EP0351380B1

EP0351380B1 - Système optique pour signaux de différentes couleurs, lumineux en permanence, en particulier pour la signalisation ferroviaire

Info

Publication number: EP0351380B1
Application number: EP89830310A
Authority: EP
Inventors: Luigi Vannini
Original assignee: LABORATORIO OTTICO FIORENTINO di VANNINI LUIGI
Current assignee: LABORATORIO OTTICO FIORENTINO di VANNINI LUIGI
Priority date: 1988-07-15
Filing date: 1989-07-04
Publication date: 1997-02-05
Anticipated expiration: 2009-07-04
Also published as: EP0351380A3; IT8809448A0; ATE148665T1; DE68927750T2; DE68927750D1; EP0351380A2; IT1224982B

Description

La présente invention concerne un système optique pour dispositif de signalisation avec signaux de couleur variable, lumineux en permanence, en particulier pour des signaux ferroviaires.
Il est connu qu'avant l'avènement des filtres dichroïques, les dispositifs d'émission de signaux lumineux en permanence utilisaient un système électro-optique-mécanique constitué par un miroir sphérique au centre de courbure duquel était disposée la source lumineuse d'une ampoule et une lentille asphérique ayant son foyer coïncident avec le centre de la source lumineuse. Les différentes colorations du signal étaient obtenues à l'aide de plusieurs filtres plans, de verre coloré, disposés en série, perpendiculairement à l'axe du faisceau conique des rayons lumineux, en un point situé entre la source lumineuse et la lentille asphérique. La sélection et la commande du mécanisme des filtres colorés étaient obtenues au moyen d'un relais, et de ce fait s'avéraient de réalisation complexe et coûteuse, de faible efficacité et entraine une consommation d'énergie élevée.
Avec l'avènement des filtres dichroïques, leur application à la signalisation ferroviaire avec des signaux lumineux permanents a permis d'éliminer les éléments mobiles du système; les filtres dichro ques disposés de manière appropriée, pouvant opérer de manière statique la sélection des radiations provenant de plusieurs sources lumineuses par allumage et extinction des lampes, permettent d'évidentes économies d'énergie et une simplification constructive.
On connaît, d'après le document IT-A-1-184.503, un dispositif de signalisation optique sémaphorique avec sélection statique de la lumière colorée produite, comprenant trois sources de lumière blanche, trois filtres dichroïques pour trois couleurs différentes, lesquels sont disposés suivant trois faces correspondantes d'un prisme optique pentagonal et une optique externe, constituée par une lentille convergente et une lentille asphérique de sortie.
On connaît également, d'après le document US-A-4.754.272, un dispositif de signalisation comprenant trois lampes à lumière blanche, deux filtres dichroïques pour deux couleurs différentes et une optique externe constituée par une lentille divergente et une lentille asphérique de sortie.
Toutefois, dans le cadre de telles solutions, des problèmes considérables restaient quand même non résolus, lesquels nuisaient à la luminosité, à l'encombrement et à la perfection optique des systèmes optiques utilisés. En effet pour résoudre, dans les systèmes optiques aussi bien mobiles que statiques, le problème de la convergence du filament réèl de la lampe dans le foyer de la lentille asphérique principale, étaient utilisés soit des condensateurs optiques soit des miroirs elliptiques. D'autre part, les condensateurs optiques présentaient l'inconvénient d'augmenter le parcours axial en raison de la nécessité de refaire converger l'image du filament dans le foyer de la lentille asphérique, entra nant une augmentation inacceptable de l'encombrement du dispositif de signalisation; en outre, l'emploi d'éléments optiques non parfaitement corrigés des aberrations sphériques, provoque un manque non négligeable de stigmatisme auquel s'ajoute par ailleurs la possibilité de n'obtenir que de faibles ouvertures. De leur côté, les miroirs elliptiques comportent l'inconvénient de l'agrandissement. L'exigence d'une plus grande luminosité nécessite en effet l'augmentation de l'ouverture relative, mais, à égalité d'ouvertures, il est nécessaire de réduire le premier foyer du miroir elliptique et ceci provoque un agrandissement plus important de la source lumineuse dans la superposition au foyer de la lentille principale, entra nant une aberration majeure des radiations émises et un plus faible efficacité lumineuse. Par ailleurs, le fait de ne pas avoir à utiliser des miroirs très enveloppants compromet en outre la luminosité qui découle de l'angle solide capté maximum.
La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients précités en relation avec l'encombrement mécanique, la luminosité et le stigmatisme d'un dispositif de signalisation avec des signaux de couleur variable du type à filtres dichroïques.
