EP4639025A1 - Dispositif d'émission de lumière avec une extraction améliorée - Google Patents

Dispositif d'émission de lumière avec une extraction améliorée

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Publication number
EP4639025A1
EP4639025A1 EP23844095.2A EP23844095A EP4639025A1 EP 4639025 A1 EP4639025 A1 EP 4639025A1 EP 23844095 A EP23844095 A EP 23844095A EP 4639025 A1 EP4639025 A1 EP 4639025A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
facet
concentrator
faces
side face
face
Prior art date
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Pending
Application number
EP23844095.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François Balembois
Pierre Pichon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut dOptique Graduate School
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut dOptique Graduate School
Universite Paris Saclay
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut dOptique Graduate School, Universite Paris Saclay filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4639025A1 publication Critical patent/EP4639025A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0003—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being doped with fluorescent agents
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2002—Optical details, e.g. reflecting or diffusing layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8514—Wavelength conversion means characterised by their shape, e.g. plate or foil
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
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    • H10H20/855—Optical field-shaping means, e.g. lenses
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    • H10H20/855—Optical field-shaping means, e.g. lenses
    • H10H20/856—Reflecting means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations

Definitions

  • the present invention relates to the field of concentrators pumped by external radiation and more particularly to the improvement of the extraction of the light emitted within such a concentrator.
  • LEDs Light-emitting diodes
  • the luminance of LEDs is limited to values not suitable for certain applications.
  • LEDs pumped by LEDs see for example Barbet, Adrien, et al. "Light-emitting diode pumped luminescent concentrators: a new opportunity for low-cost solid -state lasers.” Optica 3.5 (2016): 465-468.).
  • This concentrator is, for example, a fluorescent crystal in the visible (red-orange) like Ce:YAG which absorbs in the blue (around 450 nm), at a wavelength where LEDs are very efficient.
  • the crystal is cut in the shape of a plane, lined with hundreds (or even thousands) of LEDs on the two large surfaces and with emission from the edges.
  • FIG. 1A illustrates an example of a light emission module ME0 known from the prior art based on a concentrator crystal CL having the shape of a parallelepiped of length L, width w, and thickness e.
  • the emission module ME0 comprises a set of LEDs intended to emit in a first spectral band and a light concentrator CL.
  • the concentrator CL has at least one illumination face FE1, FE2, of dimensions L xw, illuminated by the electroluminescent radiation Ld emitted by the LEDs (optical pumping).
  • Ld electroluminescent radiation
  • the output face FS is chosen from the two smallest faces (here exw).
  • the isotropy of the emission implies that the same quantity of light comes out on all faces.
  • the smallest face therefore has the greatest illumination. It is the concentrator effect which is used to increase illuminance and luminance.
  • the structure is therefore composed of two large pumping faces (FE1, FE2), two large lateral faces (FL1, FL2) and two small lateral faces, one of which is chosen as the outlet face FS.
  • the crystal of the concentrator is configured to absorb the electroluminescent radiation Ld.
  • the luminous flux emitted by the LEDs and directed towards the illumination face is absorbed by the Lum phosphors of the fluorescent crystal which are distributed throughout the volume of the crystal and which then emit fluorescence radiation inside the crystal.
  • the rays emitted can be classified into two main categories:
  • L p the trapped rays denoted L p : these rays are trapped in the crystal due to the total internal reflection (RTI) on the different faces of the crystal.
  • RTI total internal reflection
  • - non-trapped rays are the rays that end up leaving the crystal. They are separated into two subcategories: guided rays denoted L g whose characteristic is to be guided by RTI and exit on one of the faces of the concentrator and unguided rays denoted L or t which exit directly from the concentrator without reflecting on the faces.
  • Figure 1 B is a representation of the angular diagram of the rays emitted and trapped in the concentrator (parallelepiped composed of 6 parallel faces in pairs).
  • the dark caps - also called “exit cones” or “exhaust cones” - represent the angles corresponding to the untrapped rays (guided and unguided) for each face of the concentrator and the light areas represent the angles corresponding to the rays trapped by total internal reflection within the concentrator.
  • the percentage of radiation trapped by RTI compared to the non-trapped radiation is fixed by the index of the crystal and that of the ambient medium by the Snell-Descartes law.
  • Luminescent concentrators are isotropic light sources with light coming out from all sides and in all directions. From a usage perspective, it is important to be able to collect the light coming out from one side only. This face is the FS exit face.
  • the extraction efficiency of the concentrator is defined by the ratio between the light power output per FS (the power of the output beam L s ) and the total light power emitted by the concentrator.
  • the principle of the invention is to increase the number of cones coupled towards the exit face by considering the antecedents of the exit cone by multiple imaging on the lateral faces.
  • an object of the invention is a light emitting device comprising: - a light concentrator in a solid fluorescent or scintillating material comprising at least seven faces, two large parallel faces and at least five so-called lateral faces including a first lateral face and a second lateral face having a surface greater than a surface of the other faces lateral faces, an exit face adjacent to the first side face and the second side face, a first facet adjacent to the first side face and a facet adjacent to the second side face, the first facet and the second facet forming a greater angle a at 0 and less than 175°
  • the concentrator makes it possible to couple the exit cone associated with the exit face to other cones existing in the structure by imaging, so as to to obtain a higher extraction efficiency than that of the solutions of the prior art.
  • an object of the invention is a light emitting device comprising:
  • a second mirror arranged so as to cover said second facet, the first facet and the second facet forming an angle a greater than 0 and less than 175° so that a portion, called the recycled portion of the luminescent radiation, passes through said face output after at least one reflection on said first or second facet or on said first or second mirror, the outgoing portion and the recycled portion forming an output beam.
  • the angle a is adapted according to the dimensions and an arrangement of the facets in order to maximize extraction efficiency of the output beam.
  • the angle a is between 95° and 160°.
  • the angle a is between 100° and 140°.
  • the angle a is between 100° and 120°.
  • the angle a is equal to 110° to ⁇ 1°.
  • the concentrator comprises a number of side faces equal to 5, the first and the second facet being adjacent.
  • the concentrator comprises a number of side faces equal to 6, including an additional facet adjacent to the first facet and the second facet.
  • the concentrator comprises a number of lateral faces greater than 6, including a plurality of additional facets, each additional facet being adjacent to two other additional facets, or adjacent to another additional facet and to the first facet or adjacent to another additional facet and to the second facet.
  • the large faces have a surface area greater than the surface area of the other faces.
  • the device comprises a first additional mirror arranged so as to cover said first side face and a second additional mirror arranged so as to cover said second side face.
  • the first side face and the second side face are not parallel.
  • the index n c of the concentrator is greater than 1.5, the device comprising an outlet medium in contact with the outlet face and having an index n s such that n c > n s > 1.
  • the device comprises an optical system attached to the output medium adapted to collimate rays of the output beam.
  • the device comprises a third additional mirror arranged so as to cover said outlet face, and in which the concentrator has a beveled edge between the outlet face and the first lateral face so that 'a portion, called the additional recycled portion, of said trapped portion passes through said beveled edge forming a so-called additional output beam.
  • FIG.1A a schematic view of an example of a light emission module known from the prior art
  • FIG.1 B a representation of the angular diagram of the rays emitted and trapped in the concentrator of Figure 1A,
  • FIG.1 C a schematic view of an example of a light emission module known from the prior art
  • FIG.2A a schematic view of an example of a light emission module known from the prior art
  • FIG.2B a schematic representation of spatial recycling in the concentrator of Figure 2A
  • FIG.SA a schematic representation of spatial recycling in the concentrator of Figure 2A
  • FIG.3B a schematic perspective and top view respectively of a light emitting device according to the invention
  • FIG.6 a graphical representation of the extraction efficiency as a function of the angle a of the concentrator of the invention, for three different values of linear loss coefficient: 2 x 10 -3 cm - 1 (top curve), 2 x 10 -2 cm -1 (middle curve), 2 x 10 -1 cm -1 (bottom curve),
  • FIG.9 a schematic top view of a light emitting device according to the invention in which the first and the second facet are adjacent and have different dimensions
  • FIG.10 a schematic top view of a light emitting device according to the invention in which the concentrator comprises a number of side faces equal to 6, including an additional facet adjacent to the first facet and to the second facet,
  • FIG.11 a schematic view of a preferred embodiment of the invention in which the device comprises an outlet medium in contact with the outlet face having an index n s such that n c > n s > 1 and includes an optical collimation system,
  • FIG.13 a schematic view of one embodiment of the invention
  • Figure 3A illustrates a schematic perspective view of a light emitting device 1 according to the invention.
