précité)est très grave.
On peut distinguer deux genres de systèmes condensateurs, savoir des condensateurs à miroir et à lentille.
Pour les condensateurs du dernier genre il est absolument
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impossible d'intercepter la lumière émise par une source lumineuse, sur un angle solide supérieur à 180 . Théoriquement il est possible d'intercepter la lumière sur un angle solide légèrement inférieur à 180 mais en raison des défauts inhérents aux lentilles on considère un angle solide de 90 comme le maximum.
Pour les condensateurs à miroir les conditions sont légèrement différentes. Ces condensateurs peuvent être agencés de telle façon qu'ils interceptent la lumière émise par une source lumineuse, sur un angle solide supérieur à 180 .
On a effectivement construit des condensateurs à miroir de ce genre mais on a constaté qu'il se produit des différences de grossissement relativement grandes entre les parties du condensateur à miroir qui sont éloignées du sommet du miroir et les parties situées au voisinage du sommet. Ceci peut donner lieu à un manque d'uniformité de la clarté'de la surface éclairée, ce qui peut être dû aux dimensions finies de la source lumineuse qui coopère avec le condensateur. C'est pour cette raison qu'un angle solide de 1200 sur lequel le condensateur peut intercepter la lumière d'une source lumineuse, est considéré comme le maximum.
Il est clair de ce qui précède que les systèmes condensateurs connus ne peuvent recevoir, par conséquent, qu'une proportion relativement faible de la lumière énise par une source lumineuse. La lumière non interceptée par le condensateur n'a aucun intérêt pour le but envisagé, en l'occurrence pour l'éclairage intense d'une surface ou d'un objet quelconque, de sorte que cette lumière peut être considérée comme perdue.
La Demanderesse a trouvé que ces inconvénients peuvent être évités d'une manière simple.
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Conformément à l'invention, le système optique comporte un système condensateur dans lequel la lumière rayonnée sur un angle solide donné, de préférence supérieur à 120 , par la partie de la source lumineuse qui est située dans l'axe du système ou à proximité de cet axe, est dirigée sur le système condensateur à l'aide de faces réfractives disposées au voisinage de la source lumineuse sur un angle solide de moindre valeur.
Pour les condensateurs à miroir et également pour les condensateurs à lentille, un tel mode de construction permet de disposer la source lumineuse à une distance appropriée du condensateur et d'utiliser des miroirs ou des lentilles de dimensions usuelles, tandis que néanmoins une proportion considérablement plus grande de la lumière émise par la source lumineuse peut être interceptée par le système condensateur.
Selon un mode de réalisation particulier d'un système optique suivant l'invention qui comporte un condensateur à miroir, les faces réfractives sont agencées de telle façon que les rayons lumineux émis vers la partie centrale du miroir, soient déviés de l'axe du système. Un tel mode de construc- tion présente plusieurs avantages : toutd'abord, les conden- sateurs à miroir usuels présentent une ouverture centrale qui permet l'introduction de la source lumineuse coopérant avec le condensateur. Cette partie n'a donc aucun effet réfléchissant de sorte que des rayons lumineux dirigés sur cette partie, ne contribueraient pas à atteindre le but poursuivi et doivent donc être considérés comme perdus. De plus, il existe plusieurs sortes de sources lumineuses qui possèdent la propriété d'absorber les rayons lumineux qui les frappent.
Les faces réfractives peuvent être de différente na-
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ture. Il est possible de leur donner la forme de prismes mais, de préférence, on utilise des faces réfractives qui j.ouent le rôle de lentilles. On obtient un mode de réalisation très avantageux en utilisant à cet effet les faces délimitatrices d'une lentille présentant une cavité qui entoure, au moins en partie, la source lumineuse.
Dans un système condensateur à miroir existant on peut ainsi remplacer, la source lumineuse constituée, par exemple, par une lampe à arc à charbon, par une source lumineuse qui fonctionne d'une façon bien plus économique , par exemple un tube à décharges à vapeur de mercure sous pression très élevée. Jusqu'ici cela a été impossible ; était toujours nécessaire de prendre des mesures sévères pour pouvoir réaliser un tel échangement. Or, la lentille suivantl'invention permet de simplifier ce problème à un degré appréciable par exemple dans les appareils de projection de cinéma. En effet, on n'a qu'à enlever l'arc à charbon d'un appareil de ce genre et le remplacer par un tube à décharges à vapeur de mercure sous pression très élevée qui comporte une telle lentille.
