CA2968177A1 - Element injecteur de lumiere - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un élément injecteur de lumière (20) comprenant un corps (21) s'étendant selon un axe longitudinal (22), et une source de lumière (23) placée en regard d'une extrémité (25) du corps (21), la source de lumière (23) comprenant une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission (26) sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) du corps (21). L'invention concerne également un photobioréacteur (10) comprenant un tel élément injecteurde lumière (20).
Description
ELEMENT INJECTEUR DE LUMIERE
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne le domaine général de l'éclairage, et en particulier celui de l'éclairage pour la culture intensive et continue de microorganismes photosynthétiques.
ETAT DE L'ART
De nombreux éléments d'éclairage sont connus de l'état de la technique, comme par exemple le tube luminescent ou néon, le tube fluorescent ou la diode électroluminescente (ou LED).
En particulier, une LED présente un diagramme d'émission énergétique suivant un profil lambertien, c'est-à-dire sous la forme d'un lobe. Une LED
émet un flux d'énergie maximum dans une direction principale perpendiculaire à sa surface d'émission, et ce flux énergie décroit à mesure que l'on s'éloigne de cette direction principale.
Par ailleurs, une LED présente un cône d'émission dont l'angle solide est limité, typiquement de 90 . Une LED ne permet donc pas d'émettre d'énergie dans des directions présentant une forte inclinaison par rapport à la direction principale, notamment au-delà de 45 . Ainsi, lorsqu'une LED est par exemple installée au plafond d'une pièce de sorte à émettre de la lumière principalement à la verticale, elle ne peut pas éclairer à l'horizontal, réduisant de ce fait la qualité de l'éclairage dans la pièce. Une telle qualité d'éclairage peut poser des problèmes de confort pour un utilisateur et nécessite une multiplication des systèmes d'éclairage pour remédier à ce défaut.
L'utilisation de LEDs présente cependant des avantages non négligeables, notamment leur rendement lumineux important qui est quasi-constant dans la durée d'utilisation de la LED, en particulier quand les LEDs ne s'échauffent pas.
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne le domaine général de l'éclairage, et en particulier celui de l'éclairage pour la culture intensive et continue de microorganismes photosynthétiques.
ETAT DE L'ART
De nombreux éléments d'éclairage sont connus de l'état de la technique, comme par exemple le tube luminescent ou néon, le tube fluorescent ou la diode électroluminescente (ou LED).
En particulier, une LED présente un diagramme d'émission énergétique suivant un profil lambertien, c'est-à-dire sous la forme d'un lobe. Une LED
émet un flux d'énergie maximum dans une direction principale perpendiculaire à sa surface d'émission, et ce flux énergie décroit à mesure que l'on s'éloigne de cette direction principale.
Par ailleurs, une LED présente un cône d'émission dont l'angle solide est limité, typiquement de 90 . Une LED ne permet donc pas d'émettre d'énergie dans des directions présentant une forte inclinaison par rapport à la direction principale, notamment au-delà de 45 . Ainsi, lorsqu'une LED est par exemple installée au plafond d'une pièce de sorte à émettre de la lumière principalement à la verticale, elle ne peut pas éclairer à l'horizontal, réduisant de ce fait la qualité de l'éclairage dans la pièce. Une telle qualité d'éclairage peut poser des problèmes de confort pour un utilisateur et nécessite une multiplication des systèmes d'éclairage pour remédier à ce défaut.
L'utilisation de LEDs présente cependant des avantages non négligeables, notamment leur rendement lumineux important qui est quasi-constant dans la durée d'utilisation de la LED, en particulier quand les LEDs ne s'échauffent pas.
2 Contrairement aux LEDs, les tubes fluorescents ou néons permettent d'obtenir une émission d'énergie dans toutes les directions radiales, même à
l'horizontal lorsqu'ils sont installés en plafonnier.
Cependant, de tels éléments d'éclairage présentent des rendements lumineux bien plus faibles que les LEDs et leur intensité lumineuse diminue avec le temps. Par ailleurs, il arrive souvent que de tels éléments d'éclairage scintillent, ce qui peut être particulièrement gênant pour un utilisateur.
Dans le domaine particulier de l'éclairage pour la culture intensive de microorganismes photosynthétiques, notamment des microalgues, il est essentiel que le flux d'énergie émis par les éléments d'éclairage soit le plus uniforme possible dans toutes les directions d'émission dudit élément d'éclairage, de sorte à améliorer le rendement de production desdites microalgues.
On comprend en effet que d'une façon générale la production dépende directement de la qualité de l'éclairage dans le volume du photobioréacteur dans lequel sont cultivées les microalgues. Il est nécessaire que l'ensemble du liquide biologique soit correctement éclairé avec une énergie moyenne optimale, qui dépend de la nature de la micro-algue. Par conséquent, il faut que l'interface entre les sources lumineuses et le liquide biologique soit la plus grande possible ce qui maximise le volume utile du liquide biologique (bain).
Pour fixer les idées on notera qu'a des concentrations d de l'ordre du gramme par litre, la lumière est absorbée sur une profondeur de A = 0.5cm.
Pour un réacteur d'1 m3, avec une surface de 1 m2 d'éclairement (source de lumière plane de 1m2), le volume de liquide biologique concerné sera seulement de m3. Le réacteur idéal serait tel que le volume éclairé soit égal au volume du réacteur. Plus généralement le facteur de qualité d'un réacteur peut se définir par la relation : Q = SA/VO, où S est la surface éclairée (à la bonne puissance) dans le volume VO du réacteur, et A la profondeur de pénétration de la lumière.
Ve étant le volume des éléments éclairants dispersés dans le réacteur la production en Masse M peut s'exprimer par la relation : M = (VO - Ve)d (où d est la masse de palgues par unité de volume).
l'horizontal lorsqu'ils sont installés en plafonnier.
Cependant, de tels éléments d'éclairage présentent des rendements lumineux bien plus faibles que les LEDs et leur intensité lumineuse diminue avec le temps. Par ailleurs, il arrive souvent que de tels éléments d'éclairage scintillent, ce qui peut être particulièrement gênant pour un utilisateur.
Dans le domaine particulier de l'éclairage pour la culture intensive de microorganismes photosynthétiques, notamment des microalgues, il est essentiel que le flux d'énergie émis par les éléments d'éclairage soit le plus uniforme possible dans toutes les directions d'émission dudit élément d'éclairage, de sorte à améliorer le rendement de production desdites microalgues.
On comprend en effet que d'une façon générale la production dépende directement de la qualité de l'éclairage dans le volume du photobioréacteur dans lequel sont cultivées les microalgues. Il est nécessaire que l'ensemble du liquide biologique soit correctement éclairé avec une énergie moyenne optimale, qui dépend de la nature de la micro-algue. Par conséquent, il faut que l'interface entre les sources lumineuses et le liquide biologique soit la plus grande possible ce qui maximise le volume utile du liquide biologique (bain).
Pour fixer les idées on notera qu'a des concentrations d de l'ordre du gramme par litre, la lumière est absorbée sur une profondeur de A = 0.5cm.
Pour un réacteur d'1 m3, avec une surface de 1 m2 d'éclairement (source de lumière plane de 1m2), le volume de liquide biologique concerné sera seulement de m3. Le réacteur idéal serait tel que le volume éclairé soit égal au volume du réacteur. Plus généralement le facteur de qualité d'un réacteur peut se définir par la relation : Q = SA/VO, où S est la surface éclairée (à la bonne puissance) dans le volume VO du réacteur, et A la profondeur de pénétration de la lumière.
Ve étant le volume des éléments éclairants dispersés dans le réacteur la production en Masse M peut s'exprimer par la relation : M = (VO - Ve)d (où d est la masse de palgues par unité de volume).
3 Ces deux relations doivent être maximisées simultanément.
Pour cela, le document W02011/080345 propose par exemple des éléments injecteurs de lumière comprenant un guide de lumière de forme tubulaire, à l'extrémité duquel est placée une LED. La LED est entourée d'un miroir de forme parabolique ou conique, ou toute autre forme qui permet de renvoyer les rayons de grands angles émis par la LED dans la direction axiale de l'injecteur.
De plus, le guide de lumière de l'élément injecteur est recouvert, à son extrémité du côté de la LED, d'un miroir dont l'opacité décroit lorsqu'on s'éloigne de la source lumineuse. En d'autres termes, ce miroir métallique est total dans la partie haute de l'élément injecteur, devient progressivement semi-transparent, et in fine disparait. En effet, sans ces miroirs, compte-tenu du profil d'émission énergétique lambertien de la LED, la quantité d'énergie émise par le tube le long de sa paroi latérale décroîtrait exponentiellement à mesure que l'on s'éloigne de la LED, ce qui aurait pour conséquence que l'énergie lumineuse sortirait pour l'essentiel dans la partie haute de l'élément injecteur. On comprend donc que la mise en oeuvre de tels miroirs soit essentielle pour que l'élément injecteur émette une énergie la plus uniforme possible le long du tube.