  • Figure 3B illustrates a schematic top view along an xy plane of the light emitting device 1 according to the invention.
  • the light emitting device comprises a light concentrator CL produced from a solid fluorescent or scintillator material adapted to absorb incident light Ld causing the emission of luminescent radiation LL within of the concentrator.
  • the CL concentrator of the invention has an optimized geometry in order to optimize the extraction of LL luminescent radiation.
  • the concentrator has an index n c preferably greater than 1.5 because the geometry of the invention is particularly advantageous for high indices (see Figure 4 described below).
  • the CL concentrator comprises at least seven faces including two parallel faces called “large faces” or “illumination faces” FE1, FE2.
  • parallel faces we mean here and in the rest of the document that the faces are parallel to ⁇ 5°.
  • the large faces FE1, FE2 have two main dimensions: a length! and a width w.
  • the large faces have a surface greater than a surface of the other faces in order to make the exposure to the incident pump radiation (Ld) as great as possible. This makes it possible to obtain an output beam L s having a higher power.
  • the concentrator CL further comprises at least five so-called side faces including a first side face FL1 and a second side face FL2.
  • the side faces FL1, FL2 have a surface greater than a surface of the other side faces in order to ensure a concentration effect on the outlet face, as explained previously.
  • the side faces FL1, FL2 are rectangular and have dimensions e x L, with e a thickness of the concentrator.
  • the concentrator Cl comprises a third side face FS, called the outlet face, adjacent to the first side face FL1 and to the second side face FL2.
  • the face FS is rectangular and has a dimension ex w.
  • the concentrator CL comprises two other side faces: a side face called the first facet FT1 adjacent to the first side face and a side face called the second facet FT2 adjacent to the second side face.
  • the normals nn 2 to the planes of the two facets FT1 and FT2 form an angle A between them (see figure 3B)
  • We define the angle a between the facets as the angle a 180° - A. In the invention, this angle a is greater than 0° and less than 175°.
  • the device 1 further comprises a first mirror M1 arranged so as to cover the first facet FT1 and a second mirror M2 arranged so as to cover the second facet FT2.
  • the trapped portion L p of the luminescent radiation LL is trapped by total internal reflection within the concentrator.
  • a second portion is composed of light which exits the concentrator, with a part guided towards the slices L g and a part L or t which exits directly from the concentrator without reflection on one of the faces.
  • the outgoing portion L s the rays of the luminescent radiation LL guided by total internal reflection within the concentrator by crossing the exit face FS.
  • the recycled portion L r is called the portion of the luminescent radiation passing through the output face FS after at least one reflection on the first or second facet or on the first or second mirror.
  • the outgoing portion L s and the recycled portion L r form the output beam L tot .
  • the exit cone can be imaged on 4 lateral faces (FL1, FL2, FT 1, FT2) instead of one (Fig 1. A) or three (Fig.2 B).
  • the exit cone may therefore have more history by imaging on the lateral faces.
  • more cones can be coupled towards the outlet, which leads to an increase in extraction efficiency.
  • the angle a is adapted according to the dimensions and an arrangement of the facets in order to maximize the efficiency of extraction of the output beam. Indeed, it is understood that the values of the angle a making it possible to maximize the extraction efficiency depend directly on the geometry of the structure. As will be detailed later, for a given geometry, it is possible to calculate by simulation the angle values a which will allow this optimization.
  • the lateral faces each have a normal in a plane parallel to said large faces.
  • all the cones considered in Figure 4 have their central axis in the xy plane of the large faces.
  • their images by the large faces are the cones themselves, because the reflections by a mirror do not change the axis of the cones belonging to the plane of the mirror.
  • Figure 5 presents results of ray tracing simulations via the Monte Carlo method making it possible to estimate the extraction efficiency thanks to this coupling of the rays towards the exit cone.
  • the extraction efficiency of the configuration of Figure 5 is significantly improved compared to that of the prior art configuration of Figures 2A and 2B.
  • the configuration in Figure 5 makes it possible to obtain an extraction efficiency of 40% for Ce:YAG and 28% for diamond (index 2.4).
  • the improvement is relatively more significant when the concentrator index is high. This can be understood by the size of the cones, which becomes smaller as the index increases.
  • the “bell” shape of the curves can be interpreted as follows: - for angles close to 180°, it is necessary to do a lot of back and forth in the structure to "rotate the rays" and couple a large number of rays towards the exit. Two reasons can be given. The first is linked to the angle of rotation of the ray at the exit of the reflection by the facets FT1, FT2 which is all the weaker as the angle a is close to 180°. The second is that an angle a close to 180° will not allow the facets FT1, FT2 to combine their effects because the rays will only rarely intercept the facet FT2 after a reflection on the facet FT1 (and vice versa). Thus, an angle a close to 180° implies large propagation distances for the rays before exiting via the FS face and therefore relatively greater losses.
  • the roof returns a single direction in relation to the incident ray: the opposite direction. So there are no multiple image effects for the exit cone.
  • Figure 6 is a graphical representation of the extraction efficiency as a function of the angle a of the concentrator of the invention, for three different values of linear loss coefficient: 2 x 10 -3 cm -1 ( top curve), 2 x 10 -2 cm -1 (middle curve), 2 x 10 -1 cm -1 (bottom curve).
  • Figure 6 illustrates the fact that there is a very pronounced drop in extraction efficiency for an angle of 90° and certain local drops in configurations where few images are coupled on the output cone (angle of 120° or 130°). It can be seen that the best performances are obtained for angles close to 110° when the losses are low in the structure. For larger losses (bottom curves), the local drop effects diminish. Indeed, the average propagation distance of the rays being limited by losses, configurations requiring multiple reflections (and therefore large propagation distances) become less efficient in extraction. [0075] Also, preferably, the angle a is between 95° and 160° to optimize extraction efficiency. In order to further improve this extraction efficiency, the angle a is between 100° and 140°.
  • the angle a is between 100° and 120°. To obtain maximum extraction efficiency, preferably, the angle a is equal to 110° to ⁇ 1°. Through simulations, the inventors have determined that these angle values a are advantageous whatever the relative size of the facets or whatever the number of facets.
  • the criterion for choosing the angle a seems quite tolerant as long as the number of multiple images of the exit cone associated with the face FS is sufficient. This number of multiple images depends on the middle index and the value of the angle a.
  • Figures 7 and 8 are a representation in the form of a planisphere of the exit cones using angular coordinates P is the angle relative to the z axis and i is the angle in the xy plane, relative to the y axis.
  • the white areas between the cones correspond to the trapped rays L p .
  • the angular portions L out correspond to the exhaust cones on the large faces FE1, FE2.
  • the angular portion L s corresponds to the exit cone associated with the face FS.
  • the portion L r corresponds to the cones recycled by the reflections on the facets FT1, FT2, FL1, FL2 and exiting through the face FS. Without the faces FT1 and FT2, this light L r would not reach the exit face, it would exit through the side faces or remain trapped in the concentrator.
  • the output beam L tot is therefore composed of the portions L s + L r .
  • Figures 7 and 8 are given for the “optimized” configuration, with a diamond concentrator (index 2.4).
  • the exit cone L s has only 5 antecedents. Given the high index of the concentrator, the critical angle associated with this exit cone is low and the cone L s is small. In this case, the images of the output cone which form the recycled portion L r do not overlap and the extraction efficiency will be low.
  • one criterion is the overlap of adjacent images of the output cone L s , the angle between two axes of adjacent cones corresponding to the angle at the top of the output cone.
  • the concentrator comprises a number of side faces equal to 5 and the first facet FT1 and the second facet FT2 are adjacent and have identical dimensions .
  • the first and the second facet are adjacent and have different dimensions. This has the advantage of making the structure less symmetrical and therefore limiting the trapped rays which could propagate in the concentrator without meeting the exit face with an angle belonging to the exit cone.
  • the concentrator CL comprises a number of side faces equal to 6, including an additional facet FTA adjacent to the first facet FT1 and to the second facet FT2.
  • the mirrors M1, M2 are not shown in Figure 10, although they are included in the device 1.
  • the FTA facet makes it possible to promote a greater number of reflections of the rays of the portion L r and therefore an exit through the FS face on average faster than the rays.
  • the FTA facet therefore potentially makes it possible to increase the extraction efficiency by reducing the propagation losses associated with the L out beam.
  • the concentrator comprises a number of side faces greater than 6, including a plurality of additional facets.