Il est clair qu'il est nécessaire de fixer la position et la forme des faces délimitatrices pour chaque cas individuel. On peut dire en général qu'elles sont calculées, à l'aide des lois optiques y relatives, de telle façon qu'au lieu de la partie de la source lumineuse qui est située dans l'axe du système, il se produise une source lumineuse ponctiforme virtuelle qui est plus éloignée du condensateur que la source lumineuse réelle.
A la cavité présente dans la lentille et servant à recevoir la source lumineuse, on donne, de préférence, une forme conique. Cette cavité peut être contigüe à une autre
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cavité de forme analogue, l'agencement étant tel que la lentille, qui affecte, de préférence, la forme d'un solide de révolution, présente une forure centrale.
Dans un mode de réalisation particulier du système optique suivant l'invention, qui convient, plus particulièrement à un appareil de projection de cinéma et dans lequel la source lumineuse est constituée par la source lumineuse linéaire précitée, par exemple un tube à déchargesà vapeur de mercure sous pression très élevée, et dans lequel le miroir produit un faisceau lumineux convergent, cette source lumineuse est disposée de manière à être perpendiculaire à l'axe du système de sorte que dans un plan perpendiculaire à cet axe le faisceau lumineux acquiert, au point de convergence ou au voisinage de ce point, une section sensiblement rectangulaire à clarté sensiblement constante. Il est clair qu'un tel faisceau lumineux convient très bien à l'éclairage de la fenêtre de projection.
En effet, ces sources lumineuses présentent, en général, l'inconvénient que bien que leur longueur soit suffisante, leur largeur est trop petite.
Le système faisant l'objet de la présente invention, permet de remédier à cet inconvénient. L'épaisseur de la source lumineuse est fortement agrandie et, contrairement aux systèmes connus, la clarté de la tache lumineuse est sensiblement constante même dans la direction de la dimension la plus petite.
Si la source lumineuse est constituée, comme il est indiqué ci-dessus, par un tube à déchargesà vapeur de mercure sous pression très élevée, le récipient en verre qui entoure cette source et qui sert en même temps de réservoir pour le liquide réfrigérant est agencé, de préférence, de telle façon, qu'en collaboration avec la lentille il exerce
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sur les rayons lumineux l'effet voulu.
On comprendra mieux l'invention en se référant aux dessins annexés.
La figure 1 montre la disposition usuelle de la source lumineuse, par exemple, dans un appareil de projection de cinéma, cette source étant disposée en 1. 2 désigne le -miroir condensateur dont le centre de courbure se trouve en 3.
Les rayons lumineux sortant de 1 et frappant le miroir 2 ont leur point de convergence en 4.5 désigne la fenêtre de pro- jection..Il ressort de la figure que la source lumineuse 1 ne peut projeter sa lumière sur le miroir 2 que sur un angle a dont la valeur n'est généralement pas supérieure à 1200. Les rayons lumineux émis par la source lumineuse sur l'angle solide b, ne sont pas interceptés par le miroir et doivent, par conséquent, être considérés comme perdus pour le but envisagé.
Les conditions deviennent tout à fait différentes si, comme le montre la figure 2, la source lumineuse 1 est entourée d'une lentille annulaire 6. Ceci permet à la source lumineuse 1 de projeter sa lumière sur le miroir 2 sur un angle c dont la valeur est bien supérieure à celle de l'angle a de la. figure 1, l'économie du dispositif étant ainsi considérablement augmentée.
La disposition relative de la source lumineuse et de la lentille sera considérée ci-après avec référence à la figure 3 sur laquelle la source lumineuse est constituée par un tube à décharges à vapeur de mercure sous pression très élevée. 7, 8 et 9 désignent, respectivement, le trajet de décharge, l'enveloppe du tube à décharges et la paroi du récipient de refroidissement. Le liquide réfrigérant circule entre les parois 8 et 9. Comme sur la figure 1, l'axe du
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système est désigné par I-I. La lentille a une forme annu- laire. Le miroir condensateur n'est pas représenté, il se trouve dans la direction indiquée par la flèche 2.
Le parcours de quelques rayons lumineux sera suivi à l'aide de la figure. En suivant, par exemple, le parcours du rayon lumineux A, on constate que ce rayon tra- verse la paroi 8 du récipient de décharge sans être réfracté et cela par suite du fait que le trajet de décharge 7 se trouve dans l'axe du récipient cylindrique 8. Suivant la loi de Huygens ce rayon est réfracté par la paroi 9 de l'enveloppe de refroidissement, puis il traverse l'air. En A1 il atteint la paroi de la lentille par laquelle il est réfracté vers la . normale non représentée du fait que la densité du verre est supé- rieure à celle de l'air. Ensuite, il traverse la lentille en verre et en A il arrive à nouveau dans l'air de sorte que la ligne A3 indique la direction dans laquelle le rayon lumineux en question va vers le miroir condensateur.