Ce document propose également de placer un miroir à l'extrémité du guide de lumière opposée à la LED, de sorte à renvoyer le long du guide de lumière de l'élément injecteur les rayons lumineux provenant directement de la LED ou réfléchis dans des directions présentant un angle faible par rapport à la direction principale d'émission, afin de compenser les pertes d'énergie croissantes à
mesure que l'on s'éloigne de la LED. Ce miroir présente par exemple une forme conique, demi-sphérique, ou parabolique, voire une forme plus complexe.
Or, l'utilisation de tels miroirs introduit une absorption significative du flux d'énergie réfléchi par les miroirs, ce qui en plus d'entraîner une perte d'énergie utile, induit un échauffement local de l'élément injecteur, et in fine un échauffement du liquide biologique (bain).
Pour cela, le document W02011/080345 propose par exemple des éléments injecteurs de lumière comprenant un guide de lumière de forme tubulaire, à l'extrémité duquel est placée une LED. La LED est entourée d'un miroir de forme parabolique ou conique, ou toute autre forme qui permet de renvoyer les rayons de grands angles émis par la LED dans la direction axiale de l'injecteur.
De plus, le guide de lumière de l'élément injecteur est recouvert, à son extrémité du côté de la LED, d'un miroir dont l'opacité décroit lorsqu'on s'éloigne de la source lumineuse. En d'autres termes, ce miroir métallique est total dans la partie haute de l'élément injecteur, devient progressivement semi-transparent, et in fine disparait. En effet, sans ces miroirs, compte-tenu du profil d'émission énergétique lambertien de la LED, la quantité d'énergie émise par le tube le long de sa paroi latérale décroîtrait exponentiellement à mesure que l'on s'éloigne de la LED, ce qui aurait pour conséquence que l'énergie lumineuse sortirait pour l'essentiel dans la partie haute de l'élément injecteur. On comprend donc que la mise en oeuvre de tels miroirs soit essentielle pour que l'élément injecteur émette une énergie la plus uniforme possible le long du tube.
Ce document propose également de placer un miroir à l'extrémité du guide de lumière opposée à la LED, de sorte à renvoyer le long du guide de lumière de l'élément injecteur les rayons lumineux provenant directement de la LED ou réfléchis dans des directions présentant un angle faible par rapport à la direction principale d'émission, afin de compenser les pertes d'énergie croissantes à
mesure que l'on s'éloigne de la LED. Ce miroir présente par exemple une forme conique, demi-sphérique, ou parabolique, voire une forme plus complexe.
Or, l'utilisation de tels miroirs introduit une absorption significative du flux d'énergie réfléchi par les miroirs, ce qui en plus d'entraîner une perte d'énergie utile, induit un échauffement local de l'élément injecteur, et in fine un échauffement du liquide biologique (bain).
4 En effet, considérant un miroir de bonne qualité et une émission de lumière d'une longueur d'onde de 0.8pm, 5% de l'énergie lumineuse est absorbée lors d'une réflexion sur ledit miroir. Ainsi, s'il n'y a qu'une seule réflexion des rayons lumineux à réorienter et que ces rayons représentent par exemple 50% du flux lumineux, c'est donc 2.5% de l'énergie lumineuse qui peut être absorbée.
Or, notamment dans le cas du miroir entourant la LED, les rayons lumineux présentant les angles les plus forts par rapport à la direction principale d'émission sont réfléchis à plusieurs reprises. Cet effet est par ailleurs renforcé pour des LEDs de grande surface d'émission en comparaison avec la section de l'élément injecteur (surface de quelques dizaines de mm2). Ainsi, une absorption énergétique supérieure à 10% peut être observée, et ce même avec un miroir de bonne qualité.
L'utilisation de miroirs de forme conique voire de forme plus complexe permet de limiter le nombre de réflexion des rayons lumineux et donc de réduire les pertes liées à l'absorption du flux lumineux réfléchi.
Cependant, outre le fait que certains de ces miroirs peuvent être industriellement difficiles à réaliser, l'absorption du flux lumineux qu'ils induisent reste importante.
On comprend donc que la mise en oeuvre de tels miroirs est particulièrement compliquées et coûteuse énergétiquement.
Il existe donc un besoin de développer un élément injecteur de lumière pour photobioréacteur permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un objectif de l'invention est donc de proposer un élément injecteur de lumière permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse entre l'énergie émise par la source de lumière et l'énergie sortant de l'élément injecteur.
L'invention a également pour objectif de proposer un élément injecteur permettant de fournir un flux d'énergie globalement uniforme dans toutes les directions d'émission dudit élément injecteur. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un élément injecteur de lumière comprenant un corps s'étendant selon un axe longitudinal, et une source de lumière placée en regard d'une extrémité du corps, l'élément injecteur étant caractérisé en ce que la source de lumière comprend une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface, ladite pluralité
Or, notamment dans le cas du miroir entourant la LED, les rayons lumineux présentant les angles les plus forts par rapport à la direction principale d'émission sont réfléchis à plusieurs reprises. Cet effet est par ailleurs renforcé pour des LEDs de grande surface d'émission en comparaison avec la section de l'élément injecteur (surface de quelques dizaines de mm2). Ainsi, une absorption énergétique supérieure à 10% peut être observée, et ce même avec un miroir de bonne qualité.
L'utilisation de miroirs de forme conique voire de forme plus complexe permet de limiter le nombre de réflexion des rayons lumineux et donc de réduire les pertes liées à l'absorption du flux lumineux réfléchi.
Cependant, outre le fait que certains de ces miroirs peuvent être industriellement difficiles à réaliser, l'absorption du flux lumineux qu'ils induisent reste importante.
On comprend donc que la mise en oeuvre de tels miroirs est particulièrement compliquées et coûteuse énergétiquement.
Il existe donc un besoin de développer un élément injecteur de lumière pour photobioréacteur permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un objectif de l'invention est donc de proposer un élément injecteur de lumière permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse entre l'énergie émise par la source de lumière et l'énergie sortant de l'élément injecteur.
L'invention a également pour objectif de proposer un élément injecteur permettant de fournir un flux d'énergie globalement uniforme dans toutes les directions d'émission dudit élément injecteur. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un élément injecteur de lumière comprenant un corps s'étendant selon un axe longitudinal, et une source de lumière placée en regard d'une extrémité du corps, l'élément injecteur étant caractérisé en ce que la source de lumière comprend une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface, ladite pluralité
5 de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives :
= le corps présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique droite ou parallélépipédique ;
= chaque diode présente une surface d'émission élémentaire, la surface d'émission comprenant au moins l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire ;
= lesdites diodes sont associées de sorte à former un circuit intégré ;
= la source de lumière est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique que dans une zone centrale de la surface d'émission ;
= la source de lumière est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la zone périphérique ;
= la zone centrale de la surface d'émission ne comprend pas de diodes ;
= l'élément injecteur comprend en outre une unité de commande configurée pour piloter la source de lumière de sorte que la zone périphérique de la surface d'émission émette davantage de lumière que la zone centrale ;
= l'élément injecteur comprend en outre un miroir d'extrémité disposé à une extrémité du corps opposée à la source de lumière, de sorte à renvoyer dans le corps la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir d'extrémité ;
= la source de lumière est configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ;
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives :
= le corps présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique droite ou parallélépipédique ;
= chaque diode présente une surface d'émission élémentaire, la surface d'émission comprenant au moins l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire ;
= lesdites diodes sont associées de sorte à former un circuit intégré ;
= la source de lumière est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique que dans une zone centrale de la surface d'émission ;
= la source de lumière est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la zone périphérique ;
= la zone centrale de la surface d'émission ne comprend pas de diodes ;
= l'élément injecteur comprend en outre une unité de commande configurée pour piloter la source de lumière de sorte que la zone périphérique de la surface d'émission émette davantage de lumière que la zone centrale ;
= l'élément injecteur comprend en outre un miroir d'extrémité disposé à une extrémité du corps opposée à la source de lumière, de sorte à renvoyer dans le corps la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir d'extrémité ;
= la source de lumière est configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ;
6 = les surfaces d'émission élémentaires des diodes de la zone périphérique sont de dimensions différentes entre elles de sorte que la source de lumière émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ;
= l'élément injecteur comprend en outre des alimentations en courant configurées pour délivrer aux diodes une densité de courant électrique non uniforme de sorte que la source de lumière émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission = l'élément injecteur comprend au moins un élément optique ménagé à
l'intérieur du corps et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière émis par la source de lumière se propageant dans une partie centrale du corps, et dévier vers l'extérieur dudit corps une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie périphérique du corps, de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière = l'élément optique présente une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale du corps = l'élément injecteur comprend une pluralité d'éléments optiques ménagés à
l'intérieur du corps, et s'étendant à distance les uns des autres le long dudit corps, lesdits éléments optiques étant configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale du corps de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques sont éloignés de la source de lumière, de sorte à répartir l'énergie émise par la source de lumière le long du corps = les éléments optiques présentent chacun une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale du corps, lesdites ouvertures présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source de lumière ;