  • Each of these additional faces is adjacent to two other additional facets, or adjacent to another additional facet and to the first facet FT1 or adjacent to another additional facet and to the second facet FT2.
  • these additional facets potentially make it possible to increase the extraction efficiency by reducing the propagation losses associated with the beam L out .
  • the first side face FL1 and the second side face FL2 are not parallel. Depending on the angle chosen, this non-parallelism makes it possible to increase the number of images of the output cone produced by reflection on the lateral faces. This therefore potentially makes it possible to increase the extraction efficiency in cases where it is not maximized by the angle a.
  • the large pumping faces FE1, FE2 In structures with pumping by optical L d radiation, the large pumping faces FE1, FE2 must be left free of access. In addition, it is in practice difficult to put dichroic mirrors on these large faces FE1, FE2 because it is necessary to reflect with an excellent coefficient (R>99.9%) multiple incidences and broad spectra while transmitting the pump radiation .
  • Figure 11 illustrates a preferred embodiment of the invention in which the device comprises an output medium MS in contact with the output face and having an index n s such that n c > n s > 1.
  • the device comprises a first additional mirror MT arranged so as to cover the first side face FL1 and a second additional mirror M2' arranged so as to cover said second side face FL2.
  • These mirrors MT, M2' are optional and make it possible to increase the extraction efficiency by preventing luminescence radiation from passing through the faces FL1, FL2 before exiting through the exit face FS (so-called optimized configuration).
  • the exit medium MS makes it possible to increase the extraction efficiency by increasing the critical angle associated with the exit cone of the face FS, which forms a wider exit cone.
  • the device comprises an optical system SO attached to the output medium adapted to collimate rays of the output beam L tot .
  • the SO optical system is a non-imaging optic which will straighten the rays leaving the MS output medium and allow them to exit into the air.
  • the output medium MS is for example a glue allowing the mechanical and optical connection between the concentrator CL and the optical system SO.
  • Figure 12 schematically illustrates an embodiment of the invention in which the device comprises:
  • the concentrator CL has a beveled edge AB between the outlet face FS and the first side face FL1 (or the second side face FL2) so that a portion L r , of the trapped portion L p crosses the beveled edge AB.
  • the rays of the portion L form a so-called additional output beam L totl .
  • passing through the edge AB is the only solution for the rays to exit the structure (excluding pumping faces). It therefore forces the rays to reflect many times before having the right position and the right angle. This effect imposes a strong superposition of rays inside which can be described as both angular and spatial recycling.
  • the use of an AB edge increases the propagation distance, and potentially reduces the overall extraction but it increases the luminance.
  • the normal of the beveled edge is parallel to the sum of the normals of the two lateral faces FL1, FS adjacent to the beveled edge at ⁇ 5°.
  • FIG. 13 schematically illustrates an embodiment of the invention in which the device comprises:
  • the mirrors MT, M2' make it possible to increase the extraction efficiency by preventing the luminescence radiation from passing through the faces FL1, FL2 before exiting via the surface SFS.
  • the M3 mirror for partial coverage of the exit face allows an increase in illumination on the SFS surface.
  • the rays of luminescence radiation leaving the concentrator form an output beam L tot .
  • L avg » L we mean here that L avg is greater than 7 times, preferably 15 times L.
  • a ratio R adapted to verify the condition L avg » L makes it possible to ensure that the effect of confinement of the rays in the 3 dimensions of space, that is to say that the luminescent radiation, instead to directly cross the SFS surface after being generated, is mainly reflected within the CL concentrator and makes on average several round trips within the CL concentrator before exiting via the SFS surface.
  • the smaller the ratio R the more the average distance L traveled by the luminescence rays within the concentrator CL before leaving increases.
  • the illumination on the exit face is increased because the luminescence radiation has time to “fill” the concentrator CL before exiting.
  • the ratio R is less than or equal to 1/4, or preferably, less than or equal to 1/8 the average distance L avg is sufficient to achieve a significant concentrating effect. Also, according to a preferred embodiment of the invention, the ratio R is less than or equal to 1/4, or preferably, less than or equal to 1/8.

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Abstract

Dispositif d'émission de lumière comprenant : - un concentrateur de lumière (CL) dans un matériau solide fluorescent ou scintillateur comprenant au moins sept faces, deux faces parallèles appelées grandes faces (FE1, FE2), et au moins cinq faces dites latérales (FL1, FL2, FS, FT1, FT2) dont : - une première face latérale (FL1) et une deuxième face latérale (FL2) présentant une surface supérieure à une surface des autres faces latérales, - une troisième face latérale (FS), dite face de sortie, adjacente à la première face latérale et à la deuxième face latérale, - une face latérale dite première facette (FT1) adjacente à la première face latérale et une face latérale dite deuxième facette (FT2) adjacente à la deuxième face latérale, la première facette et la deuxième facette formant un angle a compris inférieur à 175 ° et supérieur à 0° - un premier miroir (M1) disposé de manière à couvrir ladite première facette (FT1), - un second miroir (M2) disposé de manière à couvrir ladite deuxième facette (FT2).

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Dispositif d’émission de lumière avec une extraction améliorée
Domaine technique :
[0001 ] La présente invention concerne le domaine des concentrateurs pompés par un rayonnement externe et plus particulièrement de l’amélioration de l’extraction de la lumière émise au sein de tel concentrateur.
Technique antérieure :
[0002] Les diodes électroluminescentes (LED) possèdent de nombreuses applications dans le domaine de l’éclairage. Cependant, la luminance des LED est limitée à des valeurs ne convenant pas à certaines applications.
[0003] Une solution pour augmenter la luminance des LED est d’utiliser des concentrateurs de lumière pompés par LED (voir par exemple Barbet, Adrien, et al. "Light-emitting diode pumped luminescent concentrators: a new opportunity for low-cost solid-state lasers." Optica 3.5 (2016): 465-468.). Ce concentrateur est, par exemple, un cristal fluorescent dans le visible (rouge-orange) comme le Ce:YAG qui absorbe dans le bleu (vers 450 nm), à une longueur d'onde où les LED sont très performantes. Le cristal est taillé sous la forme d'un plan, tapissé par des centaines (voire des milliers) de LED sur les deux grandes surfaces et avec une émission par les tranches. Ces concentrateurs permettent d’obtenir des valeurs de luminance 10 à 20 fois plus élevées que celle d'une LED.
[0004] La figure 1A illustre un exemple de module d’émission de lumière ME0 connu de l’art antérieur basé sur un cristal concentrateur CL ayant la forme d'un parallélépipède de longueur L , de largeur w , et d'épaisseur e . Le module d’émission ME0 comprend un ensemble de LED destinées à émettre dans une première bande spectrale et un concentrateur de lumière CL. Le concentrateur CL présente au moins une face d’éclairement FE1 , FE2, de dimensions L x w, illuminée par le rayonnement électroluminescent Ld émis par les LED (pompage optique). On appelle aussi les faces d’éclairements FE1 , FE2 « grandes faces de pompage » car leur surface est supérieure à celle des autres faces du concentrateur afin de rendre l'exposition au rayonnement de pompage incident (Ld) la plus grande possible. La face de sortie FS est choisie parmi les deux faces les plus petites (ici e x w). L'isotropie de l'émission implique que la même quantité de lumière sort sur toutes les faces. La face la plus petite a donc l'éclairement le plus grand. C'est l'effet concentrateur qui est utilisé pour augmenter l'éclairement et la luminance. La structure est donc composée de deux grandes faces de pompage (FE1 , FE2), de deux grandes faces latérales (FL1 , FL2) et de deux petites faces latérales dont l'une est choisie comme face de sortie FS.
[0005] Le cristal du concentrateur est configuré pour absorber le rayonnement électroluminescent Ld. Le flux lumineux émis par les LED et dirigé vers la face d’éclairement est absorbé par les luminophores Lum du cristal fluorescent qui sont répartis dans l’ensemble du volume du cristal et qui émettent alors un rayonnement de fluorescence à l'intérieur du cristal. A l'intérieur du concentrateur, les rayons émis peuvent être classés en deux grandes catégories :
- les rayons piégés notés Lp : ces rayons sont piégés dans le cristal du fait de la réflexion totale interne (RTI) sur les différentes faces du cristal. Ces rayons existent par exemple si le concentrateur est placé dans l'air et si sa forme est un parallélépipède doté de 6 faces parallèles deux à deux et perpendiculaires entre elles et si l'indice du concentrateur est supérieur à 2. Les rayons piégés ne sortent jamais du cristal, aux imperfections près de ce dernier.