Ce résultat a été atteint conformément à l'invention selon les revendications 1 et 2.
Selon une première forme préférée de mise en oeuvre de l'invention, ladite lentille divergente à surface du second degré est caractérisée par une face convexe sphérique tournée vers ladite lentille asphérique, et dont le centre de courbure est co ncident avec le foyer de ladite lentille asphérique, et par une face concave ellipso dale qui est déterminée à partir de la distance entre la lentille asphérique et son foyer et par la section nécessaire pour le faisceau de rayons provenant des miroirs paraboliques. En variante la face concave est la surface osculatrice de la surface ellipso dale précitée.
Selon une autre forme préférée de mise en oeuvre de l'invention, la lentille divergente intermédiaire est une lentille plan-hyperbolique concave avec la face plane tournée vers le système à filtres dichro ques, avec la face concave hyperbolique tournée vers la lentille asphérique et avec son foyer virtuel co ncident avec avec celui de la lentille asphérique.
Avantageusement, il est possible d'obtenir des miroirs paraboliques de rendement relatif maximal en effectuant les calculs des distances et des courbures des surfaces du second degré en partant de l'ovale de Descartes et en tenant compte du solide photométrique de la source lumineuse.
Suivant d'autres caractéristiques, conformément à l'invention, entre chaque source lumineuse et le filtre dichro que correspondant est interposé un filtre coloré en pâte pour augmenter la sécurité chromatique du système optique et/ou un miroir sphérique de récupération ayant son centre de courbure co ncident avec le foyer du miroir parabolique dans le but d'empêcher que la lentille divergente ne voit également le foyer réèl de la parabole, en plus du foyer virtuel de la lentille asphérique
Selon d'autres caractéristiques, conformément à l'invention, et à la place des faisceaux émis par les miroirs paraboliques, les sources lumineuses sont constitués par des faisceaux de rayons laser.
La solution proposée par la présente invention permet la réalisation d'un dispositif d'illumination ou de signalisation de couleur variable, en particulier, mais non exclusivement, pour la signalisation ferroviaire, qui permet de réduire l'encombrement axial, d'augmenter la luminosité, d'utiliser des lampes pourvues de filaments plus concentrés ou des lampes xénon de plus petite puissance, de réduire la consommation d'énergie, d'obtenir un meilleur stigmatisme, de corriger d'événtuelles aberrations même chromatiques, spécialement si la lentille divergente se transforme en un doublet asphérique achromatique apte à corriger chromatiquement tout le système.
Ces avantages et caractéristiques ainsi que d'autres seront plus et mieux compris de chaque homme du métier à la lumière de la description qui va suivre et à l'aide des dessins annexés donnés à titre d'exemplification pratique de l'invention, mais à ne pas considérer dans le sens limitatif; dessins sur lesquels: la FIG. 1 représente une vue de dessus en coupe suivant un plan horizontal axial, d'un dispositif de signalisation, conformément à l'invention, selon une première forme de réalisation; la FIG 2 représente la vue de dessus d'une première lentille divergente intermédiaire (ménisque elliptique-négative) pour le dispositif de la Fig 1; la FIG 2A représente la vue en coupe partielle suivant la ligne A-A de la Fig. 2; la FIG. 3 représente la vue de dessus du détail d'une deuxième lentille divergente intermédiaire (plan-hyperbolique concave) pour le dispositif de la Fig.1; la FIG. 3A représente la vue en coupe partielle suivant la ligne A-A de la Fig. 3; la FIG. 4 représente le schéma géométrique pour le calcul d'une lentille ménisque elliptique-négative conformément à l'invention; la FIG. 5 représente la vue de face du détail d'un miroir de récupération pour le dispositif de la Fig.1; la FIG. 5A représente la vue en coupe suivant la ligne A-A de la Fig. 5; la FIG. 6 représente la vue en plan du détail d'un miroir parabolique de rendement maximum pour le dispositif de la Fig.1; la FIG. 6A représente la vue en coupe suivant la ligne A-A de la Fig. 6; la FIG. 7 représente la vue en plan d'un miroir parabolique simplifié (F=8) pour le dispositif de la Fig.1; la FIG. 7A représente la vue en coupe suivant la ligne A-A de la Fig. 7; la FIG. 8 représente la vue en plan du détail d'une lentille plane négative de "Fresnell"; la FIG. 8A représente la vue en coupe partielle suivant la ligne A-A de la Fig. 8.
Réduit à sa structure essentielle et en référence à la Fig. 1 des dessins annexés, un système optique pour dispositif de signalisation avec des signaux de trois couleurs différentes, lumineux en permanence, conformément à la présente invention, comprend:

trois miroirs paraboliques 3, avec les axes relatifs respectivement, coaxial, à 45° et perpendiculaire par rapport à l'axe longitudinal X-X du dispositif et avec une lampe 5, avec filament très concentré par exemple du type xénon, placé dans le foyer F de chacun desdits miroirs;
trois filtres dichroïques 6,7 et 8 respectivement en face desdits miroirs 3 et disposés suivant des angles appropriés suivant le principe du prisme pentagonal de Goulier-Prande et réalisés de manière à ce que le filtre 7 soit transparent à une première couleur (par exemple le jaune) et réfléchissante à une deuxième couleur (par exemple le vert), le filtre 8 est transparent à ladite deuxième couleur (vert) et le filtre 6 est transparent à une troisième couleur (par exemple le rouge) et réfléchissant pour les deux couleurs précitées (jaune et vert). De cette manière, selon la source lumineuse 5 activée, on obtient, le long de l'axe longitudinal X-X du dispositif, un faisceau de rayons parallèles, de la couleur que le filtre dichro que correspondant a laissé passé et qui est réfléchie par les autres filtres rencontrés sur son parcours;
une lentille asphérique principale 9 de sortie, disposée avec son axe coïncident avec l'axe X-X du faisceau de rayons provenant du système et avec son foyer F1 coïncident avec le point 10 que nous appellerons par la suite centre de symétrie du système;
une lentille divergente intermédiaire 11 à surface du second degré, et foyer virtuel, disposée entre le centre 10 du système et ladite lentille asphérique 9 et avec son axe sur celui X-X du système. Ladite lentille 11 est une lentille du type appelé ménisque-élliptique négative avec la face concave 12 tournée vers le système de filtres et la face sphérique 13 tournée vers la lentille asphérique 9 et dont le centre de courbure est coïncident avec le foyer F1 de la lentille asphérique 9. La face concave de ladite lentille 11 est de préférence ellipsoïdale et définie par l'équation de l'ovale de Descartes, ou bien sphérique suivant la sphère osculatrice correspondante.