= l'élément injecteur comprend en outre des alimentations en courant configurées pour délivrer aux diodes une densité de courant électrique non uniforme de sorte que la source de lumière émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission = l'élément injecteur comprend au moins un élément optique ménagé à
l'intérieur du corps et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière émis par la source de lumière se propageant dans une partie centrale du corps, et dévier vers l'extérieur dudit corps une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie périphérique du corps, de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière = l'élément optique présente une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale du corps = l'élément injecteur comprend une pluralité d'éléments optiques ménagés à
l'intérieur du corps, et s'étendant à distance les uns des autres le long dudit corps, lesdits éléments optiques étant configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale du corps de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques sont éloignés de la source de lumière, de sorte à répartir l'énergie émise par la source de lumière le long du corps = les éléments optiques présentent chacun une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale du corps, lesdites ouvertures présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source de lumière ;
7 = le ou les éléments optiques sont des lentilles divergentes, ou des prismes ;
= les éléments optiques sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps toute la lumière émise par la zone périphérique de la surface d'émission.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, ledit photobioréacteur comprenant au moins une enceinte de culture destinée à contenir le milieu de culture (12) des microorganismes, ledit photobioréacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière selon le premier aspect de l'invention, le corps dudit élément injecteur étant placé dans l'enceinte de culture.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de micro-organismes photosynthétiques, comprenant un élément injecteur de lumière selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente une vue schématique, en coupe, d'une structure d'une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ;
- la figure 3 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante du mode de réalisation illustré à la figure 1 ;
- la figure 4 représente un premier exemple de profil d'émission d'énergie d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL ;
= les éléments optiques sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps toute la lumière émise par la zone périphérique de la surface d'émission.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, ledit photobioréacteur comprenant au moins une enceinte de culture destinée à contenir le milieu de culture (12) des microorganismes, ledit photobioréacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière selon le premier aspect de l'invention, le corps dudit élément injecteur étant placé dans l'enceinte de culture.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de micro-organismes photosynthétiques, comprenant un élément injecteur de lumière selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente une vue schématique, en coupe, d'une structure d'une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ;
- la figure 3 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante du mode de réalisation illustré à la figure 1 ;
- la figure 4 représente un premier exemple de profil d'émission d'énergie d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL ;
8 PCT/EP2015/077852 - la figure 5 représente un deuxième exemple de profil d'émission d'énergie d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL;
- la figure 6 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 3;
- la figure 7 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 4 ;
- la figure 8 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 5 ;
- la figure 9 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1, 3 et 6 ;
- la figure 10 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1, 3, 6 et 9.
DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 1 montre un photobioréacteur 10 destiné à la culture notamment en continu de micro-organismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, selon un mode de réalisation de l'invention.
Le photobioréacteur 10 comprend au moins une enceinte de culture 11 destinée à contenir le milieu de culture 12 des micro-organismes, et au moins un élément injecteur de lumière 20.
L'élément injecteur de lumière 20 comprend un corps 21 cylindrique s'étendant selon un axe longitudinal 22. Dans une utilisation en photobioréacteur, l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur de lumière 20 coïncide sensiblement avec une direction verticale.
- la figure 6 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 3;
- la figure 7 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 4 ;
- la figure 8 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 5 ;
- la figure 9 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1, 3 et 6 ;
- la figure 10 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1, 3, 6 et 9.
DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 1 montre un photobioréacteur 10 destiné à la culture notamment en continu de micro-organismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, selon un mode de réalisation de l'invention.
Le photobioréacteur 10 comprend au moins une enceinte de culture 11 destinée à contenir le milieu de culture 12 des micro-organismes, et au moins un élément injecteur de lumière 20.
L'élément injecteur de lumière 20 comprend un corps 21 cylindrique s'étendant selon un axe longitudinal 22. Dans une utilisation en photobioréacteur, l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur de lumière 20 coïncide sensiblement avec une direction verticale.
9 On entend par cylindre, le volume engendré par la translation d'une surface (formant une base) selon une direction orthogonale à la surface. Par exemple, le corps 21 peut présenter la forme d'un cylindre de révolution (cylindre dont la base est un disque) ou d'un prisme (cylindre dont la base est un polygone). En particulier, le corps 21 peut présenter la forme d'un parallélépipède rectangle.
Le corps 21 est placé dans l'enceinte de culture 11. Le corps 21 est de façon préférée creux pour éviter des pertes par absorption, mais on comprendra qu'il peut éventuellement être en matériau transparent, voir plus loin. Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10, deux faces opposées dudit corps 21 sont de préférence des plaques 21a, 21b placées à faible distance l'une de l'autre. Les plaques 21a, 21b définissent la longueur (hauteur) et la largeur du corps 21, tandis que la distance entre les plaques 21a, 21b définit l'épaisseur du corps 21. Les plaques sont par exemple en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou en verre.
Le corps 21 de l'élément injecteur de lumière 20 est couplé avec une source de lumière 23 (disposé en extrémité haute de l'élément injecteur de lumière 20 lorsque celui-ci est orienté verticalement) de façon à guider le flux de lumière émis par la source de lumière 23 et le transmettre dans le milieu de culture 12 par sa (ses) paroi(s) latérale (s) 24. Ce couplage est par exemple via une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière, comme il sera expliqué plus loin.
Dans le cas d'un élément 20 creux, le saut d'indice entre la cavité centrale et l'enveloppe du corps 21 définissant les parois latérales 24 (plaques 21a, 21b pour un corps parallélépipédique) permet de contrôler la transmission latérale de la lumière. Dans le cas d'un élément plein, la présence d'une structure à
double enveloppe (de sorte à avoir deux indices différents) avec éventuellement des rugosités est nécessaire.
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10, la lumière est émise latéralement à
travers les plaques 21a, 21b. De préférence et pour des raisons de gestion des pertes thermiques de la source de lumière 23, on place celle-ci à l'extérieur de l'enceinte de culture 11, en regard d'une extrémité 25 proximale dudit corps, notamment au contact d'un radiateur (préféré commun à tous les éléments injecteurs) réfrigéré par un fluide caloporteur.
5 On comprendra que le présent élément injecteur diffuseur de lumière 20 ne transfère l'énergie lumineuse du la source 23 à la paroi latérale que par des phénomènes de réfraction, c'est-à-dire de déviation des rayons lumineux à des interfaces entre deux milieu (i.e. des sauts d'indice), que ce soit au niveau de l'éventuelle lentille 30, de la paroi latérale 24, ou d'éventuels autres éléments
Le corps 21 est placé dans l'enceinte de culture 11. Le corps 21 est de façon préférée creux pour éviter des pertes par absorption, mais on comprendra qu'il peut éventuellement être en matériau transparent, voir plus loin. Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10, deux faces opposées dudit corps 21 sont de préférence des plaques 21a, 21b placées à faible distance l'une de l'autre. Les plaques 21a, 21b définissent la longueur (hauteur) et la largeur du corps 21, tandis que la distance entre les plaques 21a, 21b définit l'épaisseur du corps 21. Les plaques sont par exemple en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou en verre.
Le corps 21 de l'élément injecteur de lumière 20 est couplé avec une source de lumière 23 (disposé en extrémité haute de l'élément injecteur de lumière 20 lorsque celui-ci est orienté verticalement) de façon à guider le flux de lumière émis par la source de lumière 23 et le transmettre dans le milieu de culture 12 par sa (ses) paroi(s) latérale (s) 24. Ce couplage est par exemple via une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière, comme il sera expliqué plus loin.
Dans le cas d'un élément 20 creux, le saut d'indice entre la cavité centrale et l'enveloppe du corps 21 définissant les parois latérales 24 (plaques 21a, 21b pour un corps parallélépipédique) permet de contrôler la transmission latérale de la lumière. Dans le cas d'un élément plein, la présence d'une structure à
double enveloppe (de sorte à avoir deux indices différents) avec éventuellement des rugosités est nécessaire.
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10, la lumière est émise latéralement à
travers les plaques 21a, 21b. De préférence et pour des raisons de gestion des pertes thermiques de la source de lumière 23, on place celle-ci à l'extérieur de l'enceinte de culture 11, en regard d'une extrémité 25 proximale dudit corps, notamment au contact d'un radiateur (préféré commun à tous les éléments injecteurs) réfrigéré par un fluide caloporteur.
5 On comprendra que le présent élément injecteur diffuseur de lumière 20 ne transfère l'énergie lumineuse du la source 23 à la paroi latérale que par des phénomènes de réfraction, c'est-à-dire de déviation des rayons lumineux à des interfaces entre deux milieu (i.e. des sauts d'indice), que ce soit au niveau de l'éventuelle lentille 30, de la paroi latérale 24, ou d'éventuels autres éléments
10 optiques 35i (voir plus loin).