- les rayons non piégés sont les rayons qui finissent par sortir du cristal. Ils se séparent en deux sous-catégories : les rayons guidés notés Lg dont la caractéristique est d'être guidés par RTI et de sortir sur l'une des faces du concentrateur et les rayons non guidés notés Lout qui sortent directement du concentrateur sans se réfléchir sur les faces.
[0006] La figure 1 B est une représentation du diagramme angulaire des rayons émis et piégés dans le concentrateur (parallélépipède composé de 6 faces parallèles deux à deux). Les calottes sombres -aussi appelés « cônes de sortie » ou « cônes d’échappement » - représentent les angles correspondant aux rayons non piégés (guidés et non guidés) pour chaque face du concentrateur et les zones claires représentent les angles correspondant aux rayons piégés par réflexion totale interne au sein du concentrateur. Dans cette représentation donnée à titre d’exemple, le milieu choisi comme cristal concentrateur CL est un cristal de Ce:YAG (indice n2=1 ,82) présentant un angle critique de 33° lorsque le milieu ambiant est l’air. Cet angle correspond à l'angle au sommet du cône de sortie sur les faces du concentrateur. Le pourcentage de rayonnement piégé par RTI par rapport au rayonnement non piégé est fixé par l’indice du cristal et celui du milieu ambiant par la loi de Snell-Descartes.
[0007] Dans le concentrateur de la figure 1A, en supposant que la face de sortie est en contact avec l’air (indice n=1 ) et que l’indice du concentrateur est n=1 .82 (par exemple en YAG), 8% seulement du rayonnement de fluorescence traverse la face de sortie FS pour former le faisceau de sortie Ls. Le reste du rayonnement de fluorescence est piégé au sein du concentrateur par réflexion totale interne (52%) ou quitte le concentrateur en sortant par les autres faces (5x8%) (voir figure 1 B). Dans le cas d’un concentrateur parallélépipédique (n=2.4) dans l’air, le pourcentage de rayons piégés atteint 73%.
[0008] Les concentrateurs luminescents sont des sources de lumière isotrope avec de la lumière sortant par toutes les faces et dans toutes les directions. Dans une perspective d'utilisation, il est important de pouvoir collecter la lumière sortant par une seule face. Cette face est la face de sortie FS. L'efficacité d'extraction du concentrateur est définie par le ratio entre la puissance lumineuse sortant par FS (la puissance du faisceau de sortie Ls) et la puissance lumineuse totale émise par le concentrateur.
[0009] L’efficacité d’extraction dans les milieux émetteurs de lumière est un sujet crucial dans le domaine des scintillateurs depuis plus de 50 ans (voir par exemple M Ankenbrandt and E.M.Lent "Increasing the light collection efficiency of scintillation counters", RSI Vol 34 N°6 p647 (1963)). Ce sujet est particulièrement important du fait de l'indice de réfraction élevé des scintillateurs (Ce:YAG n=1.83, BGO n=2.15), qui entraine un pourcentage élevé de lumière piégée par réflexion totale interne (52% pour le Ce:YAG, 65% pour le BGO dans une géométrie parallélépipédique) et donc une faible efficacité d'extraction
[0010] Le problème de l’efficacité d’extraction est aussi d’intérêt dans le domaine de l’optique quantique pour l’émission de photons uniques qui utilise des diamants comprenant des centres azote-lacunes (centres N-V). En effet, les diamants présentent un pourcentage élevé de lumière piégée par réflexion totale interne (73% pour dans une géométrie parallélépipédique) compte tenu de leur indice élevé (n=2.4). Cette propriété limite les performances de l'émetteur à centre N-V.
[0011 ] Afin d’augmenter l’efficacité d’extraction, il est connu de l’homme de l’art de placer un miroir sur la face latérale opposée à la face de sortie comme illustré en figure 1 C, appelée configuration standard. Il est alors possible de doubler l’efficacité d’extraction par rapport aux valeurs précédentes (2x8%=16% pour le Ce:YAG et 2x4,5%=9% pour le diamant dans une géométrie parallélépipédique) en couplant les cônes de sortie 1 et 2 grâce au miroir. Cependant, cette efficacité d’extraction reste très limitée par rapport au potentiel.
[0012] Une autre solution détaillée dans le document EP21305827 et illustrée dans la figure 2A consiste à modifier le concentrateur de la figure 1A en introduisant une nouvelle face sous la forme d'une arête biseauté SA entre deux faces latérales définie comme la face de sortie et traversée par le faisceau de sortie Ls . En adaptant de manière judicieuse la normale de l’arête SA, il est possible de « recycler » une portion importante des rayons qui auraient été piégés dans le concentrateur CL sans cette arête biseautée SA et de les diriger vers la face de sortie. Le couplage entre les cônes est assuré par imagerie sur les faces latérales considérées comme des miroirs plans. Ainsi, l'image du cône N°1 par les faces latérales verticales (resp. horizontales) de la figure 2B est le cône N°4 (resp. N°2). La figure 2B montre donc que le cône de sortie a 3 antécédents par imagerie sur les faces latérales de la structure (cônes 1 , 2 et 3). Il est donc théoriquement possible d’obtenir une efficacité d’extraction 4 fois plus importante que celle de la figure 1A. Cette configuration conduit à une efficacité d’extraction de 4x8%=32% pour le Ce:YAG et 4x4,5%=18% pour le diamant dans une géométrie parallélépipédique.
[0013] Cependant, il reste souhaitable d’améliorer encore cette efficacité d’extraction.
[0014] Le principe de l'invention est d'augmenter le nombre de cônes couplés vers la face de sortie en considérant les antécédents du cône de sortie par imagerie multiple sur les faces latérales.
[0015] A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif d’émission de lumière comprenant : - un concentrateur de lumière dans un matériau solide fluorescent ou scinti llateur comprenant au moins sept faces, deux grandes faces parallèles et au moins cinq faces dites latérales dont une première face latérale et une deuxième face latérale présentant une surface supérieure à une surface des autres faces latérales, une face de sortie adjacente à la première face latérale et à la deuxième face latérale, une première facette adjacente à la première face latérale et une facette adjacente à la deuxième face latérale, la première facette et la deuxième facette formant un angle a supérieur à 0 et inférieur à 175°
- un premier miroir disposé de manière à couvrir ladite première facette
- un second miroir disposé de manière à couvrir ladite deuxième facette.
[0016] Par un choix judicieux de l’angle a entre la première facette et la deuxième facette, le concentrateur permet de coupler le cône de sortie associé à la face de sortie à d'autres cônes existant dans la structure par imagerie, de manière à obtenir une efficacité d’extraction plus élevée que celle des solutions de l’art antérieur.
Résumé de l’invention :
[0017] A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif d’émission de lumière comprenant :
- un concentrateur de lumière dans un matériau solide fluorescent ou scintillateur présentant un indice nc et adapté pour absorber une lumière incidente puis émettre un rayonnement luminescent au sein dudit concentrateur, ledit concentrateur comprenant au moins sept faces, deux faces parallèles appelées grandes faces, et au moins cinq faces dites latérales dont : une première face latérale et une deuxième face latérale présentant une surface supérieure à une surface des autres faces latérales,
- une troisième face latérale, dite face de sortie, adjacente à la première face latérale et à la deuxième face latérale, une portion, dite portion sortante, des rayons dudit rayonnement luminescent étant guidé par réflexion totale interne au sein du concentrateur en traversant ladite face de sortie - une face latérale dite première facette adjacente à la première face latérale et une face latérale dite deuxième facette adjacente à la deuxième face latérale,
- un premier miroir disposé de manière à couvrir ladite première facette
- un second miroir disposé de manière à couvrir ladite deuxième facette la première facette et la deuxième facette formant un angle a supérieur à 0 et inférieur à 175° de manière à ce qu’une portion, dite portion recyclée du rayonnement luminescent, traverse ladite face de sortie après au moins une réflexion sur ladite première ou deuxième facette ou sur ledit premier ou second miroir, la portion sortante et la portion recyclée formant un faisceau de sortie.
[0018] Selon un mode de réalisation, l’angle a est adapté en fonction des dimensions et d’une disposition des facettes afin de maximiser une efficacité d’extraction du faisceau de sortie.
[0019] Selon un mode de réalisation, l’angle a est compris entre 95° et 160°.
[0020] Selon un mode de réalisation, l’angle a est compris entre 100° et 140°.
[0021 ] Selon un mode de réalisation, l’angle a est compris entre 100° et 120°.
[0022] Selon un mode de réalisation, l’angle a est égal à 110° à ±1°.