Dans le premier cas, en fixant a = 0,5 - 200 mm et la nature du matériau (N) constituant la lentille, il est possible d'obtenir "b" et donc les coordonnées x,y de chaque point de la face concave, par la formule: $K = \frac{{a (1-N}^{2})}{N}$
et $b = \sqrt{\frac{K^{2}}{{1-N}^{2}}}$
L'épaisseur de la lentille "s" le long de l'axe x-x sera comprise entre 0,2 et 15 mm.
Dans le second cas, le rayon de la sphère osculatrice est fourni par $r = 2 l . d/l+d$
(ou $l = \bar{V1F1} = \bar{V2F2}$
et $d = a + c = \bar{F2V1} = \bar{F1V2}$
voir fig. 4) et pourra avoir une valeur comprise entre 5 et 200 mm; l'épaisseur pourra être s = 0,2 - 15 mm.
La définition et le positionnement des différents éléments du système sont effectués de la manière suivante. A titre d'exemple, les lentilles peuvent être réalisées en verre optique ou semi-optique, travaillé optiquement ou semi-optiquement, ou éventuellement en matière plastique C.R.39 ou tout autre ayant un indice compris entre 1,33 et 1,95. Les miroirs paraboliques peuvent être réalisés par électroformage de nickel ou similaire et traités au Rhodium ou similaires. Après avoir déterminé la distance focale de la lentille asphérique 9, on peut déterminer la distance entre la face 12 de la lentille intermédiaire 11 et la face planer de la lentille asphérique 9 qui est tournée vers le système de filtres dichroïques et cela sur la base de la dimension d'encombrement axial désiré. L'intersection de ladite face 12 avec le cone ayant son sommet au point 10 du système et sa base sur la face plane de la lentille asphérique 9, détermine le diamètre utile du faisceau de rayons parallèles qui doit provenir de chaque miroir parabolique. Ce diamètre, en combinaison avec des connotations angulaires concernant l'émission de la source lumineuse relative à son solide photométrique, permet, selon un schéma de calcul partant de l'ovale de Descartes et bien connu de l'homme du métier, de déterminer le miroir de rendement relatif maximum et le diamètre utile de la lentille divergente intermédiaire.
Ce diamètre, avec la distance par rapport au foyer de la lentille asphérique, fournit les éléments de base pour la détermination de la courbure de la face concave 12 de la lentille intermédiaire 11.
Les caractéristiques essentielles que doit présenter la lentille divergente 11 sont:

être située dans le faisceau conique de rayons avec le foyer virtuel placé sur le foyer de la lentille asphérique de manière à obtenir le plus petit encombrement axial;
être corrélée, pour ce qui est de l'ouverture et de l'inter-distance, avec les autres éléments du système, en relation soit avec l'exploitation optique maximale de la lentille asphérique, soit avec le rendement énergétique maximum d'un miroir parabolique de rendement maximum pour obtenir la luminosité maximale;
posséder une surface du second degré pour résoudre le problème de l'aberration sphérique et atteindre le stigmatisme du trajet optique désiré. Pour ce qui concerne le choix définitif de la lentille divergente, il existe de nombreuses solutions. Une d'elles est représentée par une lentille plane-hyperbolique concave 14, indiquée en tant que deuxième forme de réalisation, (voir les Fig. 3 et 3A des dessins annexés) avec la face plane 15 tournée vers le système de filtres dichroïques et la face concave 16 vers la lentille asphérique 9. Dans ce cas également, les différents calculs sont effectués de manière analogue en tenant compte du fait que l'ovale de Descartes se transforme en une hyperbole dont le foyer est coïncident avec le foyer F1 de la lentille asphérique 9 $\begin{matrix} \begin{matrix} {k = a(N}^{2} - 1) ; \\ b = \sqrt{\frac{K^{2}}{N^{2} -1}} \end{matrix} \end{matrix}$

Dans ce cas "a" pourra être fixé entre 0,5 et 200 mm et l'épaisseur "s" entre 0,2 et 15 mm. La face de ladite lentille plan-hyperbolique 14 qui est tournée vers la lentille asphérique 9 peut être avantageusement du type "Fresnell" avec les elements prismatiques positionnés de manière à obtenir l'effet divergent désiré (Fig. 8 et 8A).
D'autres solutions peuvent être envisagées avec les lentilles divergentes sphériques, même si elles présentent des désavantages au niveau du stigmatisme et de l'aberration sphérique.
Alors que la lentille asphérique peut rester dépourvue de traitement antiréfléchissant, il est préférable que la face convexe de la lentille divergente 11 soit traitée pour le moins avec une couche monomoléculaire de fluorure de magnésium (Mg F2), en particulier en cas de non exubérence d'énergie et pour réduire considérablement le soi-disant "effet fantasme". Le traitement antiréfléchissant peut être plus efficacement à couches multiples.
Pour ce qui est des paraboles réfléchissantes des miroirs en verre 3, l'équation de la courbe parabolique intéressée est, en simplifiant: y = 4 fx avec f = distance focale; en outre il convient d'effectuer un traitement qui soit, dans le domaine du visible, également réfléchissant pour toutes les longueurs d'onde, et de préférence:

un traitement d'aluminage et de protection avec du SiO ou SiO2, procédé plus simple, plus sur et répétable pour obtenir des réflexions avec des rendements optiques allant jusqu'à 90%; ou
un traitement multicouche améliorant la capacité de réflexion, mais non sélectif, pour obtenir un rendement d'environ 96%; ou
un traitement dichroïque à la lumière froide pour éviter une réflexion des radiations calorifères sur les autres éléments optiques du système tout en conservant une capacité de réflexion optimale; ou
un traitement d'argenture (ou similaire) de la face postérieure et avec la protection requise et en réalisant cette face avec $f = f1 - \frac{Δ}{n} .$

Avantageusement, conformément à l'invention, il est prévu de disposer, en amont de chaque filtre dichroïque 6,7,8 un miroir sphérique 18 de récupération des radiations, obtenu de préférence par un traitement d'aluminage et protection au monoxyde de silicium, qui est orienté de manière à ce que le centre de courbure co ncide avec le foyer F du miroir parabolique correspondant, dans le but d'empêcher la lentille divergente 11 de voir directement également le foyer réèl de la parabole, en plus du faisceau de rayons provenant, par réflexion, des miroirs paraboliques.
Dans le but d'empêcher d'éventuelles erreurs de positionnement des filtres dichroïques et d'éliminer des dégats considérables en cas de détérioration dans le temps du sandwich des filtres interférentiels relatifs à la solution de Gouiler-Prande, il est avantageusement prévu, conformément à l'invention, de disposer en amont de chaque filtre dichroïque, un filtre 19 coloré en pâte, la perte de radiations correspondante provoquée pouvant être insignifiante par rapport au surplus de radiation qu'il est possible d'obtenir grâce aux miroirs paraboliques d'efficacité maximale. Cette disposition permet d'augmenter la sécurité du système, ce pourquoi même une éventuelle erreur ou déterioration en aval serait automatiquement détectée et/ou maitrisée aussi bien en phase de montage que sur le lieu de fonctionnement réèl.
Il va de soi que n'importe quel mesure connue en soi visant à corriger ultérieurement les aberrations chromatiques ou extra-axiales peut être appliqué au système optique selon l'invention.
Les avantages obtenus avec le système optique conforme à l'invention par rapport aux systèmes connus à ce jour, spécialement dans le domaine de la signalisation ferroviaire, consistent essentiellement en une plus grande luminosité à égalité d'efficacités lumineuses des sources lumineuses utilisées et donc en une possible économie d'énergie; en une diminution des encombrements dans la direction axiale, avec d'évidentes économies dans les coûts de conception et de fabrication; en un plus grand stigmatisme du système parfaitement corrigé du point de vue optique-géométrique pour ce qui est de l'aberration sphérique pour un point situé sur l'axe X-X et une aberration plus faible pour les points situés hors de l'axe, de sorte que le faisceau émis s'avère plus correct et plus exactement répétable.
Dans le but d'atténuer les effets non homogènes et non répétables du solide photométrique dans le cas de sources lumineuses à filament, on propose, conformément à l'invention, d'utiliser une plaquette de verre anti Newton pour permettre une légère diffusion du faisceau émis; cette plaquette pouvant être placée devant chaque source lumineuse ou en un point quelconque utile de l'axe X-X et perpendiculairement à celui-ci. En variante, il est possible de traiter avec un effet anti-Newton la face plane de la lentille asphérique 9 ou une face de la lentille divergente 11 et/ou celle des miroirs paraboliques 3.
Pour améliorer ultérieurement la luminosité du signal, il est prévu, conformément à l'invention, d'utiliser des sources lumineuses monochromatiques du type laser par exemple à état solide, permettant en outre d'éliminer les miroirs paraboliques 3. La lentille divergente 11 pourra ainsi avoir une épaisseur "s" comprise entre 0,2 et 10 mm; et sa face concave, si elle est sphérique, pourra présenter un rayon de r = 0,5 ö 100 mm. La lentille 11, lorsqu'elle est du type plane-hyperbolique concave, pourra être déterminée en posant a = 2 mm et son épaisseur pourra avoir une valeur s = 0,2 ö 10 mm.