Les phénomènes dits de diffusion (déviation des rayons lumineux par des particules dans un milieu hétérogène) sont quant à eux au maximum évités (au sein d'un milieu donné, on favorise la transparence maximale). Cela permet de ne perdre quasiment aucune énergie dans le milieu et de restituer 100% de l'énergie fournie par la source 23. Des milieux diffusant ont en effet tendance à
chauffer sous l'effet du rayonnement.
La source de lumière 23 comprend une pluralité de diodes laser à cavité
verticale émettant par la surface, dites VCSEL (en terminologie anglo-saxonne Vertical Cavity Surface Emission Laser ), disposées de sorte à former une surface d'émission 26 sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 22 du corps 21 et à émettre un faisceau de lumière dans une direction d'émission 27 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21. Les VCSEL sont alimentées en courant électrique par l'intermédiaire d'au moins une alimentation en courant 28. La ou les alimentations en courant 28 sont par exemple pilotées par une unité de commande 29. La surface d'émission 26 est de préférence centrée sur l'entrée (extrémité 25) du corps 21. La surface d'émission 26 est de préférence de forme adaptée à la section transversale du corps 21. Ainsi, dans le cas d'un corps 21 présentant une section transversale circulaire, la surface d'émission 26 sera de préférence un disque, tandis que dans le cas d'un corps
Les phénomènes dits de diffusion (déviation des rayons lumineux par des particules dans un milieu hétérogène) sont quant à eux au maximum évités (au sein d'un milieu donné, on favorise la transparence maximale). Cela permet de ne perdre quasiment aucune énergie dans le milieu et de restituer 100% de l'énergie fournie par la source 23. Des milieux diffusant ont en effet tendance à
chauffer sous l'effet du rayonnement.
La source de lumière 23 comprend une pluralité de diodes laser à cavité
verticale émettant par la surface, dites VCSEL (en terminologie anglo-saxonne Vertical Cavity Surface Emission Laser ), disposées de sorte à former une surface d'émission 26 sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 22 du corps 21 et à émettre un faisceau de lumière dans une direction d'émission 27 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21. Les VCSEL sont alimentées en courant électrique par l'intermédiaire d'au moins une alimentation en courant 28. La ou les alimentations en courant 28 sont par exemple pilotées par une unité de commande 29. La surface d'émission 26 est de préférence centrée sur l'entrée (extrémité 25) du corps 21. La surface d'émission 26 est de préférence de forme adaptée à la section transversale du corps 21. Ainsi, dans le cas d'un corps 21 présentant une section transversale circulaire, la surface d'émission 26 sera de préférence un disque, tandis que dans le cas d'un corps
11 de la forme d'un parallélépipède rectangle, la surface d'émission 26 sera de préférence une bande, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10.
Les VCSEL sont des lasers solides à semi-conducteur à gap direct permettant d'obtenir une émission de lumière cohérente, contrairement aux LEDs qui ne permettent que de générer une lumière incohérente.
Comme illustré à la figure 2, une VCSEL comprend une structure 100 en couches superposées selon la direction d'émission 101 du faisceau de lumière.
La structure 100 comprend notamment :
- une couche de contact métallique dite inférieure 102, - un substrat de semi-conducteur 103 présentant un dopage de type n, - un miroir de Bragg dit inférieur 104 présentant un dopage de type n, - au moins un puits quantique 105 formant la cavité verticale résonnante, - un miroir de Bragg dit supérieur 106 présentant un dopage de type p, - une couche de contact métallique 107 dite supérieure présentant une ouverture 108, dans laquelle est déposée une couche d'oxyde métallique transparente et conductrice, et par laquelle le faisceau de lumière 109 est émis.
Une VCSEL émet donc un faisceau de lumière par une surface d'émission élémentaire 110 sensiblement perpendiculaire à la direction d'empilement des couches 102 à 107, contrairement aux lasers solides conventionnels qui émettent par la tranche, c'est-à-dire par une surface sensiblement parallèle à la direction d'empilement des couches (flanc de la cavité).
La surface d'émission élémentaire d'une VCSEL est par exemple de l'ordre de la centaine de pm2 et la puissance optique délivrée dépasse les quelques dizaines de milliwatts dans le domaine du visible pour une surface d'émission de quelques centaines de pm2.
Le fait que les VCSEL aient une structure 100 en couches s'étendant perpendiculairement à la direction d'émission 101 (technologie dite planar ) permet d'en associer un très grand nombre (quelques centaines) sur une surface millimétrique, de sorte à former un circuit intégré laser C-VCSEL comprenant
Les VCSEL sont des lasers solides à semi-conducteur à gap direct permettant d'obtenir une émission de lumière cohérente, contrairement aux LEDs qui ne permettent que de générer une lumière incohérente.
Comme illustré à la figure 2, une VCSEL comprend une structure 100 en couches superposées selon la direction d'émission 101 du faisceau de lumière.
La structure 100 comprend notamment :
- une couche de contact métallique dite inférieure 102, - un substrat de semi-conducteur 103 présentant un dopage de type n, - un miroir de Bragg dit inférieur 104 présentant un dopage de type n, - au moins un puits quantique 105 formant la cavité verticale résonnante, - un miroir de Bragg dit supérieur 106 présentant un dopage de type p, - une couche de contact métallique 107 dite supérieure présentant une ouverture 108, dans laquelle est déposée une couche d'oxyde métallique transparente et conductrice, et par laquelle le faisceau de lumière 109 est émis.
Une VCSEL émet donc un faisceau de lumière par une surface d'émission élémentaire 110 sensiblement perpendiculaire à la direction d'empilement des couches 102 à 107, contrairement aux lasers solides conventionnels qui émettent par la tranche, c'est-à-dire par une surface sensiblement parallèle à la direction d'empilement des couches (flanc de la cavité).
La surface d'émission élémentaire d'une VCSEL est par exemple de l'ordre de la centaine de pm2 et la puissance optique délivrée dépasse les quelques dizaines de milliwatts dans le domaine du visible pour une surface d'émission de quelques centaines de pm2.
Le fait que les VCSEL aient une structure 100 en couches s'étendant perpendiculairement à la direction d'émission 101 (technologie dite planar ) permet d'en associer un très grand nombre (quelques centaines) sur une surface millimétrique, de sorte à former un circuit intégré laser C-VCSEL comprenant
12 un nombre N de VCSEL. L'énergie lumineuse émise par le C-VCSEL est la somme des énergies lumineuses émises par chaque VCSEL élémentaire s'il n'y a pas de couplage entre VCSEL, notamment par les couches semi-conductrices 103 à 106 Un C-VCSEL permet ainsi d'obtenir des émissions lumineuses de forte puissance avec une divergence quasiment nulle, contrairement aux LEDs. Un C-VCSEL permet par exemple d'obtenir des puissances dépassant la dizaine de watts optiques par mm2.
La pluralité de VCSEL de la source de lumière 23 est ainsi organisée en C-VCSEL de sorte que l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire 110 des VCSEL forment la surface d'émission 26.
On comprendra que l'utilisation d'un C-VCSEL permet de transporter l'énergie lumineuse sur toute la longueur du corps 21 ainsi que de se passer des miroirs qui dans l'art antérieur étaient nécessaires pour corriger le profil d'énergie lambertien des LEDs, réduisant de ce fait les pertes énergétiques qui étaient liées à l'utilisation de ces miroirs, ainsi que les coûts de réalisation de l'élément injecteur 20.
Comme l'on verra plus loin, de façon avantageuse le C-VCSEL peut être configuré de sorte à présenter une densité d'énergie variable sur sa surface d'émission 26. L'homme du métier connait une pluralité de techniques permettant d'arriver à ce résultat, et le présent élément injecteur de lumière ne sera limité à
aucune d'entre elles.
En particulier, la structure complexe d'un VCSEL (miroirs de Bragg, couches actives, etc.) est réalisée par épitaxie (épitaxie par jets moléculaires par exemple) sur un substrat 103 conducteur d'au moins toute la surface du C-VCSEL. La délimitation des VCSEL élémentaires (c'est-à-dire de la surface d'émission élémentaire de chaque VCSEL) est faite par lithographie optique. Il est ainsi possible par le biais de masques optiques de définir les dimensions de la surface d'émission élémentaire 110 de chaque VCSEL et leurs densités surfaciques (autrement dit faire varier le pas entre deux VCSEL adjacentes) sur une zone donnée du C-VCSEL. Les technologies de connectiques font l'objet de
La pluralité de VCSEL de la source de lumière 23 est ainsi organisée en C-VCSEL de sorte que l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire 110 des VCSEL forment la surface d'émission 26.
On comprendra que l'utilisation d'un C-VCSEL permet de transporter l'énergie lumineuse sur toute la longueur du corps 21 ainsi que de se passer des miroirs qui dans l'art antérieur étaient nécessaires pour corriger le profil d'énergie lambertien des LEDs, réduisant de ce fait les pertes énergétiques qui étaient liées à l'utilisation de ces miroirs, ainsi que les coûts de réalisation de l'élément injecteur 20.