[0023] Selon un mode de réalisation, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 5, la première et la deuxième facette étant adjacentes.
[0024] Selon un mode de réalisation, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 6, dont une facette additionnelle adjacente à la première facette et à la deuxième facette.
[0025] Selon un mode de réalisation, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales supérieur à 6, dont une pluralité de facettes additionnelles, chaque facette additionnelle étant adjacente à deux autres facettes additionnelles, ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la première facette ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la deuxième facette.
[0026] Selon un mode de réalisation, les grandes faces présentent une surface supérieure à une surface des autres faces. [0027] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un premier miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite première face latérale et un deuxième miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite deuxième face latérale. De manière préférentielle, la première face latérale et la deuxième face latérale ne sont pas parallèles.
[0028] Selon un mode de réalisation, l’indice nc du concentrateur est supérieur à 1 ,5, le dispositif comprenant un milieu de sortie en contact avec la face de sortie et présentant un indice ns tel que nc > ns > 1. De manière préférentielle, le dispositif comprend un système optique accolé au milieu de sortie adapté pour collimater des rayons du faisceau de sortie.
[0029] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un troisième miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite face de sortie, et dans lequel le concentrateur présente une arête biseautée entre la face de sortie et la première face latérale de manière à ce qu’une portion, dite portion recyclée additionnelle, de ladite portion piégée traverse ladite arête biseautée formant un faisceau de sortie dit additionnel.
Brève description des figures :
[0030] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
[0031 ] [Fig.1A] une vue schématique d’un exemple de module d’émission de lumière connu de l’art antérieur,
[0032] [Fig.1 B], une représentation du diagramme angulaire des rayons émis et piégés dans le concentrateur de la figure 1A,
[0033] [Fig.1 C] une vue schématique d’un exemple de module d’émission de lumière connu de l’art antérieur,
[0034] [Fig.2A] une vue schématique d’un exemple de module d’émission de lumière connu de l’art antérieur,
[0035] [Fig.2B], une représentation schématique du recyclage spatial dans le concentrateur de la figure 2A, [0036] [Fig.SA], [Fig.3B], une vue schématique en perspective et de dessus respectivement d’un dispositif d’émission de lumière selon l’invention,
[0037] [Fig.4], une représentation graphique de la direction angulaire des antécédents du cône de sortie, générés par imagerie dans la structure, pour trois angles différents entre FT1 et FT2 : a = 169° (graphique de gauche), a = 135° (graphique du centre), a = 99° (graphique de droite)
[0038] [Fig.5], une représentation graphique de l'efficacité d'extraction en fonction de l’angle a du concentrateur de l’invention, pour trois valeurs différentes d’indice nc de concentrateur (nc=1 .5, nc =1 .83 et nc =2.4),
[0039] [Fig.6], une représentation graphique de l'efficacité d'extraction en fonction de l’angle a du concentrateur de l’invention, pour trois valeurs différentes de coefficient de pertes linéiques : 2 x 10-3cm-1 (courbe du haut), 2 x 10-2cm-1 (courbe du milieu), 2 x 10-1cm-1 (courbe du bas),
[0040] [Fig.7], [Fig.8], une représentation sous la forme d'un planisphère des cônes de sortie du concentrateur de l’invention pour a = 120° et a = 157,5° respectivement,
[0041 ] [Fig.9], une vue schématique de dessus d’un dispositif d’émission de lumière selon l’invention dans lequel la première et la deuxième facette sont adjacentes et présentent des dimensions différentes,
[0042] [Fig.10], une vue schématique de dessus d’un dispositif d’émission de lumière selon l’invention dans lequel le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 6, dont une facette additionnelle adjacente à la première facette et à la deuxième facette,
[0043] [Fig.11 ], une vue schématique d’un mode de réalisation préféré de l’invention dans lequel le dispositif comprend un milieu de sortie en contact avec la face de sortie présentant un indice ns tel que nc > ns > 1 et comprend un système optique de collimation,
[0044] [Fig.12], une vue schématique d’un mode de réalisation de l’invention,
[0045] [Fig.13], une vue schématique d’un mode de réalisation de l’invention,
[0046] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle et les références identiques désignent des éléments identiques. Description détaillée :
[0047] La figure 3A illustre une vue schématique en perspective d’un dispositif d’émission de lumière 1 selon l’invention. La figure 3B illustre une vue schématique de dessus selon un plan xy du dispositif d’émission de lumière 1 selon l’invention.
[0048] Le dispositif d’émission de lumière selon l’invention comprend un concentrateur de lumière CL élaboré à partir d'un matériau solide fluorescent ou scintillateur adapté pour absorber une lumière incidente Ld provoquant l’émission d’un rayonnement luminescent LL au sein du concentrateur.
[0049] Le concentrateur CL de l’invention présente une géométrie optimisée afin d’optimiser l’extraction du rayonnement luminescent LL.
[0050] Le concentrateur présente un indice nc préférentiellement supérieur à 1 ,5 car la géométrie de l’invention est particulièrement avantageuse pour des indices élevés (voir figure 4 décrite plus loin).
[0051 ] Le concentrateur CL comprend au moins sept faces dont deux faces parallèles appelées « grandes faces » ou « faces d’éclairement » FE1 , FE2. Par « faces parallèle », on entend ici et dans le reste du document que les faces sont parallèles à ±5°. A titre d’exemple, dans les figures 3A et 3B, les grandes faces FE1 , FE2 présentent deux dimensions principales : une longueur ! et une largeur w.
[0052] De manière préférentielle, les grandes faces présentent une surface supérieure à une surface des autres faces afin de rendre l'exposition au rayonnement de pompage incident (Ld) la plus grande possible. Cela permet l’obtention d’un faisceau de sortie Ls présentant une puissance plus élevée.
[0053] Le concentrateur CL comprend en outre au moins cinq faces dites latérales dont une première face latérale FL1 et une deuxième face latérale FL2. Les faces latérales FL1 , FL2 présentent une surface supérieure à une surface des autres faces latérales afin d'assurer un effet de concentration sur la face de sortie, comme expliqué précédemment. A titre d’exemple, dans les figures 2A et 2B, les faces latérales FL1 , FL2 sont rectangulaires et présentent des dimensions e x L, avec e une épaisseur du concentrateur.
[0054] Le concentrateur Cl comprend une troisième face latérale FS, dite face de sortie, adjacente à la première face latérale FL1 et à la deuxième face latérale FL2. A titre d’exemple, dans les figures 2A et 2B, la face FS est rectangulaire et présente une dimension e x w.
[0055] Enfin, le concentrateur CL comprend deux autres faces latérales : une face latérale dite première facette FT1 adjacente à la première face latérale et une face latérale dite deuxième facette FT2 adjacente à la deuxième face latérale. Les normales n n2 aux plans des deux facettes FT1 et FT2 forment entre elles un angle A (voir figure 3B) On définit l'angle a entre les facettes comme l'angle a = 180° - A . Dans l'invention, cet angle a est supérieur à 0° et inférieur à 175°.
[0056] On note que le cas a = 180° (voir figure 5 par exemple) ne correspond pas à un mode de réalisation de l’invention mais correspond à la configuration de l’art antérieur de la figure 1 C (configuration « standard »).
[0057] Le dispositif 1 comprend de plus un premier miroir M1 disposé de manière à couvrir la première facette FT1 et un second miroir M2 disposé de manière à couvrir la deuxième facette FT2.
[0058] De manière connue en soit, une portion, dite portion piégée Lp, du rayonnement luminescent LL est piégée par réflexion totale interne au sein du concentrateur. Une deuxième portion est composée de lumière qui sort du concentrateur, avec une partie guidée vers les tranches Lg et une partie Lout qui sort directement du concentrateur sans réflexion sur une des faces. On appelle portion sortante Ls, les rayons du rayonnement luminescent LL guidés par réflexion totale interne au sein du concentrateur en traversant la face de sortie FS.
[0059] De plus, on appelle portion recyclée Lr, la portion du rayonnement luminescent traversant la face de sortie FS après au moins une réflexion sur la première ou la deuxième facette ou sur le premier ou le second miroir. La portion sortante Ls et la portion recyclée Lr forment le faisceau de sortie Ltot.