Exemples de réalisation

Ci-après seront indiquées les valeurs des coordonnées de deux lentilles divergentes et de deux miroirs paraboliques, utilisés dans des formes concrètes de réalisation considérées.
a) Lentille ménisque elliptique-négative

y (mm)	x (mm)	y(mm)	x(mm)
5	0,553	20	10,052
10	2,261	25	17,609
15	5,294	30	35,764

b) Lentille plan-hyperbolique
(avec a= 10 et N = 1,523)

y (mm)	x (mm)	y(mm)	x(mm)
11	5,264	21	21,212
12	7,619	22	22,509
13	9,541	23	23,79
14	11,254	24	25,061
15	12,842	25	26,320
16	14,347	26	27,568
17	15,792	27	28,809
18	17,192	28	30,042
19	18,557	29	31,269
20	19,896	30	32,490

c) Miroir parabolique de rendement relatif maximum
(avec f = 3,751 mm)

y (mm)	x(mm)	y(mm)	x(mm)
5	1,664	25	41,652
10	6,664	28	52,248
15	14,994	30	59,979
20	26,657

d) Miroir parabolique simplifié (avec f= 8mm)

y (mm)	x (mm)	y(mm)	x(mm)
2,5	0,195	15	7,031
5	0,781	17,5	9,570
7,5	1,757	20	12,500
10	3,125	22,5	15,829
12,5	4,692	25	19,531
15	7,031	27,5	23,632

Claims

Dispositif pour la signalation lumineuse de facon permanente dans les transports ferroviares comprenant trois sources lumineuses (5) avec des miroirs paraboliques réfléchissant en verre (3), trois filtres dichroïques (6,7,8) correspondants disposés suivant les trois faces d'un prisme optique pentagonal de Goulier-Prende, et une lentille asphérique (9) d'emergence du faisceau de rayons lumineux qui constituent le signal, caractérisé en ce que ladite lentille asphérique (9) est disposée en manière à ce que son foyer (F1) coincide avec le point (10) considéré comme centre optique de symétrie du prisme pentagonal et en ce qu'une lentille divergente sphére-elliptique negative (11) est interposé entre le dit point (10) du prisme pentagonal et ladite lentille asphérique (9) avec son axe coïncident avec celui X - X de la lentille asphérique (9) et avec le foyer vituel superposé à celui réel de la lentille asphérique (9).
Dispositif pour la signalation lumineuse de façon permanente dans les transports ferroviaires comprenant trois sources lumineuses (5), avec des miroirs paraboliques réfléchissants en verre (3), trois filtres dichroïques (6,2,8) correspondants, disposés suivant les trois faces d'un prisme optique pentagonal de Goulier-Prende et une lentille asphérique (9) d'emergence du faisceau de rayons lumineux qui constituent le signal caractérisé en ce que ladite lentille asphérique (9) est disposée en manière à ce que son foyer (F1) coincide avec le point (10) considéré comme centre optique de symétrie du prisme pentagonal et en ce qu'une lentille divergente plan-hyperbolique concave (14) est interposée entre le dit point (10) du prisme pentagonal et ladite lentille asphérique (9) avec son axe coincident avec celui X - X de la lentille asphérique (9) avec son foyer virtuel superposé à celui réel de la lentille asphérique (9) et avec sa face concave tournée vers ladite lentille aspherique (9).
Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la face concave (12) de la lentille (11,14) a son rayon qui correspond à celui de la sphère osculatrice et a une valeur comprise entre 1 et 200 mm.
Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la lentille (11,14) suivant son axe a une valeur comprise entre 0,1 et 15 mm.
Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les sources lumineuses (5) sont des sources laser.
Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite lentille divergente (11,14) est un doublet asphérique achromatique.
Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une plaquette de verre anti Newton placée en un point utile quelconque du faisceau lumineux constituant le signal.
Dispositif selon les revendications 1 ou 2,, caractérisé en ce qu'au moins une des faces des lentilles (9,11,14) et/ou celle des miroirs paraboliques (3) est traitée avec un effet anti Newton.