Comme l'on verra plus loin, de façon avantageuse le C-VCSEL peut être configuré de sorte à présenter une densité d'énergie variable sur sa surface d'émission 26. L'homme du métier connait une pluralité de techniques permettant d'arriver à ce résultat, et le présent élément injecteur de lumière ne sera limité à
aucune d'entre elles.
En particulier, la structure complexe d'un VCSEL (miroirs de Bragg, couches actives, etc.) est réalisée par épitaxie (épitaxie par jets moléculaires par exemple) sur un substrat 103 conducteur d'au moins toute la surface du C-VCSEL. La délimitation des VCSEL élémentaires (c'est-à-dire de la surface d'émission élémentaire de chaque VCSEL) est faite par lithographie optique. Il est ainsi possible par le biais de masques optiques de définir les dimensions de la surface d'émission élémentaire 110 de chaque VCSEL et leurs densités surfaciques (autrement dit faire varier le pas entre deux VCSEL adjacentes) sur une zone donnée du C-VCSEL. Les technologies de connectiques font l'objet de
13 dépôts à travers des masques adaptés aux besoins de commandes électriques, bien connues de l'homme de l'art. Il est ainsi possible de prévoir des trous dans la surface d'émission 26, en d'autres termes des zones dépourvues de VCSEL. Pour la clarté de la description, les éventuelles zones présentant une émission de lumière nulle mais entourées par des zones présentant une émission de lumière non nulle seront considérées comme faisant partie de la surface d'émission 26.
Alternativement, dans le C-VCSEL, chaque VCSEL peut être connectée individuellement à une alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'unité de commande 29 peut être configurée pour commander individuellement les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer des densités de courant différentes selon les VCSEL. On peut aussi commander les VCSEL en tension. Le C-VCSEL
peut également être délimité par zones et les VCSEL de chaque zone peuvent être connectées entre elles et à une alimentation en courant 28 dédiée par zone.
Dans ces deux derniers cas, l'unité de commande 29 est par exemple un circuit de commande matricielle. Les VCSEL peuvent au contraire être connectées entre elles et à une unique alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'alimentation en courant 28 est pilotée par l'unité de commande 29 de sorte à délivrer une densité
de courant uniforme (autrement dit, si les VCSEL ont la même impédance par unité de surface, la tension est la même pour tous les VCSEL).
Dans l'exemple illustré à la figure 1, la source de lumière 23 est associée, en amont du corps 21, à une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière émis par les VCSEL vers la paroi latérale 24 du corps 21. La lentille d'entrée 30 permet d'ajuster l'angle d'attaque du faisceau de lumière dévié contre la paroi latérale 24 du corps 21, de sorte à
contrôler l'énergie émise par le corps 21. De préférence, l'angle d'attaque est choisi de sorte que l'énergie émise par l'élément injecteur soit comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une énergie dite de saturation des micro-organismes. L'énergie seuil correspond à l'énergie minimale nécessaire pour
Alternativement, dans le C-VCSEL, chaque VCSEL peut être connectée individuellement à une alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'unité de commande 29 peut être configurée pour commander individuellement les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer des densités de courant différentes selon les VCSEL. On peut aussi commander les VCSEL en tension. Le C-VCSEL
peut également être délimité par zones et les VCSEL de chaque zone peuvent être connectées entre elles et à une alimentation en courant 28 dédiée par zone.
Dans ces deux derniers cas, l'unité de commande 29 est par exemple un circuit de commande matricielle. Les VCSEL peuvent au contraire être connectées entre elles et à une unique alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'alimentation en courant 28 est pilotée par l'unité de commande 29 de sorte à délivrer une densité
de courant uniforme (autrement dit, si les VCSEL ont la même impédance par unité de surface, la tension est la même pour tous les VCSEL).
Dans l'exemple illustré à la figure 1, la source de lumière 23 est associée, en amont du corps 21, à une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière émis par les VCSEL vers la paroi latérale 24 du corps 21. La lentille d'entrée 30 permet d'ajuster l'angle d'attaque du faisceau de lumière dévié contre la paroi latérale 24 du corps 21, de sorte à
contrôler l'énergie émise par le corps 21. De préférence, l'angle d'attaque est choisi de sorte que l'énergie émise par l'élément injecteur soit comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une énergie dite de saturation des micro-organismes. L'énergie seuil correspond à l'énergie minimale nécessaire pour
14 amorcer la photosynthèse. L'angle d'attaque permet ensuite de déterminer la focale f de la lentille d'entrée 30. On comprendra que le C-VCSEL permet d'émettre un faisceau de lumière sensiblement cylindrique, parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21, et que de ce fait l'angle d'attaque du faisceau de lumière peut être plus aisément contrôlé par la lentille d'entrée 30. Par ailleurs, cela permet d'étaler la tâche lumineuse générée lorsque le faisceau de lumière est dévié par la lentille d'entrée 30 sur toute la longueur de la paroi latérale 24 du corps 21 et ainsi de répartir l'énergie émise sur toute la longueur du corps 21.
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9, la lentille d'entrée 30 est remplacée par un prisme divergent 301 présentant une largeur et une longueur sensiblement égales à
l'épaisseur et à la largeur du corps 21, respectivement. Les faces du prisme 30' peuvent être non planes afin de distribuer au mieux l'énergie le long des plaques 21a, 21b du corps 21.
Dans les exemples illustrés aux figures 1 et 3, la surface d'émission 26 du C-VCSEL est sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21. Si la surface d'émission 26 du C-VCSEL est de dimensions inférieures à la section transversale du corps 21, l'élément injecteur 20 peut en outre être pourvu d'un système optique projetant une image agrandie du C-VCSEL, de préférence de la section du guide optique, sur la lentille (ou le prisme) divergente située en entrée du corps 21.
Dans l'exemple illustré à la figure 1, l'élément injecteur 20 comprend en 25 outre un miroir 31 disposé à une extrémité distale du corps 21, i.e.
l'extrémité
opposée à la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 est configuré pour renvoyer le faisceau de lumière dans le corps 21 de sorte à compenser la perte d'énergie extraite du corps 21 lorsque l'on s'éloigne de la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 permet ainsi d'uniformiser le flux d'énergie émis par la paroi 30 latérale 24 du corps 21. Le miroir d'extrémité 31 présente par exemple une surface réfléchissante plane, demi-sphérique, conique ou parabolique. De préférence, le profil de la surface réfléchissante du miroir 31 est déterminée de sorte que l'énergie lumineuse réfléchie par le miroir d'extrémité 31 diminue à
mesure que l'on s'approche de la source de lumière 23, afin que réduire au 5 maximum l'énergie revenant sur la source de lumière 23. On comprendra en effet que pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, il est avantageux de renvoyer dans le corps 21 la fraction du faisceau de lumière arrivant directement sur le miroir d'extrémité 31 (c'est-à-dire sans avoir été
réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21) et la fraction réfléchie par la paroi latérale 24 du 10 corps 21 vers le miroir d'extrémité 31. On comprendra également, toujours pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, qu'il est avantageux de réduire la fraction du faisceau de lumière revenant sur la source de lumière 23 afin notamment d'éviter que cette dernière ne s'échauffe et qu'une partie de l'énergie émise ne soit pas transmise au milieu de culture 12. Le miroir 31 est de
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9, la lentille d'entrée 30 est remplacée par un prisme divergent 301 présentant une largeur et une longueur sensiblement égales à
l'épaisseur et à la largeur du corps 21, respectivement. Les faces du prisme 30' peuvent être non planes afin de distribuer au mieux l'énergie le long des plaques 21a, 21b du corps 21.
Dans les exemples illustrés aux figures 1 et 3, la surface d'émission 26 du C-VCSEL est sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21. Si la surface d'émission 26 du C-VCSEL est de dimensions inférieures à la section transversale du corps 21, l'élément injecteur 20 peut en outre être pourvu d'un système optique projetant une image agrandie du C-VCSEL, de préférence de la section du guide optique, sur la lentille (ou le prisme) divergente située en entrée du corps 21.
Dans l'exemple illustré à la figure 1, l'élément injecteur 20 comprend en 25 outre un miroir 31 disposé à une extrémité distale du corps 21, i.e.
l'extrémité
opposée à la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 est configuré pour renvoyer le faisceau de lumière dans le corps 21 de sorte à compenser la perte d'énergie extraite du corps 21 lorsque l'on s'éloigne de la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 permet ainsi d'uniformiser le flux d'énergie émis par la paroi 30 latérale 24 du corps 21. Le miroir d'extrémité 31 présente par exemple une surface réfléchissante plane, demi-sphérique, conique ou parabolique. De préférence, le profil de la surface réfléchissante du miroir 31 est déterminée de sorte que l'énergie lumineuse réfléchie par le miroir d'extrémité 31 diminue à
mesure que l'on s'approche de la source de lumière 23, afin que réduire au 5 maximum l'énergie revenant sur la source de lumière 23. On comprendra en effet que pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, il est avantageux de renvoyer dans le corps 21 la fraction du faisceau de lumière arrivant directement sur le miroir d'extrémité 31 (c'est-à-dire sans avoir été
réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21) et la fraction réfléchie par la paroi latérale 24 du 10 corps 21 vers le miroir d'extrémité 31. On comprendra également, toujours pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, qu'il est avantageux de réduire la fraction du faisceau de lumière revenant sur la source de lumière 23 afin notamment d'éviter que cette dernière ne s'échauffe et qu'une partie de l'énergie émise ne soit pas transmise au milieu de culture 12. Le miroir 31 est de
15 préférence de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21.