[0060] Par rapport aux configurations précédentes (Fig 1 .A et F ig.2B), le cône de sortie peut s'imager sur 4 faces latérales (FL1 , FL2, FT 1 , FT2) au lieu de une (Fig 1 .A) ou de trois (Fig .2 B) . Le cône de sortie peut donc avoir plus d'antécédents par imagerie sur les faces latérales. Ainsi, plus de cônes peuvent être couplés vers la sortie, ce qui entraine une augmentation de l'efficacité d'extraction. [0061 ] De manière préférentielle, l’angle a est adapté en fonction des dimensions et d’une disposition des facettes afin de maximiser l'efficacité d’extraction du faisceau de sortie. En effet, il est entendu que les valeurs de l’angle a permettant de maximiser l’efficacité d’extraction dépendent directement de la géométrie de la structure. Comme cela sera détaillé plus loin, pour une géométrie donnée, il est possible de calculer par simulation les valeurs d’angle a qui permettront cette optimisation.
[0062] La figure 4 est une représentation graphique de la direction angulaire des antécédents du cône de sortie, générés par imagerie dans la structure, pour trois angles différents entre FT1 et FT2 : a = 169° (graphique de gauche), a = 135° (graphique du centre), a = 99° (graphique de droite). Pour clarifier la lecture du graphique, la figure 4 donne uniquement la direction angulaire de l’axe central des cônes considérés. Celle-ci est donnée par la droite passant par le centre des cercles et les points placés sur le cercle. Ainsi, chaque point des graphiques représente l'axe d’un cône, antécédent du cône de sortie.
[0063] A titre d’exemple non limitatif, dans le mode de réalisation des figures 3A et 3B, les faces latérales présentent chacune une normale dans un plan parallèle auxdites grandes faces. Aussi, tous les cônes considérés dans la figure 4 ont leur axe central dans le plan xy des grandes faces. En effet, leurs images par les grandes faces sont les cônes eux-mêmes, car les réflexions par un miroir ne changent pas l'axe des cônes appartenant au plan du miroir.
[0064] De plus, à titre d’exemple non limitatif dans le mode de réalisation des figures 3A et 3B, les dimensions des facettes FT1 et FT2 sont identiques. On montre que dans le cas où: a = TI - n/p, avec p entier, le nombre d'antécédents possible pour le cône de sortie FS est fini et vaut 2p-1 . Par exemple, pour a = 168,75°, on a p = 16 et il existe donc 2p = 32 antécédents du cône de sortie. Selon les valeurs de l'angle a , les images peuvent être très nombreuses (comme dans le cas a = 99° montré sur la figure 4).
[0065] De manière plus générale, dans une géométrie différente de celle du mode de réalisation de la figure 3A et 3B, on dira que le nombre d'antécédents dépend de la valeur de l'angle a. [0066] La figure 5 est une représentation graphique de l'efficacité d'extraction en fonction de l’angle a du concentrateur de l’invention, pour trois valeurs différentes d’indice nc de concentrateur (nc=1 .5, nc =1 .83 et nc =2.4). La figure 5 présente des résultats de simulations par lancé de rayons via la méthode Monte Carlo permettant de faire une estimation de l'efficacité d'extraction grâce à ce couplage des rayons vers le cône de sortie.
[0067] Les résultats de la figure 5 sont obtenus pour un concentrateur selon la géométrie du mode de réalisation des figures 3A et 3B modifiée de manière à comprendre un premier miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite première face latérale FL1 et un deuxième miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite deuxième face latérale FL2 (configuration « optimisée »). Ces miroirs additionnels permettent d’améliorer l’efficacité d’extraction.
[0068] A titre d’exemple non limitatif, ces résultats sont présentés en supposant que les miroirs sont totalement réfléchissants et pour un concentrateur présentant un coefficient de pertes linéiques égale à 2 x 10-3cm-1 pour la longueur d’onde centrale du rayonnement de luminescence.
[0069] La figure 5 illustre le fait que l’efficacité d’extraction est nettement améliorée par rapport à la configuration standard pour des conditions de faibles pertes linéiques et pour des miroirs parfaits. Ces conditions sont proches de la réalité pour un concentrateur en Ce:YAG (d’indice nc = 1.83) qui est un cristal ayant très peu de pertes.
[0070] De plus, l’efficacité d’extraction de la configuration de la figure 5 est nettement améliorée par rapport à celle de la configuration de l’art antérieur des figures 2A et 2B. Pour rappel, la configuration de l’art antérieur des figures 2A et 2B permet d’obtenir une efficacité d’extraction maximale de 4x8%=32% pour le Ce:YAG et 4x4,5%=18% pour le diamant. La configuration de la figure 5 permet d’obtenir une efficacité d’extraction de 40% pour le Ce:YAG et de 28% pour le diamant (d’indice 2.4). On remarque que l’amélioration est relativement plus significative lorsque que l'indice du concentrateur est élevé. Ceci peut se comprendre par la taille des cônes d'autant plus faible que l'indice est grand.
[0071 ] La forme "en cloche" des courbes peut s'interpréter de la façon suivante: - pour les angles proche de 180°, il est nécessaire de faire beaucoup d'allers et retours dans la structure pour faire "tourner les rayons" et coupler un grand nombre de rayons vers la sortie. Deux raisons peuvent être données. La première est liée à l'angle de rotation du rayon à la sortie de la réflexion par les facettes FT1 , FT2 qui est d'autant plus faible que l'angle a est proche de 180°. La deuxième est qu'un angle a proche de 180° ne permettra pas aux facettes FT1 , FT2 de combiner leurs effets car les rayons n'intercepteront que rarement la facette FT2 après une réflexion sur la facette FT1 (et inversement). Ainsi, un angle a proche de 180° implique de grandes distances de propagation des rayons avant de sortir par la face FS et donc des pertes relativement plus importantes.
- pour l'angle a = 90°, le toit renvoie une seule direction par rapport au rayon incident: la direction opposée. Il n'y a donc pas d'effets d'images multiples pour le cône de sortie.
[0072] La figure 6 est une représentation graphique de l'efficacité d'extraction en fonction de l’angle a du concentrateur de l’invention, pour trois valeurs différentes de coefficient de pertes linéiques : 2 x 10-3cm-1 (courbe du haut), 2 x 10-2cm-1 (courbe du milieu), 2 x 10-1cm-1 (courbe du bas).
[0073] La figure 6 est obtenue pour la même configuration que la figure 5 (« configuration optimisée ») et pour un concentrateur en diamant (indice nc = 2.4) et les valeurs d’efficacité d’extraction sont normalisées par rapport à la configuration standard.
[0074] La figure 6 illustre le fait qu’il existe une baisse d’efficacité d’extraction très prononcée pour un angle de 90° et certaines baisses locales dans des configurations où peu d'images sont couplées sur le cône de sortie (angle de 120° ou 130°). On constate que les meilleures performances sont obtenues pour des angles proches de 110° lorsque les pertes sont faibles dans la structure. Pour des pertes plus importantes (courbes du bas), les effets de baisse locale s'amenuisent. En effet, la distance moyenne de propagation des rayons étant limitée par les pertes, les configurations nécessitant de multiples réflexions (et donc de grandes distances de propagation) deviennent moins efficaces en extraction. [0075] Aussi, de manière préférentielle, l’angle a est compris entre 95° et 160° pour optimiser l’efficacité d’extraction. Afin d’encore améliorer cette efficacité d’extraction, l’angle a est compris entre 100° et 140°. Afin d’encore améliorer cette efficacité d’extraction, l’angle a est compris entre 100° et 120°. Pour obtenir une efficacité d’extraction maximale, de manière préférentielle, l’angle a est égal à 110° à ±1°. Par des simulations, les inventeurs ont déterminés que ces valeurs d’angle a sont avantageuses quelque soit la taille relative des facettes ou quelque soit le nombre de facettes.
[0076] D'après les simulations, le critère de choix de l'angle a semble assez tolérant à partir du moment où le nombre d'images multiples du cône de sortie associé à la face FS est suffisant. Ce nombre d’images multiples dépend de l'indice du milieu et de la valeur de l'angle a.
[0077] Pour illustrer cela, les figures 7 et 8 sont une représentation sous la forme d'un planisphère des cônes de sortie en utilisant des coordonnées angulaires P est l’angle par rapport à l’axe z et i est l’angle dans le plan xy, par rapport à l’axe y. Les zones blanches entres les cônes correspondent aux rayons piégés Lp. Pour rappel, les portions angulaires Lout correspondent aux cônes d'échappement sur les grandes faces FE1 , FE2. La portion angulaire Ls correspond au cône de sortie associé à la face FS. Enfin, la portion Lr correspond aux cônes recyclés par les réflexions sur les facettes FT1 , FT2, FL1 , FL2 et sortant par la face FS. Sans les faces FT1 et FT2, cette lumière Lr ne rejoindrait pas la face de sortie, elle sortirait par les faces latérales ou resterait piégée dans le concentrateur . Le faisceau de sortie Ltot est donc composé des portions Ls + Lr.