En apparence, ce rayon provient, par conséquent, du point 11 situé dans l'axe I-I du système.
Le parcours des rayons lumineux B et C peut être suivi d'une manière analogue; aprèsavoir été réfractés par la lentille 10 ils proviennent en apparence également du point 11.
Le rayon lumineux extrême dont la direction est modi- fiée de la manière indiquée ci-dessus est le rayon indiqué par D. Il ressort de la figure que la lumière émise par la source lumineuse, est interceptée par le système condensa- teur sur l'angle ± dont la valeur est bien supérieure à celle de l'angle a de la figure 1.
Il y a lieu d'observer, en outre, que la position relative de la lentille 6 et du miroir 2 est choisie de telle façon que dans l'angle d indiqué sur
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la figure 2, il ne tombe sensiblement pas de lumière sur le miroir 2 de sorte que la partie 12 de ce miroir, partie qui correspond à cet angle n'a pas besoin d'être agencée de manière à former un réflecteur et peut être utilisée, par conséquent, comme ouverture destinée à l'introduction de la source lumineuse et de la lentille.
La figure 2 montre, en outre, les positions relatives du miroir condensateur 2, de la source lumineuse 1 et de la lentille 6 d'une part et de la fenêtre de projection 12 d'autre part. Par rapport à cette figure, il y a lieu d'observer qu'également dans ce cas la source lumineuse virtuelle est désignée par 11 et que, comme il ressort de la figure, l'ouverture de la fenêtre de projection 12 est éclairée vivement. Il y a lieu de remarquer, en outre, que cette figure fait reconnaître très nettement les avantages de la lentille 6 en ce qui concerne l'angle sur lequel le miroir 2 reçoit la lumière de la source lumineuse. En l'absence d'une lentille, la source lumineuse 1 projetterait, comme il a été dit plus haut, de la lumière sur le miroir 2,sur un angle a.
Cet angle est agrandi par la lentille 6 jusqu'à 1?angle c dont la valeur est environ le double de celle de l'angle a. En raison de l'effet de la lentille 6, la lumière interceptée dans l'angle c est divisée en deux parties de telle façon que cette lumière atteigne le miroir sur les deux angles f.
Ces deux faisceaux (formant, à vrai dire, un seul faisceau annulaire) sont réfléchis par le miroir 2 et assurent un éclairage très uniforme de la fenêtre de projection. Cette fenêtre a habituellement une hauteur de 18 mm. Comme il a été dit plus haut, la source lumineuse 1 est linéaire et son axe longitudinal est perpendiculaire au plan du dessin de la figure 2. Le trajet de décharge a une largeur de 1 mm.
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environ. La disposition montrée sur la figure 2 permet d'aug- menter cette largeur à un degré tel que la fenêtre de pro- jection 12 soit éclairée de façon sensiblement uniforme également dans le sens de sa hauteur.
La figure 4 montre une vue en élévation de cette fe- nétre de projection. L'aire hachurée représente sa périphérie et la ligne courbe 13 en forme de lemniscate représente la forme de la tache lumineuse. Sur toute sa surface, cette tache possède une clarté sensiblement constante.
La figure 5 représente une vue en perspective de la lentille. Il ressort de cette figure que sa forme extérieure est celle d'un tonneau. La lentille présente des ouvertures coniques 14 et 15 qui se confondent en 16. Le bord supérieur présente deux évidements 17 et 18 qui servent à loger la source lumineuse dont l'enveloppe de refroidissement qui l'entoure est désignée par le pointillé 19.
Il est évident que le mode de construction décrit ci-dessus peut aussi être utilisé avec beaucoup de succès dans les cas où la source lumineuse est formée par une lampe à incandescence. De plus, le condensateur peut aussi être agencé à la façon d'un condensateur,à lentille. Il est clair qu'on peut aussi obtenir de bons résultats en appliquant le même principe aux projecteurs à grande distance. Il est aussi possible de disposer la source lumineuse linéaire dans l'axe du système.
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Optical system with condenser lens
Most of the known optical systems comprising a capacitor system have the drawback that a relatively large proportion of the light rays emitted by the light source which cooperates with the optical system escapes the capacitor system. As the purpose of the capacitor system is to bring together in a beam the light emitted by a light source in different directions, it is clear that the above-mentioned drawback is very serious.
We can distinguish two kinds of capacitor systems, namely mirror and lens capacitors.