Comme illustré à la figure 3, l'élément injecteur 20 peut également être muni d'une lentille d'extrémité 32 divergente ou convergente ménagée à
l'intérieur du corps 21 en regard du miroir d'extrémité 31, de sorte à augmenter l'angle d'attaque contre la paroi latérale 24 du corps 21 de la fraction du faisceau de lumière réfléchie contre le miroir d'extrémité 31. De cette manière, l'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31 est plus rapidement consommée et les risques que cette énergie ne retourne sur la source de lumière 23 sont limités.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la source de lumière 23 est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique 33 que dans une zone centrale 34 de la surface d'émission 26. De préférence, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 n'émet aucune lumière. De cette manière, la partie du faisceau de lumière réfléchie directement (c'est-à-dire sans avoir été réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21) contre le miroir d'extrémité
Comme illustré à la figure 3, l'élément injecteur 20 peut également être muni d'une lentille d'extrémité 32 divergente ou convergente ménagée à
l'intérieur du corps 21 en regard du miroir d'extrémité 31, de sorte à augmenter l'angle d'attaque contre la paroi latérale 24 du corps 21 de la fraction du faisceau de lumière réfléchie contre le miroir d'extrémité 31. De cette manière, l'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31 est plus rapidement consommée et les risques que cette énergie ne retourne sur la source de lumière 23 sont limités.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la source de lumière 23 est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique 33 que dans une zone centrale 34 de la surface d'émission 26. De préférence, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 n'émet aucune lumière. De cette manière, la partie du faisceau de lumière réfléchie directement (c'est-à-dire sans avoir été réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21) contre le miroir d'extrémité
16 31 est limitée voire supprimée, réduisant de ce fait l'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31 directement vers la source de lumière 23. Cela permet en outre de limiter la quantité d'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31, et ainsi de réduire les pertes énergétiques liées à cette réflexion.
Un exemple de profil d'émission de la source de lumière 23 présentant une telle densité d'énergie dans la surface d'émission 26 est illustré à la figure 4. Dans cet exemple, la densité d'énergie est nulle dans la zone centrale 34 et uniforme dans la zone périphérique 33. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21. La zone centrale 34 de la surface d'émission 26 présente la forme d'un disque et la zone périphérique 35 de la surface d'émission 26 présente la forme d'un anneau.
Selon ce mode de réalisation préféré, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 ne comprend par exemple pas de VCSEL. Le substrat traité par photolithographie peut également être configuré pour désactiver les VCSEL (les surfaces d'émission élémentaires des VCSEL) de la zone centrale 24, de sorte que seules les VCSEL de la zone périphérique 33 émettent de la lumière.
Selon une variante, l'unité de commande 29 pilote la source de lumière 23 de sorte que la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 émette davantage de lumière que la zone centrale 34. Pour cela, l'unité de commande commande par exemple la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL
de la zone centrale 34 de délivrer une densité de courant faible voire nulle, et la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL de la zone périphérique 33 de délivrer une densité de courant plus forte. Les VCSEL de la zone centrale 34 sont de préférence éteintes. Les VCSEL peuvent également être commandées en tension.
Avantageusement, la source de lumière 23 est en outre configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Pour cela, le substrat (après le dépôt des couches définissant la structure 100 illustrée à la figure 2) traité par photolithographie peut
Un exemple de profil d'émission de la source de lumière 23 présentant une telle densité d'énergie dans la surface d'émission 26 est illustré à la figure 4. Dans cet exemple, la densité d'énergie est nulle dans la zone centrale 34 et uniforme dans la zone périphérique 33. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21. La zone centrale 34 de la surface d'émission 26 présente la forme d'un disque et la zone périphérique 35 de la surface d'émission 26 présente la forme d'un anneau.
Selon ce mode de réalisation préféré, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 ne comprend par exemple pas de VCSEL. Le substrat traité par photolithographie peut également être configuré pour désactiver les VCSEL (les surfaces d'émission élémentaires des VCSEL) de la zone centrale 24, de sorte que seules les VCSEL de la zone périphérique 33 émettent de la lumière.
Selon une variante, l'unité de commande 29 pilote la source de lumière 23 de sorte que la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 émette davantage de lumière que la zone centrale 34. Pour cela, l'unité de commande commande par exemple la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL
de la zone centrale 34 de délivrer une densité de courant faible voire nulle, et la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL de la zone périphérique 33 de délivrer une densité de courant plus forte. Les VCSEL de la zone centrale 34 sont de préférence éteintes. Les VCSEL peuvent également être commandées en tension.
Avantageusement, la source de lumière 23 est en outre configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Pour cela, le substrat (après le dépôt des couches définissant la structure 100 illustrée à la figure 2) traité par photolithographie peut
17 être configuré pour moduler la surface d'émission élémentaire des VCSEL de la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 de sorte à obtenir une densité
d'énergie non uniforme (dans le C-VCSEL). En variante, l'unité de commande 29 commande les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer une densité de courant non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26.
Un exemple de profil d'émission du C-VCSEL présentant une telle densité
d'énergie dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 est illustré à la figure 5. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21. On voit sur la figure 5 que la source de lumière 23 est configurée pour émettre une énergie décroissante depuis le bord de la zone centrale 34 vers le bord de la surface d'émission 26. Plus précisément, sur une première zone s'étendant depuis le bord de la zone centrale 34, l'énergie décroît à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie moyen haut, puis, sur une deuxième zone s'étendant depuis le bord de la première zone vers le bord de la surface d'émission 26, l'énergie décroît à nouveau à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie moyen faible à un niveau d'énergie faible. A l'interface entre la première zone et la deuxième zone, le niveau d'énergie est donc discontinu.
Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 comprend en outre une pluralité d'éléments optiques 35i ménagés à l'intérieur du corps 21 à
distance les uns des autres le long dudit corps 21, les éléments optiques 35i étant en outre configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale 36i de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. De cette manière, à chaque fois que le faisceau de lumière traverse un élément optique 35i, ce dernier est ponctionné d'une partie de son énergie pour la transmettre vers l'extérieur du corps 21. Les éléments optiques 35i permettent ainsi de répartir l'énergie du faisceau de lumière le long du corps 21. On comprendra que le
d'énergie non uniforme (dans le C-VCSEL). En variante, l'unité de commande 29 commande les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer une densité de courant non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26.
Un exemple de profil d'émission du C-VCSEL présentant une telle densité
d'énergie dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 est illustré à la figure 5. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21. On voit sur la figure 5 que la source de lumière 23 est configurée pour émettre une énergie décroissante depuis le bord de la zone centrale 34 vers le bord de la surface d'émission 26. Plus précisément, sur une première zone s'étendant depuis le bord de la zone centrale 34, l'énergie décroît à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie moyen haut, puis, sur une deuxième zone s'étendant depuis le bord de la première zone vers le bord de la surface d'émission 26, l'énergie décroît à nouveau à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie moyen faible à un niveau d'énergie faible. A l'interface entre la première zone et la deuxième zone, le niveau d'énergie est donc discontinu.
Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 comprend en outre une pluralité d'éléments optiques 35i ménagés à l'intérieur du corps 21 à
distance les uns des autres le long dudit corps 21, les éléments optiques 35i étant en outre configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale 36i de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. De cette manière, à chaque fois que le faisceau de lumière traverse un élément optique 35i, ce dernier est ponctionné d'une partie de son énergie pour la transmettre vers l'extérieur du corps 21. Les éléments optiques 35i permettent ainsi de répartir l'énergie du faisceau de lumière le long du corps 21. On comprendra que le
18 premier élément optique 351 peut jouer le rôle de la lentille 30 d'entrée, et ainsi la remplacer.
On comprendra qu'il est ainsi possible de prélever l'énergie émise par la source de lumière 23 de manière à la répartir uniformément le long du corps 21, de sorte que l'énergie moyenne le long dudit corps 21 soit suffisante pour permettre le développement des microorganismes. L'énergie émise le long du corps 21 est notamment comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une énergie dite de saturation des micro-organismes. L'énergie seuil correspond à
l'énergie minimale nécessaire pour amorcer la photosynthèse.