[0078] A titre d’exemple non imitatif, les figures 7 et 8 sont données pour la configuration « optimisée », avec un concentrateur en diamant (d’indice 2.4). La figure 7 correspond au mode de réalisation où a = 120° et la figure 8 correspond au mode de réalisation où a = 157,5°
[0079] Dans le mode de réalisation de la figure 7, pour l'angle a = 120°, le cône de sortie Ls n'a que 5 antécédents. Compte tenu de l’indice élevé du concentrateur, l’angle critique associé à ce cône de sortie est faible et le cône Ls est petit. Dans ce cas, les images du cône de sortie qui forment la portion recyclée Lr ne se recouvrent pas et l'efficacité d’extraction sera faible. Pour choisir l'angle de manière à maximiser l'efficacité d’extraction, un critère est le recouvrement des images adjacentes du cône de sortie Ls , l'angle entre deux axes de cônes adjacents correspondant à l'angle au sommet du cône de sortie.
[0080] Il est possible d'extraire la lumière sur une "couronne"; correspondant au chevauchement du cône de sortie associé à la face FS et de ses images que l'on voit apparaître sur la figure 8. En effet, dans le mode de réalisation de la figure 8, on combine 16 cônes d’échappement dans le faisceau de sortie Ltot. La figure 8 montre que dans ce cas, quasiment toute la couronne est extraite.
[0081 ] Il est aussi possible de maximiser l’efficacité d’extraction en utilisant un angle a plus faible afin d'assurer une multiplication rapide des rayons et ainsi ne pas être limité par les pertes par propagation. En effet, comme le montrent les figures 5 et 6, l’efficacité d'extraction est meilleure pour un angle d’environ 110°. Cette solution permet de couvrir toute la couronne en peu d'allers et retours. En effet, avec un tel angle, les rayons ont 4 possibilités avant de repartir vers la face de sortie, selon leur position dans le concentrateur : ils peuvent se réfléchir sur FT1 seulement, sur FT2 seulement ou sur une combinaison FT 1 -FT2 ou FT2-FT 1 .
[0082] Une validation expérimentale du concept a été réalisée avec un concentrateur CL en PMMA (indice nc = 1.5) dopé par un colorant de couleur orange (lumogène, Evonics) avec une géométrie optimisée. Les résultats obtenus montrent une puissance de sortie augmentée de 60% par rapport à une configuration standard pour un angle a proche de 120°. Le coefficient de perte estimé par simulation est de 6.10-2 cm’1.
[0083] Le concept de l’invention est donc validé alors même que la configuration expérimentale est loin d'être optimale car le milieu choisi a beaucoup de pertes (PMMA dopé par un colorant). Des pertes de l'ordre de 10’3 cm’1 peuvent être obtenues dans des cristaux bien maitrisés tels que le Ce:YAG. Dans ce cas, les performances seront encore meilleures et pourront rejoindre les valeurs indiquées sur la figure 5, triplant l'extraction par rapport à une configuration standard.
[0084] A titre d’exemple non limitatif, dans le mode de réalisation des figures 3A et 3B, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 5 et la première facette FT1 et la deuxième facette FT2 sont adjacentes et présentent des dimensions identiques. Alternativement, selon un autre mode de réalisation illustré dans la figure 9, la première et la deuxième facette sont adjacentes et présentent des dimensions différentes. Ceci a pour avantage de rendre la structure moins symétrique et donc de limiter les rayons piégés qui pourraient se propager dans le concentrateur sans rencontrer la face de sortie avec un angle appartenant au cône de sortie.
[0085] Selon un autre mode de réalisation illustré dans la figure 10, le concentrateur CL comprend un nombre de faces latérales égal à 6, dont une facette additionnelle FTA adjacente à la première facette FT1 et à la deuxième facette FT2. Pour clarifier la représentation, les miroirs M1 , M2 ne sont pas représentés dans la figure 10, bien qu’ils soient compris dans le dispositif 1. La facette FTA permet de favoriser un plus grand nombre de réflexions des rayons de la portion Lr et donc une sortie au travers de la face FS en moyenne plus rapide des rayons. La facette FTA permet donc potentiellement d’augmenter l’efficacité d’extraction en réduisant les pertes par propagation associées au faisceau Lout. Les angles a et a2 (définis sur la Fig.10) étant liés à a par la relation a + n = a + a2 , on remarque que c’est toujours l’angle a qui conditionne l’efficacité d’extraction de la structure du mode de réalisation de la figure 10.
[0086] Selon un autre mode de réalisation, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales supérieur à 6, dont une pluralité de facettes additionnelles. Chacune de ces faces additionnelles est adjacente à deux autres facettes additionnelles, ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la première facette FT1 ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la deuxième facette FT2. Comme la facette additionnelle FTA du mode de réalisation de la figure 10, ces facettes additionnelles permettent potentiellement d’augmenter l’efficacité d’extraction en réduisant les pertes par propagation associées au faisceau Lout.
[0087] Selon un mode de réalisation compatible avec tous les modes de réalisation récemment évoqués, la première face latérale FL1 et la deuxième face latérale FL2 ne sont pas parallèles. Selon l’angle a choisi, ce non-parallélisme permet d’augmenter le nombre d’images du cône de sortie produites par réflexion sur les faces latérales. Cela permet donc potentiellement d’augmenter l’efficacité d’extraction dans les cas où elle n’est pas maximisée par l’angle a. [0088] Dans les structures avec pompage par un rayonnement Ld optique, il faut laisser les grandes faces FE1 , FE2 de pompage libre d'accès. En outre, il est en pratique délicat de mettre des miroirs dichroïques sur ces grandes faces FE1 , FE2 car il faut réfléchir avec un excellent coefficient (R>99,9%) des incidences multiples et des spectres larges tout en transmettant le rayonnement de pompe. Aussi, les cônes d'échappement Lout sur les grandes faces sont irrécupérables. Les pertes par ces cônes sont liées à l'indice. Le tableau 1 ci-dessous montre que pour des indices élevés (n=1 ,83 ou n=2,4 par exemple), la couronne extraite dans l'air est loin du potentiel total (c’est à dire la totalité des rayons émis moins les deux cônes Lout). En effet, l'épaisseur de la couronne est liée à l'angle du cône de sortie qui est aussi l'angle de réflexion totale interne (0TIR).
Tableau 1
[0089] Afin d'augmenter cet angle critique 0TIR, il est préférable d’utiliser un milieu de sortie présentant un indice plus grand que l'air, lorsque l’indice du concentrateur est élevé.
[0090] La figure 11 illustre un mode de réalisation préféré de l’invention dans lequel le dispositif comprend un milieu de sortie MS en contact avec la face de sortie et présentant un indice ns tel que nc > ns > 1. Selon le mode de réalisation illustré dans la figure 11 , le dispositif comprend un premier miroir additionnel MT disposé de manière à couvrir la première face latérale FL1 et un deuxième miroir additionnel M2’ disposé de manière à couvrir ladite deuxième face latérale FL2. Ces miroirs MT, M2’ sont optionnels et permettent d’augmenter l’efficacité d’extraction en évitant que du rayonnement de luminescence traverse les faces FL1 , FL2 avant de sortir par la face de sortie FS (configuration dite optimisée).
[0091 ] Le milieu de sortie MS permet d’augmenter l’efficacité d’extraction en augmentant l’angle critique associé au cône de sortie de la face FS, ce qui forme un cône de sortie plus large. Ce mode de réalisation présente un intérêt particulier lorsque l’indice du concentrateur est élevé. Cet effet est illustré dans la ligne « Extraction couronne colle » du tableau 1 qui présente l’efficacité d’extraction de la configuration de la figure 11. Il faut la comparer à la ligne « Extraction couronne air » qui présente l’efficacité d’extraction de la configuration des figures 3A et 3B avec un milieu de sortie qui est l’air. Il est possible d’augmenter l’efficacité d’extraction de 42% à 71 % dans un concentrateur d’indice nc = 2,4 grâce un milieu de sortie MS d’indice 1 ,7 par exemple.
[0092] De manière préférentielle, comme illustré dans la figure 11 , le dispositif comprend un système optique SO accolé au milieu de sortie adapté pour collimater des rayons du faisceau de sortie Ltot. Le système optique SO est une optique non imageante qui va redresser les rayons sortant du milieu de sortie MS et leur permettre de sortir dans l'air. Dans ce mode de réalisation, le milieu de sortie MS est par exemple une colle permettant la liaison mécanique et optique entre le concentrateur CL et le système optique SO.