For capacitors of the last kind it is absolutely
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impossible to intercept the light emitted by a light source, on a solid angle greater than 180. Theoretically it is possible to intercept the light on a solid angle slightly less than 180 but due to the inherent defects of the lenses one considers a solid angle of 90 as the maximum.
For mirror capacitors the conditions are slightly different. These capacitors can be arranged in such a way that they intercept the light emitted by a light source, over a solid angle greater than 180.
Mirrored capacitors of this type have indeed been constructed, but it has been found that relatively large differences in magnification occur between the parts of the mirror capacitor which are far from the top of the mirror and the parts near the top. This can give rise to a lack of uniformity in the clarity of the illuminated surface, which may be due to the finite dimensions of the light source which cooperates with the capacitor. It is for this reason that a solid angle of 1200 at which the capacitor can intercept light from a light source, is considered the maximum.
It is clear from the above that known capacitor systems can therefore only receive a relatively small proportion of the light emitted by a light source. The light not intercepted by the capacitor is of no interest for the intended purpose, in this case for the intense illumination of any surface or any object, so that this light can be considered as lost.
The Applicant has found that these drawbacks can be avoided in a simple manner.
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According to the invention, the optical system comprises a condenser system in which the light radiated over a given solid angle, preferably greater than 120, by the part of the light source which is located in the axis of the system or close to this axis is directed on the capacitor system with the aid of refractive faces arranged in the vicinity of the light source on a solid angle of lesser value.
For mirror capacitors and also for lens capacitors, such a method of construction makes it possible to place the light source at an appropriate distance from the capacitor and to use mirrors or lenses of usual dimensions, while nevertheless a considerably greater proportion much of the light emitted by the light source can be intercepted by the capacitor system.
According to a particular embodiment of an optical system according to the invention which comprises a mirror capacitor, the refractive faces are arranged such that the light rays emitted towards the central part of the mirror are deviated from the axis of the system. . Such a construction method has several advantages: first of all, conventional mirror capacitors have a central opening which allows the introduction of the light source cooperating with the capacitor. This part therefore has no reflecting effect so that the light rays directed on this part would not contribute to achieving the aim pursued and must therefore be considered as lost. In addition, there are several kinds of light sources which have the property of absorbing the light rays which strike them.
The refractive faces can be of different na-
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ture. It is possible to give them the shape of prisms but, preferably, refractive faces are used which j.ou act as lenses. A very advantageous embodiment is obtained by using for this purpose the delimiting faces of a lens having a cavity which surrounds, at least in part, the light source.
In an existing mirror condenser system it is thus possible to replace the light source consisting, for example, of a carbon arc lamp, by a light source which operates in a much more economical manner, for example a vapor discharge tube. of mercury under very high pressure. So far this has been impossible; It was still necessary to take severe measures to be able to achieve such an exchange. Now, the lens according to the invention makes it possible to simplify this problem to an appreciable degree, for example in cinema projection devices. In fact, one only has to remove the carbon arc from a device of this type and replace it with a very high pressure mercury vapor discharge tube which includes such a lens.
It is clear that it is necessary to fix the position and the shape of the delimiting faces for each individual case. We can say in general that they are calculated, using the optical laws relating thereto, in such a way that instead of the part of the light source which is located in the axis of the system, there is produced a source virtual point light that is farther from the capacitor than the actual light source.
The cavity present in the lens and serving to receive the light source is preferably given a conical shape. This cavity can be contiguous to another
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similarly shaped cavity, the arrangement being such that the lens, which preferably takes the shape of a solid of revolution, has a central bore.
In a particular embodiment of the optical system according to the invention, which is suitable, more particularly for a cinema projection apparatus and in which the light source consists of the aforementioned linear light source, for example a mercury vapor discharge tube under very high pressure, and in which the mirror produces a converging light beam, this light source is arranged so as to be perpendicular to the axis of the system so that in a plane perpendicular to this axis the light beam acquires, at the point of convergence or in the vicinity of this point, a substantially rectangular section with substantially constant clarity. It is clear that such a light beam is very suitable for lighting the projection window.
In fact, these light sources generally have the drawback that although their length is sufficient, their width is too small.
The system that is the subject of the present invention overcomes this drawback. The thickness of the light source is greatly enlarged and, unlike known systems, the clarity of the light spot is substantially constant even in the direction of the smallest dimension.
If the light source is constituted, as indicated above, by a tube for discharging mercury vapor under very high pressure, the glass container which surrounds this source and which at the same time serves as a reservoir for the refrigerant liquid is arranged , preferably, in such a way that in collaboration with the lens it exerts
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on the light rays the desired effect.