Les éléments optiques 35i sont de préférence de même forme et sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21, le bord des éléments optiques 35i étant placé contre la surface intérieure de la paroi latérale du corps 21. Ainsi, dans le cas d'un corps 21 de section transversale circulaire, les éléments optiques 35i présentent un diamètre sensiblement égal au diamètre du corps 21, tandis que dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, les éléments optiques 35i présentent une longueur et une largeur sensiblement égales à la largeur et à l'épaisseur du corps 21, respectivement.
Par exemple, les éléments optiques 35i sont troués , ils présentent une ouverture 38i sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal 22 du corps 21, de sorte à ne laisser passer que la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale 36i du corps 21 sans la dévier. Les ouvertures 38i sont en outre de plus en plus petites à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23.
L'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence de même forme que la section transversale du corps 21. Ainsi, lorsque le corps 21 est tubulaire, l'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence circulaire, le diamètre Di des ouvertures 38i étant alors de plus en plus petit à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. Les éléments optiques 35i sont par exemple des lentilles divergentes ou des prismes
On comprendra qu'il est ainsi possible de prélever l'énergie émise par la source de lumière 23 de manière à la répartir uniformément le long du corps 21, de sorte que l'énergie moyenne le long dudit corps 21 soit suffisante pour permettre le développement des microorganismes. L'énergie émise le long du corps 21 est notamment comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une énergie dite de saturation des micro-organismes. L'énergie seuil correspond à
l'énergie minimale nécessaire pour amorcer la photosynthèse.
Les éléments optiques 35i sont de préférence de même forme et sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21, le bord des éléments optiques 35i étant placé contre la surface intérieure de la paroi latérale du corps 21. Ainsi, dans le cas d'un corps 21 de section transversale circulaire, les éléments optiques 35i présentent un diamètre sensiblement égal au diamètre du corps 21, tandis que dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, les éléments optiques 35i présentent une longueur et une largeur sensiblement égales à la largeur et à l'épaisseur du corps 21, respectivement.
Par exemple, les éléments optiques 35i sont troués , ils présentent une ouverture 38i sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal 22 du corps 21, de sorte à ne laisser passer que la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale 36i du corps 21 sans la dévier. Les ouvertures 38i sont en outre de plus en plus petites à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23.
L'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence de même forme que la section transversale du corps 21. Ainsi, lorsque le corps 21 est tubulaire, l'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence circulaire, le diamètre Di des ouvertures 38i étant alors de plus en plus petit à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. Les éléments optiques 35i sont par exemple des lentilles divergentes ou des prismes
19 déflecteurs, notamment des prismes annulaires. Les lentilles 35i peuvent présenter une focale identique ou différente. De même, les prismes 35i peuvent présenter des géométries identiques ou différentes.
Lorsque le corps 21 est tubulaire, chaque lentille 35i est par exemple positionnée dans ledit corps au moyen d'un anneau élastique (non représenté) en plastique, collé contre la paroi intérieure du corps 21.
Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 est tubulaire et les éléments optiques 35i sont des lentilles divergentes présentant une ouverture 38i de diamètre Di de plus en plus petite à mesure que la lentille 35i est éloignée de la source de lumière 23. Dans cet exemple, lorsque la source de lumière 23 émet le faisceau de lumière dans la direction d'émission, une lentille 35i intercepte une fraction du faisceau de lumière et la dévie vers l'extérieur du corps 21.
La lentille 35i permet ainsi de faire sortir une énergie moyenne du corps sur une longueur Li dépendant de la focale fi de la lentille 35i et de son diamètre Di. La fraction du faisceau de lumière interceptée par la lentille 35i détermine l'énergie injectée sur la longueur Li. Au bout de la longueur Li, une nouvelle fraction du faisceau de lumière est interceptée par une lentille 35i+1 (dans la mesure où
la lentille 35i+1 présente une ouverture 38i+1 de diamètre Di+1 inférieur à la lentille 35i) et est déviée vers l'extérieur du corps 21 sur une longueur Li+1 dépendant de la focale fi+1 de la lentille 35i+1 et de son diamètre Di+1. La puissance reçue par la lentille 35i+1 est proportionnelle à la différence de surfaces entre les ouvertures 38i et 38i+1. On comprendra qu'en réalisant cette opération n fois (c'est-à-dire en positionnant n lentilles 35i dans le corps), il est possible de prélever progressivement de l'énergie du faisceau de lumière pour la distribuer de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21.
La longueur Li correspond à la distance entre la lentille 35i et le point d'attaque de la fraction du faisceau de lumière déviée par le bord de l'ouverture 38i de la lentille 35i sur la paroi latérale 24 du corps 21. On comprendra que pour répartir l'énergie de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21, la lentille 35i+1 est de préférence placée à une distance de la lentille 35i correspondant à la longueur Li.
On comprendra par ailleurs que pour obtenir une distribution de l'énergie uniforme sur toute la longueur du corps 21, les paramètres de chaque lentille 35i 5 sont optimisés en fonction du nombre n de lentilles 35i. Ces paramètres sont les suivants : le diamètre Di, la longueur Li (ou distance entre deux lentilles consécutives 35i et 35i+1), et la focale fi de chaque lentille 35i. On notera également que l'optimisation des paramètres des lentilles 35i peut en outre prendre en compte, pour la croissance de micro-organisme photosynthétique, le 10 fait que l'énergie moyenne émise par le corps 21 doit être comprise entre l'énergie seuil et l'énergie dite de saturation des micro-organismes.
L'élément injecteur 20 permet ainsi de ponctionner progressivement l'énergie véhiculée dans le faisceau de lumière et de la dévier vers l'extérieur du corps 21 de manière contrôlée.
15 Avantageusement, les éléments optiques 35i sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps 21 toute la lumière émise par la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Pour cela, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 est de dimensions supérieures ou égales à celles de l'ouverture 38i de l'élément optique 35i le plus éloigné de la source laser 23. On comprendra en effet
Lorsque le corps 21 est tubulaire, chaque lentille 35i est par exemple positionnée dans ledit corps au moyen d'un anneau élastique (non représenté) en plastique, collé contre la paroi intérieure du corps 21.
Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 est tubulaire et les éléments optiques 35i sont des lentilles divergentes présentant une ouverture 38i de diamètre Di de plus en plus petite à mesure que la lentille 35i est éloignée de la source de lumière 23. Dans cet exemple, lorsque la source de lumière 23 émet le faisceau de lumière dans la direction d'émission, une lentille 35i intercepte une fraction du faisceau de lumière et la dévie vers l'extérieur du corps 21.
La lentille 35i permet ainsi de faire sortir une énergie moyenne du corps sur une longueur Li dépendant de la focale fi de la lentille 35i et de son diamètre Di. La fraction du faisceau de lumière interceptée par la lentille 35i détermine l'énergie injectée sur la longueur Li. Au bout de la longueur Li, une nouvelle fraction du faisceau de lumière est interceptée par une lentille 35i+1 (dans la mesure où
la lentille 35i+1 présente une ouverture 38i+1 de diamètre Di+1 inférieur à la lentille 35i) et est déviée vers l'extérieur du corps 21 sur une longueur Li+1 dépendant de la focale fi+1 de la lentille 35i+1 et de son diamètre Di+1. La puissance reçue par la lentille 35i+1 est proportionnelle à la différence de surfaces entre les ouvertures 38i et 38i+1. On comprendra qu'en réalisant cette opération n fois (c'est-à-dire en positionnant n lentilles 35i dans le corps), il est possible de prélever progressivement de l'énergie du faisceau de lumière pour la distribuer de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21.
La longueur Li correspond à la distance entre la lentille 35i et le point d'attaque de la fraction du faisceau de lumière déviée par le bord de l'ouverture 38i de la lentille 35i sur la paroi latérale 24 du corps 21. On comprendra que pour répartir l'énergie de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21, la lentille 35i+1 est de préférence placée à une distance de la lentille 35i correspondant à la longueur Li.
On comprendra par ailleurs que pour obtenir une distribution de l'énergie uniforme sur toute la longueur du corps 21, les paramètres de chaque lentille 35i 5 sont optimisés en fonction du nombre n de lentilles 35i. Ces paramètres sont les suivants : le diamètre Di, la longueur Li (ou distance entre deux lentilles consécutives 35i et 35i+1), et la focale fi de chaque lentille 35i. On notera également que l'optimisation des paramètres des lentilles 35i peut en outre prendre en compte, pour la croissance de micro-organisme photosynthétique, le 10 fait que l'énergie moyenne émise par le corps 21 doit être comprise entre l'énergie seuil et l'énergie dite de saturation des micro-organismes.
L'élément injecteur 20 permet ainsi de ponctionner progressivement l'énergie véhiculée dans le faisceau de lumière et de la dévier vers l'extérieur du corps 21 de manière contrôlée.