[0093] L'extraction sera limitée par l'indice de la colle entre la structure et l'optique non imageante. Une colle de même indice que le milieu du système optique SO serait idéal, cependant, les colles d'indice élevées (n>1 ,7) se trouvent difficilement aujourd'hui.
[0094] La figure 12 illustre schématiquement un mode de réalisation de l’invention dans lequel le dispositif comprend :
- un premier miroir additionnel MT disposé de manière à couvrir la première face latérale FL1 ,
- un deuxième miroir additionnel M2’ disposé de manière à couvrir la deuxième face latérale FL2
- un troisième miroir additionnel M3 disposé de manière à couvrir la face de sortie FS
[0095] En outre, le concentrateur CL présente une arête biseauté AB entre la face de sortie FS et la première face latérale FL1 (ou la deuxième face latérale FL2) de manière à ce qu’une portion Lr, de la portion piégée Lp traverse l’arête biseautée AB. Les rayons de la portion L forment un faisceau de sortie dit additionnel Ltotl. Dans la configuration de la figure 12, le passage par l'arête AB est la seule solution pour les rayons de sortir de la structure (hors faces de pompage). Elle oblige donc les rayons à se réfléchir de nombreuses fois avant d'avoir la bonne position et le bon angle. Cet effet impose une forte superposition des rayons à l'intérieur que l'on peut qualifier de recyclage à la fois angulaire et spatial. L'usage d'une arête AB augmente la distance de propagation, et réduit potentiellement l'extraction globale mais elle augmente la luminance.
[0096] De manière préférentielle, la normale de l’arête biseautée est parallèle à la somme des normales des deux faces latérales FL1 , FS adjacentes à l’arête biseautée à ±5°.
[0097] Le mode de réalisation de la figure 11 et de la figure 12 sont combinables. C’est-à-dire que, selon un mode de réalisation de l’invention, un milieu de sortie MS est accolé à l’arête biseautée AB pour maximiser la luminance du faisceau de sortie additionnel Ltotl et maximiser l’efficacité d’extraction.
[0098] La figure 13 illustre schématiquement un mode de réalisation de l’invention dans lequel le dispositif comprend :
- un premier miroir additionnel MT disposé de manière à couvrir la première face latérale FL1 ,
- un deuxième miroir additionnel M2’ disposé de manière à couvrir la deuxième face latérale FL2
- au moins un miroir additionnel M3, disposé de manière à couvrir partiellement la face de sortie FS en définissant une surface non recouverte SFS par le miroirs M3.
[0099] Comme expliqué précédemment, les miroirs MT, M2’ permettent d’augmenter l’efficacité d’extraction en évitant que le rayonnement de luminescence traverse les faces FL1 , FL2 avant de sortir par la surface SFS.
[0100] Le miroir M3 de couverture partielle de la face de sortie permet une augmentation de l’éclairement sur la surface SFS. Les dimensions du module d’émission sont adaptées pour qu’un ratio R = SFS/SSF entre la surface non recouverte SFS et la surface de la face FS soit adapté de manière à ce que des rayons du rayonnement de luminescence se réfléchissent sur M3 et se propagent en moyenne sur une distance moyenne Lmoy » L au sein du concentrateur CL avant de traverser la surface SFS. Les rayons du rayonnement de luminescence sortant du concentrateur forment un faisceau de sortie Ltot. Par Lmoy » L, on entend ici que Lmoy est supérieur à 7 fois préférentiellement 15 fois L.
[0101 ] Un ratio R adapté pour vérifier la condition Lmoy » L permet d’assurer que l’effet de confinement des rayons dans les 3 dimensions de l'espace, c’est-à-dire que le rayonnement luminescent, au lieu de traverser directement la surface SFS après avoir été généré, est majoritairement réfléchi au sein du concentrateur CL et réalise en moyenne plusieurs allers retours au sein du concentrateur CL avant de sortir par la surface SFS. Plus le ratio R est petit, plus la distance moyenne Lmoy parcourue par les rayons de luminescence au sein du concentrateur CL avant de sortir augmente. Ainsi, l’éclairement sur la face de sortie est augmenté car le rayonnement de luminescence a le temps de « remplir » le concentrateur CL avant de sortir. Les inventeurs ont remarqué que lorsque le ratio R est inférieur ou égal à 1/4, ou de manière préférentielle, inférieur ou égal à 1/8 la distance moyenne Lmoy est suffisante réaliser un effet concentrateur conséquent. Aussi, selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le ratio R est inférieur ou égal à 1/4, ou de manière préférentielle, inférieur ou égal à 1/8.
[0102] Les structures des dispositifs détaillés dans la présente description et les figures sont données à titre d’exemple et ont pour objectif d’illustrer l’invention. Elles ne doivent en aucun cas être considérées comme limitatrices de la portée l’invention. Diverses modifications et variations des structures décrites, des procédés de fabrication, et des applications et utilisations de celles-ci apparaitrons à l'homme du métier sans s'écarter de la portée et de l'esprit de l'invention.

Claims

Revendications
1 . Dispositif d’émission de lumière comprenant :
- un concentrateur de lumière (CL) dans un matériau solide fluorescent ou scintillateur présentant un indice nc et adapté pour absorber une lumière incidente (Ld) puis émettre un rayonnement luminescent (LL) au sein dudit concentrateur, ledit concentrateur comprenant au moins sept faces, deux faces parallèles appelées grandes faces (FE1 , FE2), et au moins cinq faces dites latérales (FL1 , FL2, FS, FT1 , FT2) dont :
- une première face latérale (FL1 ) et une deuxième face latérale (FL2) présentant une surface supérieure à une surface des autres faces latérales,
- une troisième face latérale (FS), dite face de sortie, adjacente à la première face latérale et à la deuxième face latérale, une portion (Ls), dite portion sortante, des rayons dudit rayonnement luminescent (LL) étant guidé par réflexion totale interne au sein du concentrateur en traversant ladite face de sortie (FS)
- une face latérale dite première facette (FT1 ) adjacente à la première face latérale et une face latérale dite deuxième facette (FT2) adjacente à la deuxième face latérale,
- un premier miroir (M1 ) disposé de manière à couvrir ladite première facette (FT1 ),
- un second miroir (M2) disposé de manière à couvrir ladite deuxième facette (FT2), la première facette et la deuxième facette formant un angle a supérieur à 0 et inférieur à 175° de manière à ce qu’une portion (Lr), dite portion recyclée du rayonnement luminescent, traverse ladite face de sortie (FS) après au moins une réflexion sur ladite première ou deuxième facette ou sur ledit premier ou second miroir, la portion sortante (Ls) et la portion recyclée (Lr) formant un faisceau de sortie
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel ledit angle a est adapté en fonction des dimensions et d’une disposition des facettes afin de maximiser une efficacité d’extraction du faisceau de sortie.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’angle a est compris entre 95° et 160°.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’angle a est compris entre 100° et 140°.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’angle a est compris entre 100° et 120°.
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’angle a est égal à 110° à ±1°.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 5, la première et la deuxième facette étant adjacentes.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 6, dont une facette additionnelle (FTA) adjacente à la première facette et à la deuxième facette.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le concentrateur comprend un nombre de faces latérales supérieur à 6, dont une pluralité de facettes additionnelles, chaque facette additionnelle étant adjacente à deux autres facettes additionnelles, ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la première facette ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la deuxième facette.
10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les grandes faces présentent une surface supérieure à une surface des autres faces.
11 . Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un premier miroir additionnel (MT) disposé de manière à couvrir ladite première face latérale et un deuxième miroir additionnel (M2’) disposé de manière à couvrir ladite deuxième face latérale.
12. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la première face latérale et la deuxième face latérale ne sont pas parallèles.
13. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’indice nc du concentrateur est supérieur à 1 ,5, le dispositif comprenant un milieu de sortie en contact avec la face de sortie et présentant un indice ns tel que nc > ns > 1.
14. Dispositif selon la revendication précédente, comprenant un système optique (SO) accolé au milieu de sortie adapté pour collimater des rayons du faisceau de sortie
15. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 11 , dans lequel le dispositif comprend un troisième miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite face de sortie, et dans lequel le concentrateur présente une arête biseauté (AB) entre la face de sortie et la première face latérale de manière à ce qu’une portion (Lr), dite portion recyclée additionnelle, de ladite portion piégée (Lp) traverse ladite arête biseautée (AB) formant un faisceau de sortie dit additionnel (Ltot,).
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