The invention will be better understood by referring to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the usual arrangement of the light source, for example, in a cinema projection apparatus, this source being arranged at 1. 2 designates the condenser-mirror whose center of curvature is at 3.
The light rays coming out of 1 and hitting mirror 2 have their point of convergence at 4.5 designates the projection window. It can be seen from the figure that the light source 1 can project its light on mirror 2 only at an angle a whose value is generally not greater than 1200. The light rays emitted by the light source on the solid angle b, are not intercepted by the mirror and must, therefore, be considered as lost for the intended purpose.
The conditions become quite different if, as shown in Figure 2, the light source 1 is surrounded by a ring lens 6. This allows the light source 1 to project its light onto the mirror 2 at an angle c whose value is much greater than that of the angle a of the. FIG. 1, the economy of the device thus being considerably increased.
The relative arrangement of the light source and the lens will be considered hereinafter with reference to FIG. 3 in which the light source is constituted by a very high pressure mercury vapor discharge tube. 7, 8 and 9 denote, respectively, the discharge path, the casing of the discharge tube and the wall of the cooling vessel. The refrigerant liquid circulates between the walls 8 and 9. As in figure 1, the axis of the
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system is denoted by I-I. The lens has an annular shape. The condenser mirror is not shown, it is located in the direction indicated by arrow 2.
The path of some light rays will be followed with the help of the figure. By following, for example, the path of the light ray A, it can be seen that this ray passes through the wall 8 of the discharge vessel without being refracted, and this is due to the fact that the discharge path 7 is located in the axis of the cylindrical container 8. According to Huygens' law, this ray is refracted by the wall 9 of the cooling envelope, then it passes through the air. In A1 it reaches the wall of the lens through which it is refracted towards the. normal not shown because the density of glass is greater than that of air. Then it passes through the glass lens and at A it arrives again in the air so that the line A3 indicates the direction in which the light ray in question goes towards the condensing mirror.
In appearance, this ray comes, therefore, from point 11 located in the I-I axis of the system.
The path of the light rays B and C can be followed in an analogous manner; after having been refracted by lens 10, they apparently also come from point 11.
The extreme light ray, the direction of which is changed in the manner indicated above, is the ray indicated by D. It can be seen from the figure that the light emitted by the light source is intercepted by the capacitor system on the angle ±, the value of which is much greater than that of the angle a in figure 1.
It should be observed, moreover, that the relative position of the lens 6 and of the mirror 2 is chosen such that in the angle d indicated on
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Figure 2, substantially no light falls on mirror 2 so that part 12 of this mirror, part which corresponds to this angle does not need to be arranged to form a reflector and can be used , therefore, as an opening for the introduction of the light source and the lens.
FIG. 2 also shows the relative positions of the condenser mirror 2, of the light source 1 and of the lens 6 on the one hand and of the projection window 12 on the other hand. With respect to this figure, it should be observed that also in this case the virtual light source is designated by 11 and that, as emerges from the figure, the opening of the projection window 12 is brightly illuminated. It should be noted, in addition, that this figure shows very clearly the advantages of the lens 6 as regards the angle at which the mirror 2 receives the light from the light source. In the absence of a lens, the light source 1 would project, as has been said above, light on the mirror 2, at an angle a.
This angle is enlarged by the lens 6 up to the angle c, the value of which is approximately twice that of the angle a. Due to the effect of the lens 6, the light intercepted in the angle c is divided into two parts such that this light reaches the mirror at the two angles f.
These two beams (forming, in fact, a single annular beam) are reflected by the mirror 2 and provide very uniform illumination of the projection window. This window is usually 18 mm high. As mentioned above, the light source 1 is linear and its longitudinal axis is perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 2. The discharge path has a width of 1 mm.
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about. The arrangement shown in FIG. 2 enables this width to be increased to such a degree that the projection window 12 is illuminated substantially uniformly also in the direction of its height.
FIG. 4 shows an elevational view of this projection window. The hatched area represents its periphery and the curved line 13 in the form of a lemniscate represents the shape of the light spot. Over its entire surface, this spot has a substantially constant clarity.
Figure 5 shows a perspective view of the lens. It emerges from this figure that its external shape is that of a barrel. The lens has conical openings 14 and 15 which merge at 16. The upper edge has two recesses 17 and 18 which serve to house the light source, the cooling envelope of which surrounds it is designated by the dotted line 19.
It is obvious that the construction mode described above can also be used with great success in cases where the light source is formed by an incandescent lamp. In addition, the capacitor can also be arranged in the manner of a capacitor, with a lens. It is clear that good results can also be obtained by applying the same principle to projectors at long distances. It is also possible to place the linear light source in the axis of the system.