15 Avantageusement, les éléments optiques 35i sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps 21 toute la lumière émise par la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Pour cela, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 est de dimensions supérieures ou égales à celles de l'ouverture 38i de l'élément optique 35i le plus éloigné de la source laser 23. On comprendra en effet
20 que dans ce cas, tout le faisceau de lumière est dévié par les éléments optiques 35i et qu'aucune fraction du faisceau de lumière ne vient directement se réfléchir contre le miroir d'extrémité 31 sans avoir été préalablement déviée. On évite ainsi que le miroir d'extrémité 31 ne réfléchisse le faisceau de lumière directement sur la source de lumière 23, ce qui entraînerait des pertes d'énergie et une surchauffe de ladite source de lumière 23.
En variante, dans le cas particulier d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 10, les ouvertures 38i peuvent être formées par des couples de prismes déflecteurs 35i placés en regard et à
distance l'un de l'autre. Chaque prisme 35i d'un couple de prismes présente alors un premier bord placé contre la surface intérieure d'une plaque 21a, 21b opposée
En variante, dans le cas particulier d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 10, les ouvertures 38i peuvent être formées par des couples de prismes déflecteurs 35i placés en regard et à
distance l'un de l'autre. Chaque prisme 35i d'un couple de prismes présente alors un premier bord placé contre la surface intérieure d'une plaque 21a, 21b opposée
21 du corps 21, et un deuxième bord s'étendant en regard et à une distance di du deuxième bord de l'autre prisme 35i du couple de prismes, la distance di entre les primes 35i de chaque couple formant ainsi l'ouverture 38i. La distance di est de plus en plus petite à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23.
Les figures 7 et 8 illustrent la répartition de l'énergie émise par un élément injecteur 20 à corps 21 cylindrique comprenant des éléments optiques 35i, respectivement lorsque les C-VCSEL suivent les profils d'émission illustrés aux figures 5 et 6. On observe que l'élément injecteur 20 permet d'émettre un niveau d'énergie globalement uniforme sur tout le long du corps 21, lorsque les C-VCSEL
ont le profil d'émission illustré à la figure 5, et que le profil d'émission illustré à la figure 6 permet d'améliorer encore l'uniformité de la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur 20 le long du corps 21. Des résultats similaires sont obtenus avec un élément injecteur 20 tel qu'illustré à la figure 10, ce dernier présentant alors un profil d'émission globalement uniforme sur toute la surface des plaques 21a, 21b.
Le fait d'utiliser des éléments optiques 35i en combinaison d'un C-VCSEL
comme source de lumière 23 permet de réaliser des éléments injecteurs 20 de grande longueur (supérieure à un mètre) (cas du corps 21 cylindrique illustré
aux figures 1 et 3) ou de grande surface (cas du corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle illustré à la figure 10) et qui présente un rendement (puissance transférée au milieu de culture/puissance émise par le C-VCSEL) particulièrement élevé, notamment supérieur à 90%.
L'unité de commande 29 peut également être configurée pour piloter la source de lumière 23 de sorte qu'elle émette une lumière pulsée. En particulier, avec les VCSEL, la lumière peut être modulée à des fréquences élevées, notamment au-delà du GHz. Au contraire, les LEDs peuvent difficilement aller au-delà de 100 MHz.
Les figures 7 et 8 illustrent la répartition de l'énergie émise par un élément injecteur 20 à corps 21 cylindrique comprenant des éléments optiques 35i, respectivement lorsque les C-VCSEL suivent les profils d'émission illustrés aux figures 5 et 6. On observe que l'élément injecteur 20 permet d'émettre un niveau d'énergie globalement uniforme sur tout le long du corps 21, lorsque les C-VCSEL
ont le profil d'émission illustré à la figure 5, et que le profil d'émission illustré à la figure 6 permet d'améliorer encore l'uniformité de la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur 20 le long du corps 21. Des résultats similaires sont obtenus avec un élément injecteur 20 tel qu'illustré à la figure 10, ce dernier présentant alors un profil d'émission globalement uniforme sur toute la surface des plaques 21a, 21b.
Le fait d'utiliser des éléments optiques 35i en combinaison d'un C-VCSEL
comme source de lumière 23 permet de réaliser des éléments injecteurs 20 de grande longueur (supérieure à un mètre) (cas du corps 21 cylindrique illustré
aux figures 1 et 3) ou de grande surface (cas du corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle illustré à la figure 10) et qui présente un rendement (puissance transférée au milieu de culture/puissance émise par le C-VCSEL) particulièrement élevé, notamment supérieur à 90%.
L'unité de commande 29 peut également être configurée pour piloter la source de lumière 23 de sorte qu'elle émette une lumière pulsée. En particulier, avec les VCSEL, la lumière peut être modulée à des fréquences élevées, notamment au-delà du GHz. Au contraire, les LEDs peuvent difficilement aller au-delà de 100 MHz.
22 L'élément injecteur 20 peut également être adossé à un caloduc plan configuré pour récupérer les pertes thermiques de la source de lumière 23. Le caloduc plan est placé en contact avec la source de lumière 23, à l'extérieur de l'enceinte de culture 11. De cette manière, la température de l'enceinte de culture 11 est maintenue plus facilement à une température ad hoc pour la croissance de micro-organismes photosynthétiques.
Claims (19)
1. Elément injecteur de lumière (20) comprenant un corps (21) s'étendant selon un axe longitudinal (22), et une source de lumière (23) placée en regard d'une extrémité (25) du corps (21), l'élément injecteur (20) étant caractérisé en ce que la source de lumière (23) comprend une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission (26) sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) du corps (21), la source de lumière (23) étant associée, en amont du corps (21), à une lentille d'entrée (30) divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière émis par ladite pluralité de diodes vers une paroi latérale (24) du corps (21).
2. Elément injecteur (20) selon la revendication 1, dans lequel le corps (21) présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique droite ou parallélépipédique.
3. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque diode (VCSEL) présente une surface d'émission élémentaire (110), la surface d'émission (26) comprenant au moins l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire (110).
4. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdites diodes (VCSEL) sont associées de sorte à former un circuit intégré (C-VCSEL).
5. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la source de lumière (23) est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique (33) que dans une zone centrale (34) de la surface d'émission (26).
6. Elément injecteur (20) selon la revendication 5, dans lequel la source de lumière (23) est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la zone périphérique (33).
7. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel la zone centrale (34) de la surface d'émission (26) ne comprend pas de diodes (VCSEL).
8. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 et 6, comprenant en outre une unité de commande (29) configurée pour piloter la source de lumière (23) de sorte que la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26) émette davantage de lumière que la zone centrale (24).
9. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 à 8, comprenant en outre un miroir d'extrémité (31) disposé à une extrémité du corps (21) opposée à
la source de lumière (23), de sorte à renvoyer dans le corps (21) la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir d'extrémité (31).
la source de lumière (23), de sorte à renvoyer dans le corps (21) la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir d'extrémité (31).
10. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel la source de lumière (23) est configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
11. Elément injecteur (20) selon la revendication 3 en combinaison avec la revendication 10, dans lequel les surfaces d'émission élémentaires des diodes (VCSEL) de la zone périphérique (33) sont de dimensions différentes entre elles de sorte que la source de lumière (23) émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
12. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 10 et 11, comprenant en outre des alimentations en courant (28) configurées pour délivrer aux diodes (VCSEL) une densité de courant électrique non uniforme de sorte que la source de lumière (23) émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
13. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 12, comprenant au moins un élément optique (35i) ménagé à l'intérieur du corps (21) et configuré
pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière émis par la source de lumière (23) se propageant dans une partie centrale (36i) du corps (21), et dévier vers l'extérieur dudit corps (21) une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie périphérique (37i) du corps (21), de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière (23).
pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière émis par la source de lumière (23) se propageant dans une partie centrale (36i) du corps (21), et dévier vers l'extérieur dudit corps (21) une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie périphérique (37i) du corps (21), de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière (23).
14. Elément injecteur (20) selon la revendication 13, dans lequel l'élément optique (35i) présente une ouverture (38i) sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal (22) du corps (21) de sorte à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21).
15. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 14, comprenant une pluralité d'éléments optiques (35i) ménagés à l'intérieur du corps (21), et s'étendant à distance les uns des autres le long dudit corps (21), lesdits éléments optiques (35i) étant configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale (36i) du corps (21) de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques (35i) sont éloignés de la source de lumière (23), de sorte à répartir l'énergie émise par la source de lumière (23) le long du corps (21).
16. Elément injecteur (20) selon la revendication 15, dans lequel les éléments optiques (35i) présentent chacun une ouverture (38i) sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal (22) du corps (21) de sorte à laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21), lesdites ouvertures (38i) présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source de lumière (23).
17. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel le ou les éléments optiques (35i) sont des lentilles divergentes, ou des prismes.
18. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel les éléments optiques (35i) sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps (21) toute la lumière émise par la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
19. Photobioréacteur (10) destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, ledit photobioréacteur (10) comprenant au moins une enceinte de culture (11) destinée à contenir le milieu de culture (12) des microorganismes, ledit photobioréacteur (10) étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, le corps (21) dudit élément injecteur (20) étant placé dans l'enceinte de culture (11).
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